CN110306079A - 一种低熔点液态金属及其制备方法与应用 - Google Patents

一种低熔点液态金属及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及液态金属技术领域，具体涉及一种低熔点液态金属及其制备方法与应用。该低熔点液态金属为Sn‑X或Bi‑Y所示的二元或多元合金；其中，Sn为锡；X为选自铟、锌、铋、铝、镁、铜、银中的一种金属或多种金属组成的合金；Bi为铋；Y为选自锡、锌、铝、镁、铜、银中的一种金属或多种金属组成的合金。本发明低熔点液态金属可用作外固定材料，适用于骨伤科应急处理、术后康复夹板及护具的制作。

Description

一种低熔点液态金属及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及液态金属技术领域，具体涉及一种低熔点液态金属及其制备方法与应用。该低熔点液态金属可用作外固定材料，适用于骨伤科应急处理、术后康复夹板及护具的制作。
背景技术
目前，作为外科用固定材料，国内医院骨科多用一次性的石膏、聚氨酯高分子夹板及绷带来固定骨折的病人，但在实际的骨折固定中，所使用的夹板虽然结构强度较大，定位能力也能有效满足使用的需要，但其在对患者骨骼定位时，会造成导致患者皮肤与夹板接触面的透气性严重不足，导致汗液等无法及时有效的排除或清理，引发皮肤瘙痒、肿胀、化脓、湿疹等症状。
另外，传统石膏、高分子夹板使用不方便，塑型以后无法根据患者的伤愈情况调整压力，严重影响患者使用夹板的舒适度，影响骨骼恢复的速度，加大了患者的恢复时间，浪费了医疗费用，而且该类夹板强度高，拆卸困难。
因此，为解决传统骨科外固定材料的透气性、舒适性、导热性差以及塑型后无法调节压力等问题，急需开发出一系列具有良好透气性、导热性以及可逆塑型的新材料，避免皮肤肿胀、化脓、湿疹等并发症，促进伤口愈合减少瘢痕，能够帮助患部尽快康复的骨科外固定材料。
发明内容
本发明提出一种低熔点液态金属，将其用作外固定材料可以解决传统骨科外固定材料的透气性、舒适性、导热性差以及塑型后无法调节压力等问题，该低熔点液态金属可广泛应用于骨伤科应急处理、术后康复夹板及护具的制作。
具体而言，本发明提供一种低熔点液态金属，其为Sn-X或Bi-Y所示的二元或多元合金；其中，
Sn为锡；X为选自铟、锌、铋、铝、镁、铜、银中的一种金属或多种金属组成的合金；
Bi为铋；Y为选自锡、锌、铝、镁、铜、银中的一种金属或多种金属组成的合金。
进一步地，在Sn-X所示的本发明低熔点液态金属中，以质量百分比计，Sn含量为40-95％，X含量为5-60％；优选地，Sn含量为45-90％，X含量为10-55％。
进一步地，在Bi-Y所示的本发明低熔点液态金属中，Bi含量为5-60％，Y含量为20-95％；优选地，Bi含量为30-60％，Y含量为40-70％。
进一步地，在Sn-X所示的本发明低熔点液态金属中，X组分为金属单质、二元合金、三元合金或多元合金中；其中，所述金属单质选自铟、锌、铋、铝、镁、铜、银的一种；所述二元合金选自铟锌、铟铋、铟铝、铟镁、铟铜、铟银、锌铋、锌铝、锌镁、锌铜、锌银、铋铝、铋镁、铋铜、铋银、铝镁、铝铜、铝银、镁铜、镁银、铜银二元合金中的一种；所述三元合金选自铟锌铋、铟锌铝、铟锌镁、铟锌铜、铟锌银、铟铋铝、铟铋镁、铟铋铜、铟铋银、铟铝镁、铟铝铜、铟铝银、铟镁铜、铟镁银、锌铋铝、锌铋镁、锌铋铜、锌铋银、锌铝镁、锌铝铜、锌铝银、锌镁铜、锌镁银、铋铝镁、铋铝铜、铋铝银、铋镁铜、铋镁银、铋铜银、铝镁铜、铝镁银、铝铜银、镁铜银三元合金中的一种；所述多元合金是由铟、锌、铋、铝、镁、铜、银中的一种或多种与所述二元合金、三元合金中的一种配制而成。
