CN114149688B - 一种肌肉等效材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种肌肉等效材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种肌肉等效材料及其制备方法和应用。所述肌肉等效材料包括A组分和B组分，以重量份数计，所述A组分的原料组成包括：乙烯基硅油100‑150份，羟基硅油20‑45份，含氢硅油10‑50份，螺旋纤维1‑30份。本发明的肌肉等效材料以无毒无味、化学性质稳定的硅橡胶为基材，添加螺旋纤维，使得该等效材料的结构更接近于人体肌肉组织，可以用于人体等效靶标中肌肉部分的制作。

Description

一种肌肉等效材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及仿生材料技术领域，具体涉及一种肌肉等效材料及其制备方法和应用。
背景技术
在评估武器装备对人体的毁伤效果中，一般以替代靶标作为研究对象。生物靶标一般为人体、猪、羊、鼠、兔等，但由于生物靶标来源少、个体差异大，以及受社会伦理道德制约，使得该类研究存在一定的限制。非生物靶标多为木质靶标和金属靶板，这类靶标的结构性能与人体本身性能参数之间存在较大的差别，显然，利用木质靶标和金属靶板所评估得到的人体毁伤效果是不全面的。
人体是多种复杂组织结构以特定方式结合的有机体，单一材料无法全面反映整体的毁伤程度。在现有研究中，已开发的人体关键组织器官替代材料种类较少，常用的肥皂、明胶等材料缺乏对不同组织器官不同的力学性能和毁伤效果的针对性，不能精确地反应特定组织器官的毁伤情况。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种肌肉等效材料及其制备方法和应用。本发明提供了一种含螺旋纤维的硅橡胶基肌肉等效材料，具有与人体肌肉组织相似的毁伤效果，适用于人体等效靶标中肌肉部分的制作。
为达到上述目的，本发明提供一种肌肉等效材料，包括A组分和B组分，以重量份数计，所述A组分的原料组成包括：乙烯基硅油100-150份，羟基硅油20-45份，含氢硅油10-50份，螺旋纤维1-30份。
根据本发明的具体实施方案，上述肌肉等效材料中，优选的，以重量份数计，所述B组分的原料组成包括：乙烯基硅油100-150份，羟基硅油5-20份，含氢硅油3-25份，补强剂0.5-10份，敏化剂0.3-12份，阻燃剂1-20份。
根据本发明的具体实施方案，上述肌肉等效材料中，优选的，所述A组分和B组分质量比为(1-3)：1，优选1:1。
根据本发明的具体实施方案，上述肌肉等效材料中，优选的，所述螺旋纤维选自海藻酸钠、壳聚糖、葡聚糖、聚丙烯腈、聚丙烯、聚乙烯、聚烯烃、聚乙烯醇、聚己内酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚砜和聚醚砜中的任意一种或两种以上的组合。
本发明的具体实施方案，上述肌肉等效材料中，优选的，所述螺旋纤维选自聚丙烯、聚乙烯、聚烯烃、聚乙烯醇中的任意一种或两种以上的组合。
根据本发明的具体实施方案，上述肌肉等效材料中，优选的，所述乙烯基硅油中乙烯基的摩尔含量为0.3-1％。
根据本发明的具体实施方案，上述肌肉等效材料中，进一步优选的，所述乙烯基硅油为乙烯基摩尔含量为0.3％的乙烯基硅油和乙烯基摩尔含量为1％的乙烯基硅油的组合，优选的，二者的质量比为(1-3)：(7-9)。
根据本发明的具体实施方案，上述肌肉等效材料中，优选的，所述补强剂选自气相二氧化硅、轻质碳酸钙、硅微粉、硅灰石粉中的任意一种或两种以上的组合。
根据本发明的具体实施方案，上述肌肉等效材料中，优选的，所述敏化剂选自三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、四甘醇二甲基丙烯酸酯、三烯丙基异氰尿酸酯中的任意一种或两种以上的组合。
