一種超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法，屬于高分子材料技術領域。其通過選用醫(yī)藥級超高分子量聚乙烯UHMWPE粉末為基礎材料，并對其復合添加天然維生素?E和單層氧化石墨烯GO，制成混合粉末，將混合粉末加入模具中，通過熱壓成型方法制備出UHMWPE/GO?VE復合材料；隨后對其進行γ?射線輻照交聯(lián)處理，最終得到抗氧化超低磨損超高分子量聚乙烯復合材料。本發(fā)明制備的γ?射線輻照交聯(lián)UHMWPE/GO?VE復合材料具優(yōu)良的耐磨性能；而GO的二維結構和優(yōu)異的力學性能與生物相容性能不僅降低了磨損，減少了磨屑數(shù)量，而且降低了由磨屑而引起的細胞不良反應程度；還具有優(yōu)異的抗氧化和抗老化性能。
【專利說明】
一種超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法，屬于高分子材料技術領域。
【背景技術】
[0002]醫(yī)用超高分子量聚乙烯(英文名稱縮寫:UHMWPE)是目前廣泛采用的髖關節(jié)臼材料。目前，應用于臨床的超高分子量聚乙烯復合材料主要是輻照交聯(lián)VE/UHMWPE復合材料，然而，VE的加入降低了復合材料的交聯(lián)度，從而降低了復合材料的耐磨粒磨損的性能。此外復合材料的力學性能相較于純UHMffPE有待進一步提高，因此進一步提高其在力學與耐磨方面的性能，對醫(yī)療應用有重大的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服上述不足之處，提供一種具有優(yōu)良的力學性能、抗氧化超低磨損超高分子量聚乙稀復合材料。
[0004]按照本發(fā)明提供的技術方案，一種超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法，按重量份計步驟為:
(1)混合粉末的制備:將單層氧化石墨烯GO和維生素-E加入到溶劑中充分攪拌分散后經(jīng)超聲處理，再加入超高分子量聚乙烯UHMffPE粉末磁力攪拌分散，再次超聲處理，經(jīng)超聲剝離得到粉末，然后進行球磨混合，形成均勻的三體混合粉末；
(2)成型:將步驟(I)所得混合粉末添加到模具中，采用平板硫化機在預壓，然后在保溫箱中保溫，再采用平板硫化機在壓模處理得到板材，冷卻至室溫；
(3)輻照:將步驟(3)所得的復合材料0.5-0.9MPa真空密封，然后在室溫下，采用γ-射線進行輻照交聯(lián)處理，輻照量為10kGy，輻照的劑量率為5kGyh—1，γ -射線原材用60Co，最終得到超高分子量聚乙稀復合材料。
[0005]所述維生素E的純度為VE > 98%，粒徑小于ΙΟΟμπι。
[0006]所述超高分子量聚乙烯UHMWPE粉末的粒徑范圍為4.3-200μπι。
[0007]所述超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法，具體步驟如下:
(1)混合粉末的制備:將0.3-0.7份的單層氧化石墨烯GO和0.1-0.3份的維生素-E粉末加入到500份溶劑中充分攪拌分散，然后再以200-4001超聲處理0.5-211;將99-99.6份的超高分子量聚乙烯粉末UHMWPE加入到上述溶液中，將混合物經(jīng)磁力攪拌30-90min后再次200-400W超聲剝離0.5-2h;將所得混合物置于球磨機中研磨混合2-4h;
將研磨后的混合物置于60-80 0C水浴中干燥，在60-80 °C下保溫至其完全干燥;再次置于球磨機中研磨粉碎，以300_600r/min的轉速粉碎2_4h;
(2)成型:將10g的步驟(I)所得混合粉末添加到模具中，采用平板硫化機在10-15MPa壓力下預壓10_15min，然后在保溫箱中180-200°C保溫2-3h，再采用平板硫化機在15-20MPa壓強下壓模處理15_20min得到復合材料板材，冷卻至室溫； (3)輻照:將步驟(3)所得的復合材料真空密封;然后在室溫下，采用γ-射線進行輻照交聯(lián)處理，輻照時間為9-12天，最終得到產(chǎn)品超高分子量聚乙烯復合材料。
[0008]步驟(I)所述溶劑為無水乙醇或丙酮。
[0009]采用γ -射線進行輻照交聯(lián)處理時，輻照量為10kGy，輻照的劑量率為5kGyh—1，γ -射線原材用60Co。
