CN108853591A - 一种混杂热塑纤维热熔碳纤维假肢复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混杂热塑纤维热熔碳纤维假肢复合材料及其制备方法，属于假肢材料技术领域。本发明利用不同类型的碳纤维混合编织制备三维结构的预制体织物的方法，将制备完成之后的三维预制体织物采用热塑性树脂混合液浸渍处理，浸渍后经过干燥固化处理，通过热压固化成型假肢护具半成品板材或管材，该半成品复合材料可经过切割机械加工处理，最终通过不同异型模具热熔定型制备腿部肢体器官假肢部件，同时，本发明的复合材料编织的假肢部件可根据儿童年龄增加导致残疾部位器官发生的变化适时对假肢部件的弯曲度进行调整，有效避免了假肢部件长期使用出现的匹配度差、不舒适的问题。

Description

一种混杂热塑纤维热熔碳纤维假肢复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及假肢材料技术领域，具体涉及一种混杂热塑纤维热熔碳纤维假肢复合材料及其制备方法。

背景技术

假肢是维持残疾人正常生活和行动的重要部件，尤其在医学康复工程领域的发展过程中，假肢配件的使用必不可少，而医学康复部件的发展是综合了医学工程、生物学、仿生学和材料学等多门学科的综合性领域，其中对于假肢配件的使用，最主要的部位是人体下肢(腿部)部件，而这种假肢部件对于不同人个体的生理弯曲度、特征外型以及使用过程中的微变形和重心协调的要求非常高，传统制备下肢部件的材料为工程塑料、金属材料，其重量大、佩戴舒适度较差，同时使用过程中尤其对于身体不断成长的儿童来讲，其腿部器官的外型均随着年龄不断改变，因此传统材质假肢的外型适应程度明显跟不上年龄的变化，这就需要假肢部件具有调整外型及生理弯曲度的特殊功能。

专利申请201610131158.1公开了一种三维编织复合材料假肢及其制备方法，通过多种高性能纤维，利用多种三维立体编织结构组合的技术，进行三维编织复合材料脚部和小腿部假肢构件的制备。在腿部或脚部假肢构件三维织物预制体编织完成后，在预制体厚度方向采用特定纤维进行二次铺缝强化。同时在假肢构件频繁耐弯、耐压的部位采用金属增强件或复合材料构件内嵌强化方法以提高该部位的抗疲劳载荷的能力。最后热固性树脂胶液为基体，浸渍上述预制体，复合固化成型。然而，这种假肢的生产采用热固性树脂浸渍碳纤维复合材料织物制备，而这种材质的复合材料假肢由于树脂基体自身的特性限制，无法进行二次加工以及形状或曲率的条恒，这尤其对于对假肢依赖性较高的儿童来讲，随着年龄增加残疾部位器官的生长变化会带来原有假肢部件的匹配度差、不舒适等问题。因此，有必要研究一种新的假肢部件复合材料。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种混杂热塑纤维热熔碳纤维假肢复合材料及其制备方法。本发明利用不同类型的碳纤维混合编织制备三维结构的预制体织物的方法，将制备完成之后的三维预制体织物采用热塑性树脂混合液浸渍处理，浸渍后经过干燥固化处理，通过热压固化成型假肢护具半成品板材或管材，该半成品复合材料可经过切割机械加工处理，最终通过不同异型模具热熔定型制备腿部肢体器官假肢部件，同时，本发明的复合材料编织的假肢部件可根据儿童年龄增加导致残疾部位器官发生的变化适时对假肢部件的弯曲度进行调整，有效避免了假肢部件长期使用出现的匹配度差、不舒适的问题。

本发明的目的之一是提供一种混杂热塑纤维热熔碳纤假肢复合材料。

本发明的目的之二是提供一种利用混杂热塑纤维热熔碳纤维制备假肢部件的方法。

本发明的目的之三是提供一种假肢部件弯曲外型的调整方法。

本发明的目的之四是提供一种混杂热塑纤维热熔碳纤维制备的假肢部件。

本发明的目的之五是提供混杂热塑纤维热熔碳纤假肢复合材料、利用混杂热塑纤维热熔碳纤维制备假肢部件的方法、混杂热塑纤维热熔碳纤维制备的假肢部件以及假肢部件弯曲外型的调整方法的应用。

