一种超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，属于高分子材料技术领域。其通过选用医药级超高分子量聚乙烯UHMWPE粉末为基础材料，并对其复合添加天然维生素?E和单层氧化石墨烯GO，制成混合粉末，将混合粉末加入模具中，通过热压成型方法制备出UHMWPE/GO?VE复合材料；随后对其进行γ?射线辐照交联处理，最终得到抗氧化超低磨损超高分子量聚乙烯复合材料。本发明制备的γ?射线辐照交联UHMWPE/GO?VE复合材料具优良的耐磨性能；而GO的二维结构和优异的力学性能与生物相容性能不仅降低了磨损，减少了磨屑数量，而且降低了由磨屑而引起的细胞不良反应程度；还具有优异的抗氧化和抗老化性能。
【专利说明】
一种超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，属于高分子材料技术领域。
【背景技术】
[0002]医用超高分子量聚乙烯(英文名称缩写:UHMWPE)是目前广泛采用的髋关节臼材料。目前，应用于临床的超高分子量聚乙烯复合材料主要是辐照交联VE/UHMWPE复合材料，然而，VE的加入降低了复合材料的交联度，从而降低了复合材料的耐磨粒磨损的性能。此外复合材料的力学性能相较于纯UHMffPE有待进一步提高，因此进一步提高其在力学与耐磨方面的性能，对医疗应用有重大的意义。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种具有优良的力学性能、抗氧化超低磨损超高分子量聚乙稀复合材料。
[0004]按照本发明提供的技术方案，一种超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，按重量份计步骤为:
(1)混合粉末的制备:将单层氧化石墨烯GO和维生素-E加入到溶剂中充分搅拌分散后经超声处理，再加入超高分子量聚乙烯UHMffPE粉末磁力搅拌分散，再次超声处理，经超声剥离得到粉末，然后进行球磨混合，形成均匀的三体混合粉末；
(2)成型:将步骤(I)所得混合粉末添加到模具中，采用平板硫化机在预压，然后在保温箱中保温，再采用平板硫化机在压模处理得到板材，冷却至室温；
(3)辐照:将步骤(3)所得的复合材料0.5-0.9MPa真空密封，然后在室温下，采用γ-射线进行辐照交联处理，辐照量为10kGy，辐照的剂量率为5kGyh—1，γ -射线原材用60Co，最终得到超高分子量聚乙稀复合材料。
[0005]所述维生素E的纯度为VE > 98%，粒径小于ΙΟΟμπι。
[0006]所述超高分子量聚乙烯UHMWPE粉末的粒径范围为4.3-200μπι。
[0007]所述超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，具体步骤如下:
(1)混合粉末的制备:将0.3-0.7份的单层氧化石墨烯GO和0.1-0.3份的维生素-E粉末加入到500份溶剂中充分搅拌分散，然后再以200-4001超声处理0.5-211;将99-99.6份的超高分子量聚乙烯粉末UHMWPE加入到上述溶液中，将混合物经磁力搅拌30-90min后再次200-400W超声剥离0.5-2h;将所得混合物置于球磨机中研磨混合2-4h;
将研磨后的混合物置于60-80 0C水浴中干燥，在60-80 °C下保温至其完全干燥;再次置于球磨机中研磨粉碎，以300_600r/min的转速粉碎2_4h;
(2)成型:将10g的步骤(I)所得混合粉末添加到模具中，采用平板硫化机在10-15MPa压力下预压10_15min，然后在保温箱中180-200°C保温2-3h，再采用平板硫化机在15-20MPa压强下压模处理15_20min得到复合材料板材，冷却至室温； (3)辐照:将步骤(3)所得的复合材料真空密封;然后在室温下，采用γ-射线进行辐照交联处理，辐照时间为9-12天，最终得到产品超高分子量聚乙烯复合材料。
