CN1830649A - 一种聚（l－乳酸）材料的锻压工艺及模具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可使用于制造骨折内固定器件的聚(L－乳酸)材料自增强的定向锻压工艺：将模坯放进温度在80摄氏度至160摄氏度之间的专用定向锻压模具的模坯腔；1～2分钟后锻压，时间限制在3～10秒内；保持压力并立即冷却，2分钟内降温低于50℃；解除压力开模取出成品。本发明还涉及专用模具，由主体和上模、下模组成，主体含有贯通上下的定向形变腔，上模和下模横截面的大小和形状设计与定向形变腔的横截面一致，分别从主体的定向形变腔的上下方插进合模后由上模下表面、下模上表面与定向形变腔的周边构成定向形变孔道即等于产品形状的空腔。采用本发明的工艺及模具，技术和设备要求较不高，材料无须经受长时间高温，分子量损失相对较小，可制造出初始弯曲强度达220～280MPa、剪切强度达160～185MPa的聚(L－乳酸)棒材、螺钉、板等型材器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚(L-乳酸)材料的锻压工艺，尤其是涉及一种可使用于制造骨折内固定器件的聚(L-乳酸)材料自增强的定向锻压工艺。本发明还涉及该工艺的专用模具。
背景技术
聚乳酸是一种脂肪族聚酯塑料，通常由丙交酯开环聚合而得，具有良好的生物相容性，可在体内降解吸收，广泛用作生物医学材料。可聚乳酸若用通常的塑料成型工艺难以获得高的力学强度，达不到用作制造骨折内固定器件的要求。但另一方面，聚乳酸通过自增强技术加工成型，其增强相与基体的化学组成完全相同，不存在增强相与基体在化学结构上的界面，在不需引入其它增强材料的情况下就可获得更高力学强度的制品，因此，通过自增强技术加工成型，是研究开发聚乳酸材料作为骨折内固定器件的理想方法。目前以自增强加工技术开发的聚(L-乳酸)和聚(D，L-乳酸)制造的螺钉、髓内钉(克氏针)等医疗器械产品已在临床上得到应用。在聚乳酸的自增强技术中，主要有纤维集束模压成型技术、定向自由拉伸技术、收缩拉伸技术和固态挤出技术。这些增强技术可制得初始弯曲强度为200MPa以上的聚(L-乳酸)棒材器件，但技术和设备要求较高，纤维集束模压成型技术中，物料还必须在高温下经受较长时间，分子量损失严重。
发明内容
本发明的第一个目的，在于提供一种可使用于制造骨折内固定器件的聚(L-乳酸)材料自增强的定向锻压工艺，设备要求不高，材料无须经受长时间高温，分子量损失相对较小。
本发明的工艺步骤如下：
将聚(L-乳酸)用通常的模压法模压成板材再裁割制成一定尺寸和形状的模坯；
将模坯放进温度在摄氏110℃至115℃之间的专用定向锻压模具的模坯腔；
模坯放入1～2分钟后开始上模、下模合模锻压，时间限制在3～10秒内；
合模至预定位置后，保持压力并停止加热，立即进行冷却，要求2分钟内使模具连同成品的温度降温至低于50℃；
当模具温度低于40℃时，解除压力开模取出成品。
本发明的第二个目的，在于提供一种专用于上述工艺的锻压模具，由主体和上模、下模组成，主体含有贯通上下的定向形变腔，上模和下模横截面的大小和形状设计与定向形变腔的横截面一致，上模、下模分别从主体的定向形变腔上、下方插进合模后由上模下表面、下模上表面与定向形变腔的周边构成等于产品形状的定向形变孔道空腔。
在上述基础上，本模具还可进一步变型：
所述的定向形变腔正中开有模坯腔，其形状和大小与模坯一致，模坯腔表面与定向形变腔表面相交处为圆滑过渡。
所述的模坯腔可与定向形变腔方向一致、或是与定向形变腔垂直的矩形孔、或是与定向形变腔垂直的圆孔。
所述的模具主体中开有冷却水通道、电热棒插孔及为测温孔，分别外接冷却水、插有电热棒、测温计。
模坯腔为纵向设计时，即模坯腔与定向形变腔方向一致时，模具主体中的定向形变腔即作为模坯腔；模坯腔为横向设计时，即模坯腔与定向形变腔垂直时，其形状和大小与模坯一致；模坯腔为圆孔时，其直径等于模坯直径。