进一步地，在Bi-Y所示的本发明低熔点液态金属中，Y组分为金属单质、二元合金、三元合金或多元合金中的一种；所述金属单质选自铟、锌、锡、铝、镁、铜、银的一种；所述二元合金选自铟锌、铟锡、铟铝、铟镁、铟铜、铟银、锌锡、锌铝、锌镁、锌铜、锌银、锡铝、锡镁、锡铜、锡银、铝镁、铝铜、铝银、镁铜、镁银、铜银二元合金中的一种；所述三元合金选自铟锌锡、铟锌铝、铟锌镁、铟锌铜、铟锌银、铟锡铝、铟锡镁、铟锡铜、铟锡银、铟铝镁、铟铝铜、铟铝银、铟镁铜、铟镁银、锌锡铝、锌锡镁、锌锡铜、锌锡银、锌铝镁、锌铝铜、锌铝银、锌镁铜、锌镁银、锡铝镁、锡铝铜、锡铝银、锡镁铜、锡镁银、锡铜银、铝镁铜、铝镁银、铝铜银、镁铜银三元合金中的一种；所述多元合金是由铟、锌、锡、铝、镁、铜、银的一种或多种与所述二元合金、三元合金中的一种配制而成。
另外，本发明研究发现，当Sn-X或Bi-Y所示的本发明低熔点液态金属中含有Bi时，其质量百分比含量不宜超过60％；若≥60％，会导致合金的脆性增强；通常可≤30％。
进一步地，Sn-X或Bi-Y所示的本发明低熔点液态金属，其导热系数≥20W/m·K，或者≥25W/m·K，或者≥27W/m·K，或者≥30W/m·K，或者≥33W/m·K，或者≥55W/m·K。
进一步地，Sn-X或Bi-Y所示的本发明低熔点液态金属，其软化温度在40-80℃。
进一步地，Sn-X或Bi-Y所示的本发明低熔点液态金属，其硬度为1.2-1.5(莫氏硬度)。
在本发明一些具体实施方式中，低熔点液态金属为Sn-Zn-Al的三元合金，以质量百分比计，其中Sn含量为45-90％，Zn含量为5-30％，Al含量为1-10％。具体地，其中Sn含量为90％，Zn含量为7％，Al含量为3％；该低熔点液态金属导热系数为55W/m·K，软化温度为60-80℃，硬度为1.5(莫氏硬度)。
在本发明一具体实施方式中，低熔点液态金属为Sn-In的二元合金，以质量百分比计，其中Sn含量为40-90％，In含量为10-60％。具体地，其中Sn含量为96％，In含量为4％；该低熔点液态金属导热系数为33W/m·K，软化温度为60-80℃，硬度为1.5(莫氏硬度)。
在本发明一具体实施方式中，低熔点液态金属为Bi-In-Sn的三元合金，以质量百分比计，其中Bi含量为5-50％，In含量为20-60％，Sn含量为5-30％。具体地，Bi含量为30％，In含量为50％，Sn含量为20％；该低熔点液态金属导热系数为30W/m·K，软化温度为40-50℃，硬度为1.2(莫氏硬度)。
本发明所述低熔点液态金属具有良好的可塑性和延伸率，可任意塑型，能够实现与人体患处的紧密贴合；温度降至室温后快速硬化保持固定形状而承重，具有较高的使用强度。
本发明低熔点液态金属能够快速的将患部热量散出，能够促进患部的康复。
本发明所述低熔点液态金属可按本领域常规方法制备。例如，可按配比将各组分混合熔炼后，浇铸成型；或者进一步再切割或压铸成所需形状；或者再进一步再其表面进行涂层处理。
具体地，本发明还提供上述低熔点液态金属的制备方法，包括熔炼工序和成型工序。
其中，所述熔炼工序采用真空高频感应熔炼炉进行二次熔炼，熔炼过程中充惰性气体(例如氩气)作为保护气，防止金属氧化；第一次为高温(400-600℃)熔炼，以熔化金属；第二次为中温(200-300℃)熔炼，进一步机械搅拌，使合金各组分均质化。
