连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板及其制备
方法
技术领域
本发明涉及医用骨科材料技术领域,具体涉及一种连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板及其制备方法。
背景技术
聚醚醚酮(PAEK)为综合性能优异的特种工程塑料之一,其具有优异的力学强度、耐温性、耐疲劳性、韧性好、自润滑、生物相容性好等特性,被广泛应用于航空航天、军工、医疗等领域。碳纤维具有较高的比强度和模量,将其与PAEK材料复合,可性能互补,这其中以单向连续CF/PAEK预浸带的力学性能最突出,多用于航空航天、军工、医疗等行业要求较高的场合。
创伤骨折患者在逐年增加,骨科内固定器械骨板的种类不断扩大,为患者提供了众多选择,但仍有少数患者出现骨折愈合速度慢或基本不愈合的状态。传统的金属接骨板材料,如不锈钢、纯钛、钛合金,虽然使用范围广泛,但依然存在一些应用的问题。金属接骨板会发生腐蚀,分解出有毒性离子,对人体产生危害;金属接骨板与骨骼力学模量相差较大,会产生应力遮挡效应,会出现骨骼延迟愈合、骨炎症、骨密降低、骨质疏松、断裂和排异反应等术后症状;金属接骨板显影性差,射线无法穿透,术后无法对康复情况诊断。同时传金属接骨板材料因材料刚性大料,导致材料抗层间剪切能力差,材料的耐疲劳性差。随着科学技术的进步,骨科内固定材料的非金属化越来越明显。碳纤维材料具有密度低、比强度高、耐蠕变、耐腐蚀、耐高温、热膨胀系数小、透X光、生物相容性等优点,成为了纤维复合材料中增强体的首要选择,而其中值得一提的连续CF/PAEK热塑性复合材料,具有密度小、力学强度高、耐高温、耐湿热稳定性好、耐疲劳性好、柔韧性好、受力回复性好,无腐蚀性,X线透性好,不会影响MRI、CT扫描全身检查等诸多优点是综合性能最好的纤维复合材料之一,成为代替金属骨板的首选材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单的连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板的制备方法,本发明制备的股骨接骨板其具有力学强度高、耐疲劳性好、无腐蚀性、透X射线性好、生物相容性好等优点,是一种替代金属骨板的优选材料。
本发明是通过如下技术方案实现的:
一种连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板的制备方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
S1、裁剪准备连续CF/PAEK预浸带片;
S2、将所述连续CF/PAEK预浸带片按角度依次层叠铺放,然后用PAEK细丝固定,修剪整齐,备用;
S3、将步骤S2修剪后的材料置于模具中进行高温、高压成型,然后降温,脱模,获得连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板预成型件;在高温和高压下连续CF/PAEK预浸带片先后经过固体变软和PEEK基体树脂变为熔体,沿模板发生形状改变,得到了股骨接骨板毛坯的基本形状;同时熔体发生剪切流动,进一步提高浸润CF丝束效果,各层带片粘接成一体;
S4、对所述预成型件依次进行粗加工、精加工以及抛光处理,提高产品表面的光洁度,获得连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板产品。
本发明提供了一种连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板的制备方法,制备的股骨接骨板具力学强度高、耐疲劳性好、无腐蚀性、透X射线性好、生物相容性好等优点。
进一步的,一种连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板的制备方法:步骤S1中CF为连续长纤维束,选自T700、T800等级12K碳纤维中一种。
进一步的,一种连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板的制备方法:步骤S1中所述的连续CF/PAEK预浸带为单向的,其中PAEK树脂含量为32-36wt%。
进一步的,一种连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板的制备方法:连续CF/PAEK单向预浸带中的PAEK树脂为低分子量、高流动性的树脂。具体的,采用低分子量、高流动性的PAEK树脂树脂,利于对CF丝束的浸润,从而提高力学强度,但微观分子链段中的链结较少,树脂的脆性较大,剪切韧性会差一些。