本发明也适用于聚(L-乳酸)复合材料的自增强。
本发明的有益效果：采用本发明的工艺及模具，设备要求不高，材料无须经受长时间高温，分子量损失相对较小，可制造出初始弯曲强度达220～280MPa、剪切强度达160～185MPa的聚(L-乳酸)棒材、螺钉、板等型材器件。
附图说明
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
图1为模具实施例1模坯腔为纵向设计的定向锻压模具主体剖视示意图。
图2为图1的A-A剖面示意图。
图3为图2的B-B剖面示意图。
图4为模具实施例1上模主视示意图。
图5为图4的左视示意图。
图6为模具实施例1下模主视示意图。
图7为图6的左视示意图。
图8为模具实施例2模坯腔为圆孔的定向锻压模具主体主视示意图。
图9为图8的C-C剖面示意图。
图10为图9的D-D剖面示意图。
图11为模具实施例2上模主视示意图。
图12为图11的左视示意图。
图13为图11的仰视示意图。
图14为模具实施例2下模主视示意图。
图15为图14的左视示意图。
图16为图14的俯视示意图。
图17为模具实施例3模坯腔为横向设计的定向锻压模具主体主视示意图。
图18为图17的E-E剖面示意图。
图19为图18的F-F剖面示意图。
图20为模具实施例3上模主视示意图。
图21为图20的左视示意图。
图22为图20的仰视示意图。
图23为模具实施例3下模主视示意图。
图24为图23的左视示意图。
图25为图23的俯视示意图。
图中，1为上模，2为下模，3为主体，4为定向形变腔，5为模坯腔，6为冷却水通道，7为电热棒插孔，8为测温孔，9为上模定位销，10为主体定位孔。
具体实施方式
如图1至图7所示，本发明的专用于可使用于制造骨折内固定器件的聚(L-乳酸)材料自增强的定向锻压工艺的模具实施例1，由主体3和上模1、下模2组成，主体3含有贯通上下的定向形变腔4，也即长矩形孔，主体中还开有冷却水通道6、电热棒插孔7及为测温孔8，可分别外接冷却水、插有电热棒、测温计，主体中模坯腔5为纵向设计，本例中定向形变腔4的中部即作为模坯腔；上模和下模的横截面与定向形变腔和模坯腔的横截面相适应，都为长矩形，可分别从主体的定向形变腔4上下方插进合模，最终由上模下表面、下模上表面与定向形变腔的周边形成等于成品形状的定向孔道空腔，模坯在上下模的压力下充满由上模和下模与定向形变腔的周边构成的定向孔道成型。
例如，对通常的圆柱型的器件如圆棒和螺钉，定向孔道为圆形，孔道的直径及长度则由器件的直径及长度决定；对于板材，定向孔道为矩形，其大小及长度同样由要制造的板材决定。上模与下模合模后与定向形变腔的周边构成的定向形变孔道，其大小和形状与最终器件或制品的相同。定向锻压过程中，模坯随着上模与下模的合模而发生定向形变，最终形成与由上模和下模合模后与定向形变腔的周边构成的定向孔道形状和大小相同的制品。
如图8至图16所示，本发明的专用模具实施例2，与实施例1不同之处在于所述的模坯腔是一定孔径的圆孔，位于定向模具主体中的定向形变腔的中间，其直径等于模坯直径；模坯腔表面与定向形变腔表面相交处为圆弧过渡，过渡圆弧的R为6毫米。
如图17至图25所示，本发明的专用模具实施例3，与实施例1不同之处在于所述的模坯腔与定向形变腔成垂直方向的横向设计，位于定向模具主体中的定向形变腔的中间，其形状和大小与模坯一致。模坯腔表面与定向形变腔表面相交处为圆弧过渡，过渡圆弧的R为8毫米。
聚(L-乳酸)的定向锻压增强主要由以下因素决定：(1)锻压温度。锻压温度越高，分子链和微晶的取向程度偏低，锻压制品的力学强度偏低，反之增强。(2)冷却速度。锻压到预定位置(一般是上模与下模合模的位置)后，要迅速冷却。冷却速度越快，越有利于获得高强度的锻压制品。(3)模坯形变率。定义锻压成型制品的长与模坯的长(适用于模坯腔为纵向和横向设计)或直径(适用于模坯腔为圆孔设计)之比为模坯的形变率。模坯形变率越大越有利于提高制品或器件的强度。