根据本发明的具体实施方案，上述肌肉等效材料中，优选的，所述阻燃剂选自氢氧化铝和/或氢氧化镁。
本发明还提供一种上述肌肉等效材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备A组分：将乙烯基硅油、羟基硅油、含氢硅油按比例混合并初次搅拌均匀，再加入螺旋纤维，再次搅拌均匀后脱泡，得到A组分；
(2)制备B组分：将乙烯基硅油、羟基硅油、含氢硅油按比例混合并初次搅拌均匀，再加入补强剂、敏化剂和阻燃剂，再次搅拌均匀后脱泡，得到B组分；
(3)将所述A组分和B组分混合均匀，搅拌均匀后脱泡，得到混合料；
(4)对所述混合料进行γ射线辐照固化，得到所述肌肉等效材料终产品。
根据本发明的具体实施方案，上述制备方法的步骤(4)中，优选的，辐照源为60 Co源，吸收剂量为20-150kGy，优选为60kGy。
根据本发明的具体实施方案，上述制备方法的步骤(4)中，优选的，剂量率为80-150Gy/min。
根据本发明的具体实施方案，上述制备方法的步骤(4)中，优选的，所述γ射线辐照固化在常温和/或隔绝空气条件下进行。
根据本发明的具体实施方案，上述制备方法的步骤(1)-(3)中，优选的，所述脱泡在机械搅拌条件下进行，所述脱泡为真空脱泡处理，处理时间为0.5-1h。
根据本发明的具体实施方案，上述制备方法的步骤(1)中，优选的，所述初次搅拌时间为10-30min，所述再次搅拌时间为20-45min。
根据本发明的具体实施方案，上述制备方法的步骤(2)中，优选的，所述初次搅拌时间为10-30min，所述再次搅拌时间为30-60min。
根据本发明的具体实施方案，优选的，上述制备方法包括如下步骤：
(1)制备A组分：将乙烯基硅油、羟基硅油、含氢硅油按照一定的比例混合，使用机械搅拌混合均匀，搅拌时间10-30min，再加入螺旋纤维，充分混合20-45min，机械搅拌加真空脱泡0.5-1h后出料，得到A组分；
(2)制备B组分制备：将乙烯基硅油、羟基硅油、含氢硅油按照一定的比例混合，使用机械搅拌混合均匀，搅拌时间10-30min，再加入补强剂、敏化剂和阻燃剂，继续搅拌30-60min，机械搅拌加真空脱泡0.5-1h后出料，得到B组分；
(3)将A组分和B组分搅拌均匀，机械搅拌加真空脱泡0.5-1h后出料，得到混合料；
(4)在常温下，将步骤(3)所得混合料倒入模具中，在隔绝空气条件下用γ射线辐照，辐照源为60 Co源，吸收剂量为20-150kGy，剂量率为80-150Gy/min，辐照完成后即可得到固化后的肌肉等效材料。
本发明还提供一种上述肌肉等效材料在武器杀伤力评估中的应用。
根据本发明的具体实施方案，上述应用中，优选的，所述肌肉等效材料用于制作人体等效靶标或动物等效靶标。
根据本发明的具体实施方案，上述应用中，优选地，所述人体等效靶标为人体肌肉等效靶标。
根据本发明的具体实施方案，上述应用中，优选地，所述动物等效靶标为猪肌肉等效靶标。
本发明还提供一种肌肉模型的制备方法，包括：将上述制备方法步骤(3)所得混合料倒入模具中并进行上述制备方法步骤(4)所述的γ射线辐照固化，固化完成脱模，得到肌肉模型。
优选的，所述肌肉模型为人体下肢模型，所述人体下肢的制备方法包括：将骨骼替代材料置于人体下肢模型中，倒入上述制备方法步骤(3)所得混合料并进行上述制备方法步骤(4)所述的γ射线辐照固化，固化完成脱模，得到人体下肢模型。
本发明的肌肉等效材料及其制备方法和应用具有如下有益效果：
本发明的肌肉等效材料以无毒无味、化学性质稳定的硅橡胶为基材，添加螺旋纤维，使得该等效材料的结构更接近于人体肌肉组织。本发明的肌肉等效材料的力学响应和毁伤效果与人体肌肉高度相似，可以用于人体等效靶标中肌肉部分的制作。