其中，所述成型工序包括将熔炼工序均质化的合金材料浇铸，然后可根据需要制成各种形状(成型)。
本发明还包括所述低熔点液态金属在用作外固定材料中的应用。
本发明还提供一种外固定材料，其主要组分为上述低熔点液态金属。
本发明低熔点液态金属外固定材料可广泛应用于骨伤科应急处理、术后康复夹板及护具的制作。
本发明所述外固定材料可用于制作骨科夹板、护具等，可作为上肢、下肢、腰、颈等部位骨折固定的支撑材料，在55-80℃软化(可用热水或烘箱加热软化)后能够以任意形状贴合患部，降至室温硬化后能够快速承重。
具体地，当本发明所述低熔点液态金属用作外固定材料以制作骨科夹板、护具等时，可将该低熔点液态金属根据骨科夹板或护具的尺寸要求进行切割或压铸；或者进一步地还可以采用热转印、水转印、阳极氧化、喷涂或电泳技术，对片材表面覆膜或图案加工。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明低熔点液态金属具有良好的导热性能，能够将患部释放的热量快速散发出来，促进患部的康复；
(2)本发明低熔点液态金属软化温度低，软化后能以任意形状快速塑型贴合于患部，降温硬化后能够快速承重；
(3)本发明低熔点液态金属制作的骨科夹板、护具，具有良好的透气性和舒适性，拆卸方便，操作简单。同时，材料可重复利用，综合使用成本低。
综上所述，将本发明低熔点液态金属用作外固定材料，解决了传统骨科外固定材料的透气性、舒适性、导热性差以及塑型后无法调节压力等问题，避免皮肤肿胀、化脓、湿疹等并发症，促进伤口愈合减少瘢痕，能够帮助患部尽快康复的骨科外固定材料。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
实施例1
一种低熔点液态金属，其为Sn-Zn-Al的三元合金；以质量百分比计，其中Sn含量为90％，Zn含量为7％，Al含量为3％。
本实施例三元合金Sn90Zn7Al3的导热系数为55W/m·K，软化温度为60-80℃。
本实施例还提供该低熔点液态金属的制备方法，包括：
(1)熔炼工序：采用真空高频感应熔炼炉熔炼炉进行二次熔炼，熔炼过程中充氩气作为保护气，防止金属氧化。第一次高温600℃熔化金属，第二次中温250℃加机械搅拌使合金各组分均质化；
(2)成型工序：将均质化的合金材料浇铸成型。本实施例低熔点液态金属可用作外制备可作为上肢(肘部、肩部)、下肢(脚踝、膝关节、髋部)等部位术后康复外固定材料。具体制备方法为将该低熔点液态金属根据骨科夹板或护具的尺寸要求进行切割或压铸；或者进一步地还可以采用热转印、水转印、阳极氧化、喷涂或电泳技术，对片材表面覆膜或图案加工。
本实施例低熔点液态金属的硬度为1.5(莫氏硬度)，到达软化温度后能够任意塑型贴合人体，操作简单方便；同时，利用该材料的高导热性，能将患部释放的热量快速散发出去，避免皮肤肿胀、化脓、湿疹等并发症，促进伤口愈合减少瘢痕，能够帮助患部尽快康复的骨科外固定材料。
实施例2
一种低熔点液态金属，其为Sn-In的二元合金，以质量百分比计，其中Sn含量为96％，In含量为4％。
本实施例二元合金Sn96In4的导热系数为33W/m·K，软化温度为60-80℃。
本实施例还提供该低熔点液态金属的制备方法，包括：
(1)熔炼工序：采用真空高频感应熔炼炉熔炼炉进行二次熔炼，熔炼过程中充氩气作为保护气，防止金属氧化。第一次高温400℃，熔化金属，第二次中温200℃加中温搅拌使合金各组分均质化；
(2)成型工序：将均质化的合金材料浇铸成型。