为实现上述发明目的，具体的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开了一种混杂热塑纤维热熔碳纤维假肢复合材料，所述复合材料由碳纤维进行混合编织后，采用热塑性树脂混合液浸渍、干燥固化而成，所述的碳纤维选用高强度碳纤维和高模量碳纤维进行混合编织；高强度碳纤维和高模量碳纤维的混合比例根据使用要求灵活调整，本发明不做限定。

所述碳纤维选用T300、T700、T800或T1000中的任意一种。

适时高模量碳纤维选用M40、M40J、M55、M55J、M60或M60J中的任意一种。

所述热塑性树脂为乳液类型，其中，树脂选用聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚酰胺或聚酰亚胺等中的任意一种。

优选的，所述热塑性树脂中，乳液的固含量控制在30-60％范围内。

优选的，所述热塑性树脂中，采用的溶剂为水或有机溶剂。

进一步优选的，所述有机溶剂包括乙醇、丙酮等。

所述碳纤维的编织结构类型包括三维四向、三维五向、三维六向、三维七向等多种织物结构。

所述混杂热塑纤维热熔碳纤维复合材料的形状可为板状、管状、片状等任意半成品基本形状。

其次，本发明公开了一种利用混杂热塑纤维热熔碳纤维假肢复合材料制备假肢部件的方法，包括如下步骤：

(1)将碳纤维混合编织成预制体织物，然后采用热塑性树脂胶液对预制体织物进行浸渍、干燥后得到预成品；

(2)将步骤(1)中的预成品置于压力机模具中进行熔融定型，冷却后开模，即得假肢半成品；

(3)将步骤(2)中的半成品置于假肢成型模具中进行软化处理，冷却后开模，即得假肢部件。

步骤(1)中，所述浸渍时间控制在0.5-4小时范围内。

步骤(1)中，所述干燥时间控制在2-4小时内，干燥温度控制在40-70℃范围内。

步骤(2)中，所述熔融定型的压力为5-20MPa。

步骤(2)中，所述熔融定型的温度为150-340℃。

步骤(2)中，所述冷却后开模指：冷却到40℃以下后再开模。

步骤(3)中，所述热软化的温度为135-275℃，时间为0.5-2h。

步骤(3)中，所述热软化的压力为10-20MPa。

步骤(3)中，所述冷却后开模指：冷却到40℃以下后再开模。

优选的，上述假肢部件的制备方法中，还包括在浸渍过程中采用超声振荡处理。

所述超声的时间与浸渍时间相同，优选的，频率为150Khz-300Khz。

本发明在前期的研究过程中发现：制备的假肢部件刚性还有待于提升，分析后认为是因为采用的热塑性树脂刚性较低、同时，大分子的热塑性树脂只是在编织的碳纤维表面形成了一层了表面膜，并没有很好地浸渍到碳纤维预制体织物中造成，其结果是：制造的假肢部件的截面上存在大量微孔，大幅度降低了界截面的有效面积，影响假肢的刚性，而假肢是一种使用时需要承受人体重量和地面不断冲击的部件，刚性不足不仅会影响假肢的使用寿命，还会带来严重的安全隐患；然而，采用热塑性树脂是本发明的关键技术，涉及到能否很好地解决根据人体肢体器官的舒适程度对假肢部件的弯曲度进行调整的问题，尽管热固性树脂的刚性好，但由于热固性树脂在热熔成型后无法再软化(即使受热)，因此，只能在采用热塑性树脂的基础上，采取其他措施，进一步研究后发生，在浸渍的同时采用超声处理能够很好地解决上述问题，因为本发明采用的热塑性树脂不仅是一种大分子物质，且是乳液态，难以很好地浸渍到碳纤维预制体织物中，而超声处理正好能够加速树脂分子向碳纤维预制体织物中运动，可以使树脂充分地分布在碳纤维预制体织物中，既能够使假肢部件具备良好的弯曲度调整的特性，又能够解决假肢刚性的问题。

再次，本发明公开了一种假肢部件弯曲外型的调整方法，包括：将成品假肢部件置于外型调整模具中，在125-270℃、5-20MPa的条件下热软化2-5h，冷却到40℃以下后开模，即得。