[0010]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明選用醫(yī)用超高分子量聚乙烯UHMWPE粉末為基礎材料，并對其復合添加維生素Ve和氧化石墨烯，充分利用了維生素-E和氧化石墨烯的優(yōu)良品質，既增加了 UHMWPE的抗氧化性和生物相容性，又增加了 UHMWPE的耐磨性等力學性能，最終得到具有優(yōu)良力學性能、抗氧化超低磨損超高分子量聚乙烯復合材料;維生素-E分子結構中的氧雜蔡滿端可以吸取和穩(wěn)定自由基，形成苯氧基自由基;苯氧基自由基會遭受位阻，使本身穩(wěn)定并保留在聚合物內(nèi)，阻止氧化過程。
【具體實施方式】
[0011 ]以下對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0012]醫(yī)用超高分子量聚乙烯粉末UHMWPE，其為常規(guī)的市購產(chǎn)品，粒度范圍為4.3-200μmD
[0013]維生素為常規(guī)的市購產(chǎn)品，純度大于98%，對其進行研磨處理，粒度小于ΙΟΟμπι。
[0014]單層氧化石墨烯(GO)，是通過氧化還原反應制備出石墨烯的一種衍生物，它是在單層石墨烯二維結構上連接大量含氧官能團，如竣基、揣基、輕基等，具有較高的彈性模量、抗拉強度等力學性能;可市購或自行制備。
[0015]本發(fā)明下述實施例所涉及的單層氧化石墨烯GO的制備方法如下:
(1)在40°C溫度下，向46g質量濃度為98%的濃硫酸中加入5g細鱗片石墨和0.75g高錳酸鉀，連續(xù)攪拌90min后，反應產(chǎn)物用去離子水洗至中性，真空干燥后，在900°C下保溫50秒，得到膨脹石墨其中濃硫酸的密度按1.84g/mL計算，對應25mL濃硫酸；
(2)在冰浴環(huán)境下，向盛有42.3g質量濃度為98%的濃硫酸中加入0.5g硝酸鈉、0.5g膨脹石墨及1.5g高錳酸鉀，在35 °C下攪拌30min，然后加熱升溫98°C，加入46g去離子水，攪拌15min，觀察到混合物由黑色變?yōu)榻瘘S色，用30mL溶度為30%的過氧化氫溶液中和剩余氧化劑，直至無氣泡生成其中濃硫酸的密度按1.84g/mL計算，對應23mL濃硫酸；
(3)用質量濃度為5%的稀鹽酸溶液和去離子水分別洗滌多次，去除上層溶液得到穩(wěn)定的分散液，真空干燥后得到所述單層氧化石墨烯。
[0016]實施例1
(I)混合粉末的制備工藝:
a、將0.5份的單層氧化石墨烯和0.1份的維生素-E粉末加入到500份溶劑中充分攪拌分散，然后再以200W超聲處理Ih;
b、將99.4份的UHMWPE加入到步驟a得到的溶液中，將混合物經(jīng)磁力攪拌30min后再次200W超聲剝離Ih;
c、將步驟b得到的混合物置于轉速為400r/min球磨機中研磨混合2h;
d、將步驟c得到的混合物置于60°C水浴中干燥，在60°C下保溫至其完全干燥；
e、將步驟d處理后的干燥物置于球磨機中研磨粉碎，以400r/min的轉速粉碎2h; (2)成型工藝:將10g的上述混合粉末添加到模具中，采用平板硫化機在15MPa壓力下預壓lOmin，然后在保溫箱中200°C保溫2h，再采用平板硫化機在20MPa壓強下壓模處理15min得到板材，冷卻至室溫；
(3)輻照工藝:將復合材料0.9MPa真空密封然后在室溫下，采用γ -射線進行輻照交聯(lián)處理，輻照量為10kGy，輻照的劑量率為5kGyh—1，γ -射線原材用60Co，輻照9天，最終得到具有優(yōu)良力學性能、抗氧化超低磨損超高分子量聚乙烯復合材料。
[0017]所述溶劑為無水乙醇。
[0018]實施例2
(1)混合粉末的制備工藝:
a、將0.6份的單層氧化石墨烯和0.2份的維生素-E粉末加入到500份溶劑中充分攪拌分散，然后再以400W超聲處理1.5h;
b、將99.2份的UHMffPE加入到經(jīng)過步驟a得到的溶液中，將混合物經(jīng)磁力攪拌60min后再次300W超聲剝離1.5h;
c、將步驟b得到的混合物置于轉速為400r/min球磨機中研磨混合2h;
d、將步驟c得到的混合物置于70°C水浴中干燥，在70°C下保溫至其完全干燥；
e、將步驟d處理后的干燥物置于球磨機中研磨粉碎，以400r/min的轉速粉碎3小時；
(2)成型工藝:將10g的上述混合粉末添加到模具中，采用平板硫化機在1MPa壓力下預壓15min，然后在保溫箱中180°C保溫3h，再采用平板硫化機在15MPa壓強下壓模處理20min得到板材，冷卻至室溫；
(3)輻照工藝:將復合材料0.9MPa真空密封然后在室溫下，采用γ -射線進行輻照交聯(lián)處理，輻照量為10kGy，輻照的劑量率為5kGyh—1，γ -射線原材用60Co，輻照9天，最終得到具有優(yōu)良力學性能、抗氧化超低磨損超高分子量聚乙烯復合材料。
[0019]所述溶劑為丙酮。
[0020]實施例3