本实施例低熔点液态金属可用作外制备可作为上肢(肘部、肩部)、下肢(脚踝、膝关节、髋部)等部位术后康复外固定材料。具体制备方法为将该低熔点液态金属根据骨科夹板或护具的尺寸要求进行切割或压铸；或者进一步地还可以采用热转印、水转印、阳极氧化、喷涂或电泳技术，对片材表面覆膜或图案加工。
本实施例低熔点液态金属硬度为1.5(莫氏硬度)，到达软化温度后能够任意塑型贴合人体，操作简单方便；同时，利用该材料的高导热性，能将患部释放的热量快速散发出去，避免皮肤肿胀、化脓、湿疹等并发症，促进伤口愈合减少瘢痕，能够帮助患部尽快康复的骨科外固定材料。
实施例3
一种低熔点液态金属，其为Bi-In-Sn的三元合金；以质量百分比计，其中Bi含量为30％，In含量为50％，Sn含量为20％。
本实施例三元合金Bi30In50Sn20的导热系数为30W/m·K，软化温度为40-50℃。
本实施例还提供该低熔点液态金属的制备方法，包括：
(1)熔炼工序：采用真空高频感应熔炼炉熔炼炉进行二次熔炼，熔炼过程中充氩气作为保护气，防止金属氧化。第一次高温600℃熔化金属，第二次中温200℃加机械搅拌使合金各组分均质化；
(2)成型工序：将均质化的合金材料浇铸成型。
本实施例低熔点液态金属可用作外制备上肢如指骨、手腕、手肘、颈等部位术后康复外固定材料。具体制备方法为将该低熔点液态金属根据骨科夹板或护具的尺寸要求进行切割或压铸；或者进一步地还可以采用热转印、水转印、阳极氧化、喷涂或电泳技术，对片材表面覆膜或图案加工。
本实施例低熔点液态金属的硬度为1.2(莫氏硬度)，同时具有一定的柔韧性，能够在室温进行塑型，操作简单方便。
对比例
一种低熔点液态金属，其为Bi-In-Sn的三元合金，以质量百分比计，其中Bi含量为60％，In含量为30％，Sn含量为10％。
本对比例三元合金Bi60In30Sn10的导热系数为28W/m·K，软化温度为40-50℃。
本对比例还提供该低熔点液态金属的制备方法，包括：
(1)熔炼工序：采用真空高频感应熔炼炉熔炼炉进行二次熔炼，熔炼过程中充氩气作为保护气，防止金属氧化。第一次高温400℃，熔化金属，第二次中温200℃加中温搅拌使合金各组分均质化；
(2)成型工序：将均质化的合金材料浇铸成型。
本对比例低熔点液态金属与实施例1相比，由于铋含量的已达60％，导致合金的脆性增强，该低熔点液态金属制作的夹板易脆断，无法满足骨科固定的要求。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种低熔点液态金属，其特征在于，其为Sn-X或Bi-Y所示的二元或多元合金；其中，
Sn为锡；X为选自铟、锌、铋、铝、镁、铜、银中的一种金属或多种金属组成的合金；
Bi为铋；Y为选自锡、锌、铝、镁、铜、银中的一种金属或多种金属组成的合金。
2.根据权利要求1所述的低熔点液态金属，其特征在于，在Sn-X所示的低熔点液态金属中，以质量百分比计，Sn含量为40-95％，X含量为5-60％；优选地，Sn含量为45-90％，X含量为10-55％；或者，
在Bi-Y所示的低熔点液态金属中，Bi含量为5-60％，Y含量为20-95％；优选地，Bi含量为30-60％，Y含量为40-70％。