再其次，本发明公开了采用混杂热塑纤维热熔碳纤维制备的假肢部件。

最后，本发明还公开了提供混杂热塑纤维热熔碳纤假肢复合材料、利用混杂热塑纤维热熔碳纤维制备假肢部件的方法、混杂热塑纤维热熔碳纤维制备的假肢部件以及假肢部件弯曲外型的调整方法在医学康复领域中的应用。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：

(1)本发明采用热熔有机纤维与碳纤维三维混合编织的技术进行假肢预制体织物加工，加工之后通过高温热熔成型热塑性复合材料，整个加工过程操作灵活，可根据具体产品外形设计半成品的基本形状，成型方式简单，生产效率高。

(2)本发明采用热塑性复合材料制备的假肢部件可根据人体舒适度要求进行微外型和弯曲度的调整，调整过程操作简单，可在原有假肢外型的基础上通过热软化的方式完成，不仅可根据人体肢体器官的舒适程度进行调整，而且还可以根据儿童年龄增加导致残疾部位器官发生的变化适时对假肢部件的弯曲度进行调整，有效避免了假肢部件长期使用出现的匹配度差、不舒适的问题，也间接延长了假肢的使用寿命。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例利用混杂热塑纤维热熔碳纤维制备的假肢部件的结构示意图。

附图中标记分别代表：1-高强度碳纤维、2-高模量碳纤维、3-假肢部件。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有的假肢材料和部件无法解决残疾部位器官的生长变化会带来原有假肢部件的匹配度差、不舒适的问题，因此，本发明提出了一种混杂热塑纤维热熔碳纤维假肢复合材料及其制备方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

实施例1

1、如图1所示，一种利用混杂热塑纤维热熔碳纤维制备假肢部件的方法，包括如下步骤：

(1)将T300高强度碳纤维与M40高模量碳纤维采用1:1比例进行纱线混合，用三维四向编织类型制备成三维立体织物预制体，厚度为5mm，采用以水为溶剂的、固含量在30％的聚乙烯热塑性树脂乳液浸渍上述预制体织物0.5小时，浸渍过程中超声振荡处理(频率250Khz)，然后将浸渍后的预制体织物在真空烘箱中于在40℃干燥2小时，得到预制品；

(2)将步骤(1)中的预制品置于半管状小腿假肢模具中，在5MPa压力下加热到150℃进行熔融定型，得到假肢半成品，半成品经过水循环冷却至40℃以下开模，即可得到树脂含量在30％的假肢半成品；

(3)将步骤(2)中的半成品根据使用者腿部外型要求进行半成品机械切割，然后置于假肢成型模具中在10MPa压力下经过135℃加热软化1h，将模具用水循环冷却至40℃以下开模，得到成品假肢部件。

2、一种假肢部件弯曲外型的调整方法，包括：将本实施例制备的成品假肢部件置于外型调整模具中，在125℃、5MPa的条件下热软化5h，将模具冷却到40℃以下后开模即可。

实施例2

1、如图1所示，一种利用混杂热塑纤维热熔碳纤维制备假肢部件的方法，包括如下步骤：

(1)将T700高强度碳纤维与M40J高模量碳纤维采用2:1比例进行纱线混合，用三维七向编织类型制备成三维立体织物预制体，厚度为4mm，采用以乙醇为溶剂的、固含量在40％的聚丙烯热塑性树脂乳液浸渍上述预制体织物1小时，浸渍过程中超声振荡处理(频率150Khz)，然后将浸渍后的预制体织物在真空烘箱中于在40℃干燥3小时，得到预制品；

(2)将步骤(1)中的预制品置于半管状小腿假肢模具中，在12MPa压力下加热到165℃进行熔融定型，得到假肢半成品，半成品经过水循环冷却至40℃以下开模，即可得到树脂含量在40％的假肢半成品；

(3)将步骤(2)中的半成品根据使用者腿部外型要求进行半成品机械切割，然后置于假肢成型模具中在10MPa压力下经过150℃加热软化2h，将模具用水循环冷却至40℃以下开模，得到成品假肢部件。

2、一种假肢部件弯曲外型的调整方法，包括：将本实施例制备的成品假肢部件置于外型调整模具中，在150℃、13MPa的条件下热软化3h，将模具冷却到40℃以下后开模即可。