进一步的,一种连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板的制备方法:所述的PAEK树脂选自PAEK、PEEK、PEKK、PEK、PEEKK树脂中任一种或几种。
进一步的,一种连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板的制备方法:步骤S2、将所述连续CF/PAEK预浸带片按照0°、90°、±45°依次层叠铺放,然后用PAEK细丝固定,修剪整齐,备用。
优选的,连续CF/PAEK预浸带片的铺放顺序对股骨接骨板产品的力学性能和外观结构有着至关重要的的影响,因本发明制备的产品本质为层压板,经过一层一层叠加复合而成,改变任意铺放顺序和角度,就相当于改变各铺层的角度、各角度的层数,改变产品的受力分布,从而影响产品的力学性能和外观结构。首先,本发明依据产品的总厚度设计铺层总数,然后依据受力结构进行铺放顺序、铺放角度方向及各角度方向层数的设计,最后通过静态力学和动态疲劳测试数据值,确定本发明最终的铺放方案(即铺放角度)。
进一步的,一种连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板的制备方法:确定以沿产品长度方向为0°方向,其铺放比例不低于总层数的60%;±45°方向的铺层比例不低于30%;剩余为90°方向的铺层比例。
优选的,采用本发明的预浸带片铺放方案能够在一定程度上降低产品出现翘曲变形的概率。按照0°、90°、±45°角度设计,各向同性好,受力分布均匀性较好;对各角度的层数比例进行设计,确定以沿产品长度方向为0°角度方向,为产品的主要受力方向,铺放比例应不低于60%,±45°角度方向的铺层比例不低于30%,然后9剩余为90°方向的铺层比例(大约在10%左右),这样设计可以避免产品因各方向受力不均,热膨胀系数不一产生翘曲变形,力学测试不会出现因某一方向存在缺陷而提前出现产品破坏,提高产品的整体力学强度。
进一步的,一种连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板的制备方法:步骤S3、将步骤S2修剪整齐后的材料置于模具中:在温度为370-400℃、压力为15-20MPa的条件下进行高温、高压成型90-120分钟,成型后先缓慢降温至220-240℃、再快速降温至120-140℃,进行脱模,获得连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板预成型件。
具体的,在该步骤S3中高温高压过程工艺参数,高温模具温度370~400℃,达到温度后停止加热开始加压,加压压力为15~20MPa,加压频率5min/MPa,保温保压90~120分钟。在这个过程中,连续CF/PAEK预浸带片发生形状改变,浸润CF丝束效果进一步提高,各层材料粘接成一体,加压排气,最降低复合材料内部的孔隙率,提高复合产品的力学强度。进一步的,在步骤S3中如果成型温度过高,保温时间过长,则PAEK树脂极易发生变色、老化等问题,导致树脂力学强度降低;如果成型温度偏低,加压压力过小,保压时间过短,则PAEK树脂熔融效果不好,熔体受到的作用力偏小,及处于高温下的作用时间较短,不能使CF得到PAEK熔体的完全浸润,增大复合材料内部的孔隙率,降低产品的力学强度;如果加压压力偏大,过多的PAEK熔体被挤出,会导致复合材料内部出现缺胶,浸润CF效果相差,从而降低复合材料的力学强度。
进一步的,在步骤S3中降温过程为:先自然缓慢降温至220~240℃,去除保温材料,然后再快速降温至120~140℃进行脱模。250~280℃此温度段为PAEK树脂的主要结晶段,在该过程中采用缓慢降温可以在较大程度上提高树脂的结晶度,从而提高PAEK树脂及其复合产品的力学强度。如果高于PAEK树脂的玻璃化转变温度143℃时脱模,此时微观分子结构为高弹态,分子链依然处于运动状态,脱模使预成型件快速失去外力的约束,分子链无规则运动,发生翘曲、变形;如果温度脱模偏低,金属材料的特性是热胀冷缩,温度越低金属模框的收缩越大,而连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料因受到碳纤维长丝的约束几乎不具有收缩性,这样就会致使预成型件卡死在模具内,无法轻松脱出,只有加大外力才能脱出,这样有非常大的几率导致预成型件出现挤压分层、开裂。