附图说明
图1为本发明实施例、对比例所得肌肉等效材料及猪肌肉的压缩应力-应变曲线。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供一种肌肉等效材料，其具体制备方法包括如下步骤：
(1)制备A组分：将乙烯基硅油100重量份、羟基硅油25重量份、含氢硅油15重量份混合，使用机械搅拌混合均匀，搅拌时间20min，加入聚乙烯醇螺旋纤维7重量份，充分混合45min，机械搅拌加真空脱泡0.5h后出料，得到A组分；
(2)制备B组分：将乙烯基硅油100重量份、羟基硅油5重量份、含氢硅油5重量份混合，使用机械搅拌混合均匀，搅拌时间20min，加入气相二氧化硅补强剂1.5重量份、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯敏化剂5重量份和氢氧化铝阻燃剂10重量份，继续搅拌30min，机械搅拌加真空脱泡45min后出料，得到B组分；
(3)将A、B组分搅拌均匀，机械搅拌加真空脱泡1h后出料，得到混合料；
(4)在常温下,将步骤(3)所得混合料倒入模具中，在隔绝空气条件下用γ射线辐照，辐照源为60 Co源，吸收剂量为60kGy，剂量率为100Gy/min，固化完成后将得到的肌肉等效材料从模具中取出。
实施例2
本实施例提供一种肌肉等效材料，其具体制备方法包括如下步骤：
(1)制备A组分：将乙烯基硅油150重量份、羟基硅油25重量份、含氢硅油40重量份混合，使用机械搅拌混合均匀，搅拌时间20min，加入聚乙烯醇螺旋纤维30重量份，充分混合45min，机械搅拌加真空脱泡1h后出料，得到A组分；
(2)制备B组分：将乙烯基硅油150重量份、羟基硅油10重量份、含氢硅油10重量份混合，使用机械搅拌混合均匀，搅拌时间20min，加入气相二氧化硅补强剂1.5重量份、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯敏化剂5重量份和氢氧化铝阻燃剂10重量份，继续搅拌30min，机械搅拌加真空脱泡45min后出料，得到B组分；
(3)将A、B组分搅拌均匀，机械搅拌加真空脱泡1h后出料，得到混合料；
(4)在常温下,将步骤(3)所得混合料倒入模具中，在隔绝空气条件下用γ射线辐照，辐照源为60 Co源，吸收剂量为100kGy，固化完成后将得到的肌肉等效材料从模具中取出。
对比例1
本对比例提供一种肌肉等效材料。与实施例1相比，区别仅在于：本对比例的A组分中未添加螺旋纤维。
本对比例的肌肉等效材料的制备方法具体包括如下步骤：
(1)制备A组分：将乙烯基硅油100重量份、羟基硅油25重量份、含氢硅油15重量份混合，使用机械搅拌混合均匀，搅拌时间20min，真空脱泡0.5h后出料，得到A组分；
(2)制备B组分：将乙烯基硅油100重量份、羟基硅油5重量份、含氢硅油5重量份混合，使用机械搅拌混合均匀，搅拌时间20min，加入气相二氧化硅补强剂1.5重量份、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯敏化剂5重量份和氢氧化铝阻燃剂10重量份，继续搅拌30min，机械搅拌加真空脱泡45min后出料，得到B组分；
(3)将A、B组分搅拌均匀，机械搅拌加真空脱泡1h后出料，得到混合料；
(4)在常温下，将步骤(3)所得混合料倒入模具中，在隔绝空气条件下用γ射线辐照，辐照源为60 Co源，吸收剂量为60kGy，剂量率为100Gy/min，固化完成后将得到的肌肉等效材料从模具中取出。
对比例2
本对比例提供一种肌肉等效材料。与实施例1相比，区别仅在于：本对比例的固化方式为室温固化，固化时间48h；在B组分中添加用于催化固化的铂氢催化剂7重量份，并去除B组分中影响催化的含氢硅油。