实施例3

1、如图1所示，一种利用混杂热塑纤维热熔碳纤维制备假肢部件的方法，包括如下步骤：

(1)将T800高强度碳纤维与M60高模量碳纤维采用3:1比例进行纱线混合，用三维七向编织类型制备成三维立体织物预制体，厚度为4mm，采用以丙酮为溶剂的、固含量在40％的聚醚醚酮热塑性树脂乳液浸渍上述预制体织物2小时，浸渍过程中超声振荡处理(频率300Khz)，然后将浸渍后的预制体织物在真空烘箱中于在70℃干燥4小时，得到预制品；

(2)将步骤(1)中的预制品置于半管状小腿假肢模具中，在12MPa压力下加热到340℃进行熔融定型，得到假肢半成品，半成品经过水循环冷却至40℃以下开模，即可得到树脂含量在40％的假肢半成品；

(3)将步骤(2)中的半成品根据使用者腿部外型要求进行半成品机械切割，然后置于假肢成型模具中在20MPa压力下经过170℃加热软化0.5h，将模具用水循环冷却至40℃以下开模，得到成品假肢部件。

2、一种假肢部件弯曲外型的调整方法，包括：将本实施例制备的成品假肢部件置于外型调整模具中，在165℃、20MPa的条件下热软化2h，将模具冷却到40℃以下后开模即可。

实施例4

1、如图1所示，一种利用混杂热塑纤维热熔碳纤维制备假肢部件的方法，包括如下步骤：

(1)将T1000高强度碳纤维与M55高模量碳纤维采用4:1比例进行纱线混合，用三维七向编织类型制备成三维立体织物预制体，厚度为4mm，采用以水为溶剂的、固含量在44％的聚苯硫醚热塑性树脂乳液浸渍上述预制体织物2小时，浸渍过程中超声振荡处理(频率200Khz)，然后将浸渍后的预制体织物在真空烘箱中于在43℃干燥4小时，得到预制品；

(2)将步骤(1)中的预制品置于半管状小腿假肢模具中，在20MPa压力下加热到280℃进行熔融定型，得到假肢半成品，半成品经过水循环冷却至40℃以下开模，即可得到树脂含量在44％的假肢半成品；

(3)将步骤(2)中的半成品根据使用者腿部外型要求进行半成品机械切割，然后置于假肢成型模具中在16.5MPa压力下经过271℃加热软化1h，将模具用水循环冷却至40℃以下开模，得到成品假肢部件。

2、一种假肢部件弯曲外型的调整方法，包括：将本实施例制备的成品假肢部件置于外型调整模具中，在268℃、13MPa的条件下热软化4h，将模具冷却到40℃以下后开模即可。

实施例5

1、如图1所示，一种利用混杂热塑纤维热熔碳纤维制备假肢部件的方法，包括如下步骤：

(1)将T1000高强度碳纤维与M60J高模量碳纤维采用5:1比例进行纱线混合，用三维四向编织类型制备成三维立体织物预制体，厚度为6mm，采用以水为溶剂的、固含量在60％的聚酰亚胺热塑性树脂乳液浸渍上述预制体织物4小时，浸渍过程中超声振荡处理(频率300Khz)，然后将浸渍后的预制体织物在真空烘箱中于在60℃干燥3小时，得到预制品；

(2)将步骤(1)中的预制品置于半管状小腿假肢模具中，在8MPa压力下加热到200℃进行熔融定型，得到假肢半成品，半成品经过水循环冷却至40℃以下开模，即可得到树脂含量在60％的假肢半成品；

(3)将步骤(2)中的半成品根据使用者腿部外型要求进行半成品机械切割，然后置于假肢成型模具中在12MPa压力下经过275℃加热软化1h，将模具用水循环冷却至40℃以下开模，得到成品假肢部件。

2、一种假肢部件弯曲外型的调整方法，包括：将本实施例制备的成品假肢部件置于外型调整模具中，在240℃、10MPa的条件下热软化4h，将模具冷却到40℃以下后开模即可。