进一步的,一种连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板的制备方法:步骤S4中所述的粗加工、精加工其采用的刀具为金刚石或高钨钢刀具,刀具选择D4~D8;具体加工工艺参数为:
粗加工转速为6000~12000rpm、吃刀量0.3~0.6mm、进给量500~3000mmpm;
精加工转速为8000~20000rpm、吃刀量≤0.1mm、进给量500~3000mmpm。优选的,采用五轴加工中心进行粗加工和精加工。
优选的,加工时应当注意以下事项:(1)加工时要充分冷却,避免局部温度过高;(2)加工时要注意随时查看刀具磨损情况,避免因刀具磨损加工导致产品分层;(3)刀具刀摆控制在0.01mm内,既确保了加工精度,也有利于延长刀具寿命;(4)精度要求高的位置或者产品,需要进行2~4次的半精加工,后续在进行精加工;(5)刀具在加工加过程中平稳运行,可以减小加工变形,保证产品加工质量。
一种连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板,其特征在于,采用上述的制备方法制得。
本发明提供了一种连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板的制备方法,材料可设计性强,按照(0/0/0/0/0/90/0/45/-45/0/90/0/0/0/0/90/0/-45/45/0/0/0)s顺序铺放,复合层压成型,各向同性好,综合性能好。本发明分两部分加工,一是采用专用成型模具制作毛坯产品(预成型件),其成型效率高,厚度均一性好,质量稳定性好;二是利用五轴加工中心、磨抛机等加工设备得到成品产品,加工经验丰富,对产品质量影响小。
本发明的有益效果:
(1)本发明的制备工艺简单,且制得的股骨接骨板具力学强度高、耐疲劳性好、无腐蚀性、透X射线性好、生物相容性好等优点。本发明采用连续CF/PAEK单向预浸带片叠加复合层压,通过铺放设计任意改变铺放角度、顺序、层数,从而调节产品的力学性能,得到不同力学强度的连续CF/PEEK股骨接骨板产品。
(2)本发明的工艺基于高温、高压成型技术,将连续CF/PAEK单向预浸带中PAEK树脂进行熔融,在施加压力下,形状发生改变得到了该股骨接骨板产品的基本外形,同时进一步提高浸润CF丝束效果,各层材料粘接成一体,加压排气,降低复合材料内部的孔隙率,提高复合产品的力学强度。
(3)本发明的工艺采用的机加工工艺,可以避免刀具磨损导致的产品表面光洁度差,加工尺寸不稳定致使产品使用装配差,加工尺寸不到位致使频繁补刀、换刀,孔口上下锥度过大致使产品出现尺寸偏小问题,得到尺寸精度和质量好的产品。
(4)本发明方法制备的连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板,具有质量轻、比强度高、模量适中与人体骨骼接近、孔隙率低、层间韧性好、抗疲劳性好、无毒、无腐蚀、可透X射线等优点。本发明制备的股骨接骨板室温下静态四点弯曲力为4000~4300N,动态四点弯曲疲劳极限在2200N的加载力下运行次数为210万次,层间剪切强度为98MPa。
具体实施方式
下面将结合具体实施例,对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板的制备方法,包括如下具体步骤:
S1、按照(0/0/0/0/0/90/0/45/-45/0/90/0/0/0/0/90/0/-45/45/0/0/0)s铺放顺序和模具尺寸,裁剪准备连续CF/PAEK预浸带片,总共44层,其中0°为30层,90°为6层,±45°为8层;
S2、将所述连续CF/PAEK预浸带片依次层叠铺放,然后用PAEK细丝固定,修剪整齐,备用;
S3、将步骤S2修剪后的材料置于模具中,设定程序升温,升温至370-380℃时,手动停止加热,并开始加压,加压压力20MPa,加压频率5min/MPa,保温保压120分钟进行成型,成型后自然降温至240℃,去除保温材料,再快速降温至140℃脱模,获得连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板预成型件;
S4、选用D4高钨钢刀具对所得预成型件进行粗加工,更换新的D4高钨钢刀具进行精加工,抛光处理,获得连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板;其中:粗加工转速为6000rpm、吃刀量0.3mm、进给量500mmpm;精加工转速为8000rpm、吃刀量0.1mm、进给量500mmpm;抛光采用1500目石砂轮进行粗磨处理,2000目布砂轮进行精磨抛光处理,提高产品表面的光洁度,得到连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板成品。