(1)混合粉末的制備工藝:
a、將0.7份的單層氧化石墨烯和0.3份的維生素-E粉末加入到500份溶劑中充分攪拌分散，然后再以400W超聲處理Ih;
b、將99份的UHMWPE加入到經(jīng)過步驟a得到的溶液中，將混合物經(jīng)磁力攪拌90分鐘后再次400W超聲剝離2h;
c、將步驟b得到的混合物置于轉速為400r/min球磨機中研磨混合4h;
d、將步驟c得到的混合物置于80°C水浴中干燥，在80°C下保溫至其完全干燥；
e、將步驟d處理后的干燥物置于球磨機中研磨粉碎，以600r/min的轉速粉碎3小時；
(2)成型工藝:將10g的上述混合粉末添加到模具中，采用平板硫化機在13MPa壓力下預壓12min，然后在保溫箱中190°C保溫2.5h，再采用平板硫化機在ISMPa壓強下壓模處理18min得到板材，冷卻至室溫；
(3)輻照工藝:將復合材料0.9MPa真空密封然后在室溫下，采用γ -射線進行輻照交聯(lián)處理，輻照量為10kGy，輻照的劑量率為5kGyh—1，γ -射線原材用60Co，輻照9天，最終得到具有優(yōu)良力學性能、抗氧化超低磨損超高分子量聚乙烯復合材料。
[0021]所述溶劑為無水乙醇。
【主權項】
1.一種超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法，其特征是按重量份計步驟為: (1)混合粉末的制備:將單層氧化石墨烯GO和維生素-E加入到溶劑中充分攪拌分散后經(jīng)超聲處理，再加入超高分子量聚乙烯UHMffPE粉末磁力攪拌分散，再次超聲處理，經(jīng)超聲剝離得到粉末，然后進行球磨混合，形成均勻的三體混合粉末； (2)成型:將步驟(I)所得混合粉末添加到模具中，采用平板硫化機在預壓，然后在保溫箱中保溫，再采用平板硫化機在壓模處理得到板材，冷卻至室溫； (3)輻照:將步驟(3)所得的復合材料0.5-0.9MPa真空密封，然后在室溫下，采用γ-射線進行輻照交聯(lián)處理，輻照量為10kGy，輻照的劑量率為5kGyh—1，γ -射線原材用60Co，最終得到超高分子量聚乙稀復合材料。2.如權利要求1所述超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法，其特征是:所述維生素E的純度為VE > 98%，粒徑小于ΙΟΟμπι。3.如權利要求1所述超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法，其特征是:所述超高分子量聚乙烯UHMffPE粉末的粒徑范圍為4.3-200μπι。4.如權利要求1所述超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法，其特征是具體步驟如下: (1)混合粉末的制備:將0.3-0.7份的單層氧化石墨烯GO和0.1-0.3份的維生素-E粉末加入到500份溶劑中充分攪拌分散，然后再以200-4001超聲處理0.5-211;將99-99.6份的超高分子量聚乙烯粉末UHMWPE加入到上述溶液中，將混合物經(jīng)磁力攪拌30-90min后再次200-400W超聲剝離0.5-2h;將所得混合物置于球磨機中研磨混合2-4h; 將研磨后的混合物置于60-80°C水浴中干燥，在60-80°C下保溫至其完全干燥;再次置于球磨機中研磨粉碎，以300_600r/min的轉速粉碎2_4h; (2)成型:將10g的步驟(I)所得混合粉末添加到模具中，采用平板硫化機在10-15MPa壓力下預壓10_15min，然后在保溫箱中180-200°C保溫2-3h，再采用平板硫化機在15-20MPa壓強下壓模處理15_20min得到復合材料板材，冷卻至室溫； (3)輻照:將步驟(3)所得的復合材料真空密封;然后在室溫下，采用γ-射線進行輻照交聯(lián)處理，輻照時間為9-12天，最終得到產(chǎn)品超高分子量聚乙烯復合材料。5.如權利要求2所述超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法，其特征是:步驟(I)所述溶劑為無水乙醇或丙酮。6.如權利要求2所述超高分子量聚乙烯復合材料的制備方法，其特征是:采用γ-射線進行輻照交聯(lián)處理時，輻照量為10kGy，輻照的劑量率為5kGyh—1，γ -射線原材用60Co。
【文檔編號】C08L23/06GK105837896SQ201610247210
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月20日
【發(fā)明人】倪自豐, 李廣飛, 陳國美, 段為朋
【申請人】江南大學