此外，聚(L-乳酸)模坯的结晶度对锻压制品的强度也有影响。结晶度越高，锻压制品的力学强度也越高。
(1)锻压温度。聚(L-乳酸)的结晶熔融温度通常为175～185℃，玻璃化转变温度60℃左右。锻压温度可选在其玻璃化转变温度和结晶熔融温度之间，而以在110℃～115℃为好。锻压温度过低，产品质量及成品率降低，锻压温度过高，产品的力学强度偏低。
(2)冷却速度。冷却速度应越快越好。一般要求在锻压操作完成后，即锻压到预定位置后，立即进行冷却。最好能在2分钟内从锻压开始时的温度降温至低于50℃为好，以尽量缩短锻压件在锻压模具中退火时间。为达到速冷效果，模具必须设置通冷却水的通道，并且一旦锻压操作完成，立即切断施加给模具的热源，同时通入冷却水冷却。
(3)模坯形变率。模坯形变率决定模坯在定向锻压过程中的取向程度。模坯形变率越大，模坯在锻压过程中的取向程度越高，锻压产品的力学强度就越高。对于纵向和横向设计的模坯腔，模坯形变率可控制在2～12之间，但以在4～9之间为好。形变率比过低，制品的力学强度偏低；形变率过高，锻压的成品率降低。例如要制造直径为3mm、长为100mm的圆棒，用15×15.6×3mm3的模坯锻压成型，圆棒的长与模坯的长之比为100/15.6＝6.4或100/15＝6.7。对于圆孔设计的模坯腔，模坯形变率可控制在12～20之间。例如要制造直径为3mm、长为100mm的圆棒，用直径为7mm、高为18.5mm的圆柱形模坯，此时的形变率(100/7)为14.3。
施压速度。在模坯温度基本达到平衡后(通常在达到预设温度的定向锻压装置放入模坯1～2分钟后，视模坯的大小略有差异，但影响不大)施压，施压过程应在3～10秒内完成。在保持压力的同时，立即对定向锻压装置通入冷水冷却。待定向锻压装置温度降至50℃以下，解除压力，取出产品。施压过程过长，或施压后不立即冷却，或冷却速率过慢，都对锻压件产生解取向作用，并可引起锻压件的结晶度及微晶尺寸增大，不利于最终产品的提高和使用效果。
本发明的可使用于制造骨折内固定器件的聚(L-乳酸)材料自增强的定向锻压工艺
实施例1～4：
要求成品为φ3.2mm、长100mm的聚(L-乳酸)圆棒，为此采用模具实施例1的模坯腔为纵向设计的定向锻压模具，定向形变腔水平长度为100mm，上模和下模合模时构成的定向孔道为直径3.2mm、长100mm的空腔；将模具实施例1安装在油压机中。
工艺步骤如下：
将聚(L-乳酸)用通常的模压法模压成板材再裁割制成形变率在5～8之间的矩形模坯(各例的具体数值见表1)；
开始时首先设定锻压温度，待模具实施例1升温至设定温度并稳定后，将模坯放进模坯腔也即定向模具主体形变腔的中部位置；
模坯放入1分钟后开始上模、下模合模锻压，在5秒时间内完全合模完毕；
保持压力并切断热源，立即通水冷却，在2分钟内使模具的温度降温至至50℃(低于聚(L-乳酸)的Tg)；
当模具温度低于40℃时，解除压力开模取出成品。
得到φ3.2mm、长100mm的聚(L-乳酸)圆棒。有关参数和结果见表1。
表1
| 实施例 | 锻压温度/℃ | 模坯尺寸(厚×长×高)/mm | 模坯形变率 | 弯曲强度/MPa(三点法) | 剪切强度/MPa |
| 1 | 110 | 3.2×12.6×20 | 7.9 | 265±20 | 165±16 |
| 2 | 110 | 3.2×20×12.6 | 5.0 | 248±21 | 163±18 |
| 3 | 130 | 3.2×12.6×20 | 7.9 | 240±22 | 164±18 |
| 4 | 130 | 3.2×20×12.6 | 5.0 | 235±21 | 162±18 |
锻压工艺实施例5～8：
要求成品为φ3mm、长100mm的聚(L-乳酸)圆棒，为此采用模具实施例2的模坯腔为圆孔的定向锻压模具，定向形变腔水平长度为100mm，上模和下模合模时构成的定向孔道为直径3mm、长100mm的空腔；将模具实施例2安装在油压机中。