测试:上述实施例1制得的连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板,在室温下静态四点弯曲力为4300N,动态四点弯曲疲劳极限在2200N的加载力下运行次数为212万次,层间剪切强度为96MPa。
实施例2
一种连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板的制备方法,包括如下具体步骤:
S1、按照(0/0/0/0/0/90/0/45/-45/0/90/0/0/0/0/90/0/-45/45/0/0/0)s铺放顺序和模具尺寸,裁剪准备连续CF/PAEK预浸带片,总共44层,其中0°为30层,90°为6层,±45°为8层;
S2、将所述连续CF/PAEK预浸带片依次层叠铺放,然后用PAEK细丝固定,修剪整齐,备用;
S3、将步骤S2修剪后的材料置于模具中,设定程序升温,升温至370-380℃时,手动停止加热,并开始加压,加压压力15MPa,加压频率5min/MPa,保温保压90分钟进行成型,成型后自然降温至240℃,去除保温材料,再快速降温至140℃脱模,获得连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板预成型件;
S4、选用D4高钨钢刀具对所得预成型件进行粗加工,更换新的D4高钨钢刀具进行精加工,抛光处理,获得连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板;其中:粗加工转速为12000rpm、吃刀量0.5mm、进给量1500mmpm;精加工转速为16000rpm、吃刀量0.1mm、进给量1500mmpm;抛光采用1500目石砂轮进行粗磨处理,2000目布砂轮进行精磨抛光处理,提高产品表面的光洁度,得到连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板成品。
测试:上述实施例2制得的连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板,在室温下静态四点弯曲力为4080N,动态四点弯曲疲劳极限在1900N的加载力下运行次数为165万次,层间剪切强度为94MPa。
实施例3
一种连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板的制备方法,包括如下具体步骤:
S1、按照(0/0/0/0/0/90/0/45/-45/0/90/0/0/0/0/90/0/-45/45/0/0/0)s铺放顺序和模具尺寸,裁剪准备连续CF/PAEK预浸带片,总共44层,其中0°为30层,90°为6层,±45°为8层;
S2、将所述连续CF/PAEK预浸带片依次层叠铺放,然后用PAEK细丝固定,修剪整齐,备用;
S3、将步骤S2修剪后的材料置于模具中,设定程序升温,升温至380-390℃时,手动停止加热,并开始加压,加压压力18MPa,加压频率5min/MPa,保温保压100分钟进行成型,成型后自然降温至240℃,去除保温材料,再快速降温至140℃脱模,获得连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板预成型件;
S4、选用D4高钨钢刀具对所得预成型件进行粗加工,更换新的D4高钨钢刀具进行精加工,抛光处理,获得连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板;其中:粗加工转速为10000rpm、吃刀量0.5mm、进给量1000mmpm;精加工转速为12000rpm、吃刀量0.1mm、进给量1000mmpm;抛光采用1500目石砂轮进行粗磨处理,2000目布砂轮进行精磨抛光处理,提高产品表面的光洁度,得到连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板成品。
测试:上述实施例3制得的连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板,在室温下静态四点弯曲力为4180N,动态四点弯曲疲劳极限在2100N的加载力下运行次数为179万次,层间剪切强度为94MPa。