实施例6

1、如图1所示，一种利用混杂热塑纤维热熔碳纤维制备假肢部件的方法，包括如下步骤：

(1)将T1000高强度碳纤维与M55J高模量碳纤维采用3:1比例进行纱线混合，用三维四向编织类型制备成三维立体织物预制体，厚度为6mm，采用以丙酮为溶剂的、固含量在50％的聚氨酯热塑性树脂乳液浸渍上述预制体织物4小时，浸渍过程中超声振荡处理(频率150Khz)，然后将浸渍后的预制体织物在真空烘箱中于在50℃干燥4小时，得到预制品；

(2)将步骤(1)中的预制品置于半管状小腿假肢模具中，在18MPa压力下加热到300℃进行熔融定型，得到假肢半成品，半成品经过水循环冷却至40℃以下开模，即可得到树脂含量在50％的假肢半成品；

(3)将步骤(2)中的半成品根据使用者腿部外型要求进行半成品机械切割，然后置于假肢成型模具中在18MPa压力下经过240℃加热软化1h，将模具用水循环冷却至40℃以下开模，得到成品假肢部件。

2、一种假肢部件弯曲外型的调整方法，包括：将本实施例制备的成品假肢部件置于外型调整模具中，在270℃、10MPa的条件下热软化2h，将模具冷却到40℃以下后开模即可。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混杂热塑纤维热熔碳纤维假肢复合材料，其特征在于：所述复合材料由碳纤维进行混合编织后，采用热塑性树脂混合液浸渍、干燥固化而成，所述碳纤维由高强度碳纤维和高模量碳纤维进行混合编织而成。

2.如权利要求1所述的假肢复合材料，其特征在于：所述碳纤维选用T300、T700、T800或T1000中的任意一种；适时高模量碳纤维选用M40、M40J、M55、M55J、M60或M60J中的任意一种；

优选的，所述热塑性树脂为乳液类型，其中，热塑性树脂选用聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚酰胺或聚酰亚胺等中的任意一种；所述热塑性树脂中，乳液的固含量控制在30-60％范围内；

优选的，所述热塑性树脂中，采用的溶剂为水或有机溶剂。

3.如权利要求1或2所述的假肢复合材料，其特征在于：所述有机溶剂包括乙醇、丙酮；优选的，所述碳纤维的编织结构类型包括三维四向、三维五向、三维六向、三维七向。

4.一种利用混杂热塑纤维热熔碳纤维制备假肢部件的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将碳纤维混合编织成预制体织物，然后采用热塑性树脂胶液对预制体织物进行浸渍、干燥后得到预成品；

(2)将步骤(1)中的预成品置于压力机模具中进行熔融定型，冷却后开模，即得假肢半成品；

(3)将步骤(2)中的半成品置于假肢成型模具中进行软化处理，冷却后开模，即得假肢部件。

5.如权利要求4所述的制备假肢部件的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述浸渍时间控制在0.5-4小时范围内；优选的，所述干燥时间控制在2-4小时内，干燥温度控制在40-70℃范围内。

6.如权利要求4所述的制备假肢部件的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述熔融定型的压力为5-20MPa；优选的，所述熔融定型的温度为150-340℃；优选的，所述冷却后开模指：冷却到40℃以下后再开模；优选的，步骤(3)中，所述热软化的温度为135-275℃，时间为0.5-2h；优选的，步骤(3)中，所述热软化的压力为10-20MPa；优选的，步骤(3)中，所述冷却后开模指：冷却到40℃以下后再开模。

7.如权利要求4-6任一项所述的制备假肢部件的方法，其特征在于：所述方法还包括在浸渍过程中采用超声振荡处理；优选的，所述超声的时间与浸渍时间相同；优选的，频率为150Khz-300Khz。

8.如权利要求5-7任一项所述的制备假肢部件的方法制备的假肢部件。

9.一种假肢部件弯曲外型的调整方法，包括：将权利要求5-7任一项所述的方法制备的假肢部件和/或如权利要求8所述的假肢部件置于外型调整模具中，在125-270℃、5-20MPa的条件下热软化2-5h，冷却到40℃以下后开模，即得。

10.如权利要求1-4任一项所述的混杂有机纤维纱线热熔碳纤维假肢复合材料和/或如权利要求5-7任一项所述的利用混杂热塑纤维热熔碳纤维假肢复合材料制备假肢部件的方法和/或如权利要求8所述的假肢部件和/或如权利要求9所述的假肢部件弯曲外型的调整方法在医学康复领域中的应用。