[0008]步骤(I)所述溶剂为无水乙醇或丙酮。
[0009]采用γ -射线进行辐照交联处理时，辐照量为10kGy，辐照的剂量率为5kGyh—1，γ -射线原材用60Co。
[0010]本发明的有益效果:本发明选用医用超高分子量聚乙烯UHMWPE粉末为基础材料，并对其复合添加维生素Ve和氧化石墨烯，充分利用了维生素-E和氧化石墨烯的优良品质，既增加了 UHMWPE的抗氧化性和生物相容性，又增加了 UHMWPE的耐磨性等力学性能，最终得到具有优良力学性能、抗氧化超低磨损超高分子量聚乙烯复合材料;维生素-E分子结构中的氧杂蔡满端可以吸取和稳定自由基，形成苯氧基自由基;苯氧基自由基会遭受位阻，使本身稳定并保留在聚合物内，阻止氧化过程。
【具体实施方式】
[0011 ]以下对本发明作进一步详细说明。
[0012]医用超高分子量聚乙烯粉末UHMWPE，其为常规的市购产品，粒度范围为4.3-200μmD
[0013]维生素为常规的市购产品，纯度大于98%，对其进行研磨处理，粒度小于ΙΟΟμπι。
[0014]单层氧化石墨烯(GO)，是通过氧化还原反应制备出石墨烯的一种衍生物，它是在单层石墨烯二维结构上连接大量含氧官能团，如竣基、揣基、轻基等，具有较高的弹性模量、抗拉强度等力学性能;可市购或自行制备。
[0015]本发明下述实施例所涉及的单层氧化石墨烯GO的制备方法如下:
(1)在40°C温度下，向46g质量浓度为98%的浓硫酸中加入5g细鳞片石墨和0.75g高锰酸钾，连续搅拌90min后，反应产物用去离子水洗至中性，真空干燥后，在900°C下保温50秒，得到膨胀石墨其中浓硫酸的密度按1.84g/mL计算，对应25mL浓硫酸；
(2)在冰浴环境下，向盛有42.3g质量浓度为98%的浓硫酸中加入0.5g硝酸钠、0.5g膨胀石墨及1.5g高锰酸钾，在35 °C下搅拌30min，然后加热升温98°C，加入46g去离子水，搅拌15min，观察到混合物由黑色变为金黄色，用30mL溶度为30%的过氧化氢溶液中和剩余氧化剂，直至无气泡生成其中浓硫酸的密度按1.84g/mL计算，对应23mL浓硫酸；
(3)用质量浓度为5%的稀盐酸溶液和去离子水分别洗涤多次，去除上层溶液得到稳定的分散液，真空干燥后得到所述单层氧化石墨烯。
[0016]实施例1
(I)混合粉末的制备工艺:
a、将0.5份的单层氧化石墨烯和0.1份的维生素-E粉末加入到500份溶剂中充分搅拌分散，然后再以200W超声处理Ih;
b、将99.4份的UHMWPE加入到步骤a得到的溶液中，将混合物经磁力搅拌30min后再次200W超声剥离Ih;
c、将步骤b得到的混合物置于转速为400r/min球磨机中研磨混合2h;
d、将步骤c得到的混合物置于60°C水浴中干燥，在60°C下保温至其完全干燥；
e、将步骤d处理后的干燥物置于球磨机中研磨粉碎，以400r/min的转速粉碎2h; (2)成型工艺:将10g的上述混合粉末添加到模具中，采用平板硫化机在15MPa压力下预压lOmin，然后在保温箱中200°C保温2h，再采用平板硫化机在20MPa压强下压模处理15min得到板材，冷却至室温；
(3)辐照工艺:将复合材料0.9MPa真空密封然后在室温下，采用γ -射线进行辐照交联处理，辐照量为10kGy，辐照的剂量率为5kGyh—1，γ -射线原材用60Co，辐照9天，最终得到具有优良力学性能、抗氧化超低磨损超高分子量聚乙烯复合材料。
[0017]所述溶剂为无水乙醇。
[0018]实施例2
(1)混合粉末的制备工艺:
a、将0.6份的单层氧化石墨烯和0.2份的维生素-E粉末加入到500份溶剂中充分搅拌分散，然后再以400W超声处理1.5h;
b、将99.2份的UHMffPE加入到经过步骤a得到的溶液中，将混合物经磁力搅拌60min后再次300W超声剥离1.5h;