实施例4
一种连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板的制备方法,包括如下具体步骤:
S1、按照(0/0/0/0/0/90/0/45/-45/0/90/0/0/0/0/90/0/-45/45/0/0/0)s铺放顺序和模具尺寸,裁剪准备连续CF/PAEK预浸带片,总共44层,其中0°为30层,90°为6层,±45°为8层;
S2、将所述连续CF/PAEK预浸带片依次层叠铺放,然后用PAEK细丝固定,修剪整齐,备用;
S3、将步骤S2修剪后的材料置于模具中,设定程序升温,升温至380-390℃时,手动停止加热,并开始加压,加压压力19MPa,加压频率5min/MPa,保温保压115分钟进行成型,成型后自然降温至240℃,去除保温材料,再快速降温至140℃脱模,获得连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板预成型件;
S4、选用D4高钨钢刀具对所得预成型件进行粗加工,更换新的D4高钨钢刀具进行精加工,抛光处理,获得连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板;其中:粗加工转速为8000rpm、吃刀量0.5mm、进给量800mmpm;精加工转速为10000rpm、吃刀量0.1mm、进给量800mmpm;抛光采用1500目石砂轮进行粗磨处理,2000目布砂轮进行精磨抛光处理,提高产品表面的光洁度,得到连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板成品。
测试:上述实施例4制得的连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板,在室温下静态四点弯曲力为4240N,动态四点弯曲疲劳极限在2200N的加载力下运行次数为207万次,层间剪切强度为96MPa。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于:对比例1的铺放顺序以及铺层比例与实施例1存在不同;具体的,对比例1的铺放顺序为:(0/0/45/-45/0/90/0/45/-45/0/0/0/-45/45/0/90/0/-45/45/0/90/0)s,总共44层,其中0°为24层,90°为6层,±45°为14层,对比例1的其他过程和工艺参数同实施例1。
测试:对比例1制得的连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板,室温下静态四点弯曲力为3800N,动态四点弯曲疲劳极限在1800N的加载力下运行次数为138万次,层间剪切强度为86MPa。
由上述实施例1与对比例1的测试结果可以看出,实施例1制得的CF/PAEK股骨接骨板在室温下的静态四点弯曲力、动态四点弯曲疲劳极限加载力和运行次数、层间剪切强度均高于对比例1,相对来说对比例1中0°铺层少6层、±45°铺层多6层,0°铺层数的减少导致所承受的最大作用力降低,导致测试结果值偏低。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于:对比例2的铺放顺序以及铺层比例与实施例1存在不同;具体的,对比例2的铺放顺序为:(0/0/0/0/0/90/0/45/-45/0/0/0/-45/45/0/0/0/-45/45/0/0/0)s,总共44层,其中0°为30层,90°为2层,±45°为12层,对比例2的其他过程和工艺参数同实施例1。
测试:对比例2制得的连续碳纤维CF/PAEK热塑性复合材料股骨接骨板,室温下静态四点弯曲力为3400N,动态四点弯曲疲劳极限在1500N的加载力下运行次数为110万次,层间剪切强度为81MPa。
由上述实施例1与对比例2的测试结果可以看出,实施例1制得的CF/PAEK股骨接骨板在室温下的静态四点弯曲力、动态四点弯曲疲劳极限加载力和运行次数、层间剪切强度远高于对比例2;相对来说对比例2中90°铺层少4层、±45°铺层多4层,虽然0°铺层的层数一致理论上所承受的最大作用力会相差不大,但由于90°层数减少,使得产品在测试过程中没有达到最大承受力前出现0°方向横向开裂,提前出现损伤破坏,±45°层数的增加没有体现出减弱产品横向开裂的作用,导致测试结果值偏低。
上述为本发明的较佳实施例仅用于解释本发明,并不用于限定本发明。凡由本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。