工艺步骤如下：
将聚(L-乳酸)用通常的模压法或注塑成型法、挤出法制成圆棒，再裁割制成形变率在14～25之间的圆柱形模坯(各例的具体数值见表2)；
开始时首先设定锻压温度，待模具实施例2升温到设定温度并稳定后，将模坯放进模坯腔；
模坯放入1分钟后开始上模、下模合模锻压，在5秒时间内完全合模完毕；
保持压力并切断热源，立即通水冷却，在2分钟内使模具的温度降温至至50℃(低于聚(L-乳酸)的Tg)；
当模具温度低于40℃时，解除压力开模取出成品。
得到φ3mm、长100mm的聚(L-乳酸)圆棒。有关参数和结果见表2。
表2
| 实施例 | 锻压温度/℃ | 模坯尺寸(直径×高)/mm | 模坯形变率 | 弯曲强度/MPa(三点法) | 剪切强度/MPa |
| 5 | 110 | 7×18.5 | 14.3 | 266±12 | 166±6 |
| 6 | 130 | 7×18.5 | 14.3 | 247±9 | 164±7 |
| 7 | 110 | 6×25 | 25 | 272±12 | 167±11 |
| 8 | 130 | 6×25 | 25 | 253±12 | 163±8 |
锻压工艺实施例9～12
要求成品为M4.2×50的聚(L-乳酸)螺钉，为此先如锻压工艺实施例1采用模具实施例1的模坯腔为圆孔的定向锻压模具，定向形变腔水平长度为100mm，但上模和下模合模时构成的定向孔道为直径4mm、长100mm的空腔；将制得的两支各为50mm的圆棒作为螺钉的预制件。按照模具实施例1的定向模具设计，使上模和下模合模时构成的孔道为M4.2×1.5、长50mm的螺孔而设计制造罗纹成型模具。将此含罗纹孔道的模具安装在油压机中。
工艺步骤如下：
按上述工艺制得聚(L-乳酸)螺钉预制件(各例的具体数值见表2)；
开始时首先设定罗纹成型温度，待模具升温到设定温度并稳定后，将预制件放入罗纹成型模具的模坯腔中；
模坯放入1分钟后开始上模、下模合模，在5秒时间内完全合模完毕；
保持压力并切断热源，立即通水冷却，在2分钟内使模具的温度降温至至50℃(低于聚(L-乳酸)的Tg)；
当模具温度低于40℃时，解除压力开模取出成品。
得到M4.2×1.5、长50mm的聚(L-乳酸)螺钉。有关参数和结果见表3。
表3
| 实施例 | 棒锻压温度/℃ | 模坯尺寸(厚×长×高)/mm | 模坯形变率 | 螺钉弯曲强度/MPa | 螺钉剪切强度/MPa |
| 9 | 115 | 4×15×21 | 6.7 | 272±20 | 167±17 |
| 10 | 115 | 4×21×15 | 4.8 | 265±21 | 163±18 |
| 11 | 130 | 4.2×15×22 | 6.7 | 264±22 | 166±17 |
| 12 | 130 | 4.2×22×15 | 4.8 | 255±21 | 164±20 |
锻压工艺实施例13～16
要求成品为φ3.5mm、长100mm的聚(L-乳酸)圆棒，采用模具实施例3的模坯腔为横向设计的定向锻压模具，定向形变腔水平长度为100mm，模坯腔处于定向形变腔正中，上模和下模合模时构成的定向孔道为直径3.5mm、长100mm的空腔；将模具安装在油压机中。
工艺步骤如下：
将聚(L-乳酸)用通常的模压法模压成板材再裁割制成形变率在14～25之间的矩形模坯(各例的具体数值见表4)；
开始时首先设定锻压温度，待模具实施例3升温到设定温度并稳定后，将模坯放进模坯腔；
模坯放入1分钟后开始上模、下模合模锻压，在5秒时间内完全合模完毕；
保持压力并切断热源，立即通水冷却，在2分钟内使模具的温度降温至至50℃(低于聚(L-乳酸)的Tg)；
当模具温度低于40℃时，解除压力开模取出成品。
得到φ3.5mm、长100mm的聚(L-乳酸)圆棒。有关参数和结果见表4。
表4