本对比例的肌肉等效材料的制备方法具体包括如下步骤：
(1)制备A组分：将乙烯基硅油100重量份、羟基硅油25重量份、含氢硅油15重量份混合，使用机械搅拌混合均匀，搅拌时间20min，加入聚乙烯醇螺旋纤维7重量份，充分混合45min，机械搅拌加真空脱泡0.5h后出料，得到A组分；
(2)制备B组分：将乙烯基硅油100重量份、羟基硅油5重量份混合，使用机械搅拌混合均匀，搅拌时间20min。加入气相二氧化硅补强剂1.5重量份、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯敏化剂5重量份、氢氧化铝阻燃剂10重量份以及铂氢催化剂7重量份，继续搅拌30-60min，机械搅拌加真空脱泡45min后出料，得到B组分；
(3)将A、B组分搅拌均匀，机械搅拌加真空脱泡0.5h后出料，得到混合料；
(4)在常温下，将将步骤(3)所得混合料倒入模具中，室温固化48h，待凝固后脱模，得到肌肉等效材料样品。
对上述实施例和对比例制备的肌肉等效材料以及猪肌肉的进行性能测试，测试项目和方法具体如下：
A、密度：依据《GB/T 533-2008硫化橡胶或热塑性橡胶密度的测定》测定；
B、应力应变曲线：参考《GB/T 7757-2009硫化橡胶或热塑性橡胶压缩应力应变性能的测定》测定；
C、实弹试验：(1)用弹：直径为4mm的钨球；(2)设备：53式7.62mm线膛弹道枪，XGK2002型计时仪，高速摄影；(3)试验过程：将待测样品作为靶标固定于靶架上，靶前及靶后分别放置测速靶(通断靶)，使枪管、前后测速靶中心、靶板中心处于同一弹道水平线上；测量钨球靶前的初始速度及穿靶后的剩余速度。
猪肌肉组织和人体肌肉组织的结构相似的，主要由肌纤维和结缔组织构成，其力学特征也是相似的，例如：静息状态下有弹性，加外力可拉长，被动张力曲线不服从胡克定律，具有非线性特征等。瘦肉型长白猪的体重为75kg时，其肌肉层组织厚度与人体最为接近。因此，本发明以该猪肌肉模拟人体肌肉。
实施例和对比例制备的肌肉等效材料以及猪肌肉的密度测试结果及实弹试验结果如表1所示，压缩应力-应变曲线如图1所示。
表1 肌肉等效材料、猪肌肉的密度测试结果及实弹试验结果
Figure BDA0003365087460000061
Figure BDA0003365087460000071
由图1可以看出，本发明实施例的肌肉等效材料的压缩应力随应变的增加而增加，且增加速率逐渐增大，其曲线与猪肌肉接近。综合表1和图1，可以看出，相比于对比例1和2，实施例1制备的肌肉等效材料的密度、应力应变曲线和靶后剩余速度与生物体肌肉更为接近，本发明的肌肉等效材料的力学响应和毁伤效果与人体肌肉高度相似，可以用于人体等效靶标中肌肉部分的制作。
本发明添加螺旋纤维后使得肌肉等效材料具有与肌肉类似的结构。当本发明的肌肉等效材料或人体肌肉受压时，螺旋纤维或肌纤维被压成卷曲的一团直至压碎，应力急速增加。相较之下，对比例1的未添加螺旋纤维的材料则无此效果。
本发明使用辐射交联工艺制备的材料样品的性能和结构与肌肉的更接近，这是因为在辐照过程中，由于电离辐射的吸收是没有选择性的，体系中产生自由基，这些自由基可能是主链断裂，也可能是一些侧基脱落产生，然后再发生自由基结合，螺旋纤维表面与基体也发生了作用。此外，使用辐射交联工艺，无须添加催化剂、引发剂等；本发明的γ辐照固化体系相较于室温固化可以缩短固化时间。相较之下，对比例2使用化学法室温固化得到材料样品则无此效果。

Claims (18)

1.一种肌肉等效材料，其特征在于，包括质量比为（1-3）：1的A组分和B组分，以重量份数计，所述A组分的原料组成包括：乙烯基硅油100-150份，羟基硅油20-45份，含氢硅油10-50份，螺旋纤维1-30份；所述B组分的原料组成包括：乙烯基硅油100-150份，羟基硅油5-20份，含氢硅油3-25份，补强剂0.5-10份，敏化剂0.3-12份，阻燃剂1-20份；