3.根据权利要求1或2所述的低熔点液态金属，其特征在于，在Sn-X所示的低熔点液态金属中，X组分为金属单质、二元合金、三元合金或多元合金中；其中，所述金属单质选自铟、锌、铋、铝、镁、铜、银的一种；所述二元合金选自铟锌、铟铋、铟铝、铟镁、铟铜、铟银、锌铋、锌铝、锌镁、锌铜、锌银、铋铝、铋镁、铋铜、铋银、铝镁、铝铜、铝银、镁铜、镁银、铜银二元合金中的一种；所述三元合金选自铟锌铋、铟锌铝、铟锌镁、铟锌铜、铟锌银、铟铋铝、铟铋镁、铟铋铜、铟铋银、铟铝镁、铟铝铜、铟铝银、铟镁铜、铟镁银、锌铋铝、锌铋镁、锌铋铜、锌铋银、锌铝镁、锌铝铜、锌铝银、锌镁铜、锌镁银、铋铝镁、铋铝铜、铋铝银、铋镁铜、铋镁银、铋铜银、铝镁铜、铝镁银、铝铜银、镁铜银三元合金中的一种；所述多元合金是由铟、锌、铋、铝、镁、铜、银中的一种或多种与所述二元合金、三元合金中的一种配制而成。
4.根据权利要求1或2所述的低熔点液态金属，其特征在于，在Bi-Y所示的低熔点液态金属中，Y组分为金属单质、二元合金、三元合金或多元合金中的一种；所述金属单质选自铟、锌、锡、铝、镁、铜、银的一种；所述二元合金选自铟锌、铟锡、铟铝、铟镁、铟铜、铟银、锌锡、锌铝、锌镁、锌铜、锌银、锡铝、锡镁、锡铜、锡银、铝镁、铝铜、铝银、镁铜、镁银、铜银二元合金中的一种；所述三元合金选自铟锌锡、铟锌铝、铟锌镁、铟锌铜、铟锌银、铟锡铝、铟锡镁、铟锡铜、铟锡银、铟铝镁、铟铝铜、铟铝银、铟镁铜、铟镁银、锌锡铝、锌锡镁、锌锡铜、锌锡银、锌铝镁、锌铝铜、锌铝银、锌镁铜、锌镁银、锡铝镁、锡铝铜、锡铝银、锡镁铜、锡镁银、锡铜银、铝镁铜、铝镁银、铝铜银、镁铜银三元合金中的一种；所述多元合金是由铟、锌、锡、铝、镁、铜、银的一种或多种与所述二元合金、三元合金中的一种配制而成。
5.根据权利要求1-4任一项所述的低熔点液态金属，其特征在于，当Sn-X或Bi-Y所示的低熔点液态金属中含有Bi时，其质量百分比含量不超过60％；优选≤30％。
6.根据权利要求1-5任一项所述的低熔点液态金属，其特征在于，所述低熔点液态金属导热系数≥20W/m·K，或者≥25W/m·K，或者≥27W/m·K，或者≥30W/m·K，或者≥33W/m·K，或者≥55W/m·K；和/或，所述低熔点液态金属的软化温度在40-80℃；和/或，所述低熔点液态金属的硬度为1.2-1.5(莫氏硬度)。
7.根据权利要求1所述的低熔点液态金属，其特征在于，Sn-X所示的低熔点液态金属为Sn-Zn-Al的三元合金，以质量百分比计，其中Sn含量为45-90％，Zn含量为5-30％，Al含量为1-10％；优选地，其中Sn含量为90％，Zn含量为7％，Al含量为3％；或者，
Sn-X所示的低熔点液态金属为为Sn-In的二元合金，以质量百分比计，其中Sn含量为40-90％，In含量为10-60％；优选地，其中Sn含量为96％，In含量为4％；或者，
Bi-Y所示的低熔点液态金属为Bi-In-Sn的三元合金，以质量百分比计，其中Bi含量为5-50％，In含量为20-60％，Sn含量为5-30％；优选地，Bi含量为30％，In含量为50％，Sn含量为20％。
8.权利要求1-7任一项所述低熔点液态金属的制备方法，其特征在于，包括熔炼工序和成型工序；
其中，所述熔炼工序采用真空高频感应熔炼炉进行二次熔炼，熔炼过程中充惰性气体作为保护气；第一次为高温(400-600℃)熔炼，以熔化金属；第二次为中温(200-300℃)熔炼，进一步机械搅拌，使合金各组分均质化。
9.一种外固定材料，其特征在于，主要组分为权利要求1-7任一项所述的低熔点液态金属。
10.权利要求1-6任一项所述低熔点液态金属的在用作外固定材料中的应用；优选应用于骨伤科应急处理、术后康复夹板或护具的制作。
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