| 实施例 | 锻压温度/℃ | 模坯尺寸(厚×长×高)/mm | 模坯形变率 | 弯曲强度/MPa(三点法) | 剪切强度/MPa |
| 13 | 115 | 3.5×15×21 | 6.7 | 255±20 | 166±16 |
| 14 | 115 | 3.5×15×21 | 4.8 | 251±21 | 165±18 |
| 15 | 130 | 3.5×15×21 | 7.9 | 242±22 | 165±18 |
| 16 | 130 | 3.5×21×15 | 5.0 | 238±23 | 164±18 |
锻压工艺实施例17～18
要求成品为2×20×50mm3的聚(L-乳酸)增强板，采用模具实施例1的模坯腔为纵向设计的定向锻压模具，定向形变腔水平长度为120mm，上模和下模合模时与定形变腔周边构成的定向孔道为120mm、宽20mm、高2mm的空腔；将模具安装在油压机中。
工艺步骤如下：
将聚(L-乳酸)用通常的模压法模压成板材再裁割制成形变率为10的矩形模坯(各例的具体数值见表5)；
开始时首先设定锻压温度，待模具升温到设定温度并稳定后，将模坯放进定向形变腔中的模坯腔；
模坯放入2分钟后开始上模、下模合模锻压，在10秒时间内完全合模完毕；
保持压力并停止加热，立即通水冷却，在2分钟内使模具的温度降温至至50℃(低于聚(L-乳酸)的Tg)；
当模具温度低于40℃时，解除压力开模取出成品。
得到2×20×120mm3的聚(L-乳酸)增强板。分别从板的两端向中间栽出长50mm的板。有关参数和结果见下表5。
表5
| 实施例 | 煅压温度/℃ | 模坯尺寸(长×宽×高)/mm | 模坯形变率 | 弯曲强度/MPa(三点法) | 剪切强度/MPa |
| 17 | 110 | 12×20×20 | 10 | 245 | 165 |
| 18 | 130 | 15×20×20 | 10 | 238 | 164 |
Claims (9)
1、一种聚(L-乳酸)材料的锻压工艺，步骤如下：
a、将模坯放进温度在110℃至115℃之间的专用定向锻压模具的模坯腔；
b、模坯放入1～2分钟后开始上模、下模合模锻压，时间限制在3～30秒内；
c、合模至预定位置后，保持压力并停止加热，立即进行冷却，要求2分钟内的温度降温至低于50℃；
d、当模具温度低于40℃时，解除压力开模取出成品。
2、根据权利要求1所述的聚(L-乳酸)材料的锻压工艺，其特征是：所述的模坯放入1～2分钟后开始上模、下模合模锻压，时间限制在5～10秒内；
3、一种专用于如权利要求1所述的聚(L-乳酸)材料的锻压工艺的定向锻压模具，其特征是：由主体和上模、下模组成，主体含有贯通上下的定向形变腔，上模和下模横截面的大小和形状设计与定向形变腔的横截面一致，分别从主体的定向形变腔上下方插进合模后由上模下表面、下模上表面与定向形变腔的周边构成等于产品形状的定向形变孔道空腔。
4、根据权利要求3所述的定向锻压模具，其特征是：所述的定向形变腔正中开有模坯腔，其形状和大小与模坯一致，模坯腔表面与定向形变腔表面相交处为圆弧过渡。
5、根据权利要求4所述的定向锻压模具，其特征是：所述的模坯腔表面与定向形变腔表面相交处圆弧过渡的半径在3～8mm。
6、根据权利要求4所述的定向锻压模具，其特征是：所述的模坯腔与定向形变腔方向一致。
7、根据权利要求4所述的定向锻压模具，其特征是：所述的模坯腔与定向形变腔垂直的矩形孔。
8、根据权利要求4所述的定向锻压模具，其特征是：所述的模坯腔与定向形变腔垂直的圆孔。
9、根据权利要求3至7所述的定向锻压模具，其特征是：所述的主体中开有冷却水通道、电热棒插孔及测温孔，分别外接冷却水、插有电热棒、测温计。
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| CN100417507C (zh) | 2008-09-10 |
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