其中，所述螺旋纤维选自海藻酸钠、壳聚糖、葡聚糖、聚丙烯腈、聚烯烃和聚乙烯醇中的任意一种或两种以上的组合；
所述肌肉等效材料的制备方法包括如下步骤：将所述A组分和B组分混合均匀，搅拌均匀后脱泡，得到混合料；对所述混合料进行γ射线辐照固化，得到所述肌肉等效材料终产品。
2.根据权利要求1所述的肌肉等效材料，其特征在于，所述A组分和B组分质量比为1:1。
3.根据权利要求1所述的肌肉等效材料，其特征在于，所述螺旋纤维选自聚丙烯、聚乙烯、聚乙烯醇中的任意一种或两种以上的组合。
4.根据权利要求1所述的肌肉等效材料，其特征在于，所述乙烯基硅油中乙烯基的摩尔含量为0.3-1%。
5.根据权利要求4所述的肌肉等效材料，其特征在于，所述乙烯基硅油为乙烯基摩尔含量为0.3%的乙烯基硅油和乙烯基摩尔含量为1%的乙烯基硅油的组合。
6.根据权利要求1所述的肌肉等效材料，其特征在于，所述补强剂选自气相二氧化硅、轻质碳酸钙、硅微粉、硅灰石粉中的任意一种或两种以上的组合。
7.根据权利要求1所述的肌肉等效材料，其特征在于，所述敏化剂选自三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、四甘醇二甲基丙烯酸酯、三烯丙基异氰尿酸酯中的任意一种或两种以上的组合。
8.根据权利要求1所述的肌肉等效材料，其特征在于，所述阻燃剂选自氢氧化铝和/或氢氧化镁。
9.一种权利要求1-8任一项所述的肌肉等效材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）制备A组分：将乙烯基硅油、羟基硅油、含氢硅油按比例混合并初次搅拌均匀，再加入螺旋纤维，再次搅拌均匀后脱泡，得到A组分；
（2）制备B组分：将乙烯基硅油、羟基硅油、含氢硅油按比例混合并初次搅拌均匀，再加入补强剂、敏化剂和阻燃剂，再次搅拌均匀后脱泡，得到B组分；
（3）将所述A组分和B组分混合均匀，搅拌均匀后脱泡，得到混合料；
（4）对所述混合料进行γ射线辐照固化，得到所述肌肉等效材料终产品。
10. 根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，辐照源为60 Co源，吸收剂量为20-150kGy。
11. 根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，吸收剂量为60 kGy。
12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述γ射线辐照固化在常温和/或隔绝空气条件下进行。
13.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）-（3）中，所述脱泡在机械搅拌条件下进行，所述脱泡为真空脱泡处理，处理时间为0.5-1h。
14.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述初次搅拌时间为10-30min，所述再次搅拌时间为20-45min。
15.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述初次搅拌时间为10-30min，所述再次搅拌时间为30-60min。
16.权利要求1-8任一项所述的肌肉等效材料在武器杀伤力评估中的应用。
17.根据权利要求16所述的应用，其特征在于，所述肌肉等效材料用于制作人体等效靶标或动物等效靶标。
18.根据权利要求17所述的应用，其特征在于，所述人体等效靶标为人体肌肉等效靶标，所述动物等效靶标为猪肌肉等效靶标。
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