c、将步骤b得到的混合物置于转速为400r/min球磨机中研磨混合2h;
d、将步骤c得到的混合物置于70°C水浴中干燥，在70°C下保温至其完全干燥；
e、将步骤d处理后的干燥物置于球磨机中研磨粉碎，以400r/min的转速粉碎3小时；
(2)成型工艺:将10g的上述混合粉末添加到模具中，采用平板硫化机在1MPa压力下预压15min，然后在保温箱中180°C保温3h，再采用平板硫化机在15MPa压强下压模处理20min得到板材，冷却至室温；
(3)辐照工艺:将复合材料0.9MPa真空密封然后在室温下，采用γ -射线进行辐照交联处理，辐照量为10kGy，辐照的剂量率为5kGyh—1，γ -射线原材用60Co，辐照9天，最终得到具有优良力学性能、抗氧化超低磨损超高分子量聚乙烯复合材料。
[0019]所述溶剂为丙酮。
[0020]实施例3
(1)混合粉末的制备工艺:
a、将0.7份的单层氧化石墨烯和0.3份的维生素-E粉末加入到500份溶剂中充分搅拌分散，然后再以400W超声处理Ih;
b、将99份的UHMWPE加入到经过步骤a得到的溶液中，将混合物经磁力搅拌90分钟后再次400W超声剥离2h;
c、将步骤b得到的混合物置于转速为400r/min球磨机中研磨混合4h;
d、将步骤c得到的混合物置于80°C水浴中干燥，在80°C下保温至其完全干燥；
e、将步骤d处理后的干燥物置于球磨机中研磨粉碎，以600r/min的转速粉碎3小时；
(2)成型工艺:将10g的上述混合粉末添加到模具中，采用平板硫化机在13MPa压力下预压12min，然后在保温箱中190°C保温2.5h，再采用平板硫化机在ISMPa压强下压模处理18min得到板材，冷却至室温；
(3)辐照工艺:将复合材料0.9MPa真空密封然后在室温下，采用γ -射线进行辐照交联处理，辐照量为10kGy，辐照的剂量率为5kGyh—1，γ -射线原材用60Co，辐照9天，最终得到具有优良力学性能、抗氧化超低磨损超高分子量聚乙烯复合材料。
[0021]所述溶剂为无水乙醇。
【主权项】
1.一种超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其特征是按重量份计步骤为: (1)混合粉末的制备:将单层氧化石墨烯GO和维生素-E加入到溶剂中充分搅拌分散后经超声处理，再加入超高分子量聚乙烯UHMffPE粉末磁力搅拌分散，再次超声处理，经超声剥离得到粉末，然后进行球磨混合，形成均匀的三体混合粉末； (2)成型:将步骤(I)所得混合粉末添加到模具中，采用平板硫化机在预压，然后在保温箱中保温，再采用平板硫化机在压模处理得到板材，冷却至室温； (3)辐照:将步骤(3)所得的复合材料0.5-0.9MPa真空密封，然后在室温下，采用γ-射线进行辐照交联处理，辐照量为10kGy，辐照的剂量率为5kGyh—1，γ -射线原材用60Co，最终得到超高分子量聚乙稀复合材料。2.如权利要求1所述超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其特征是:所述维生素E的纯度为VE > 98%，粒径小于ΙΟΟμπι。3.如权利要求1所述超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其特征是:所述超高分子量聚乙烯UHMffPE粉末的粒径范围为4.3-200μπι。4.如权利要求1所述超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其特征是具体步骤如下: (1)混合粉末的制备:将0.3-0.7份的单层氧化石墨烯GO和0.1-0.3份的维生素-E粉末加入到500份溶剂中充分搅拌分散，然后再以200-4001超声处理0.5-211;将99-99.6份的超高分子量聚乙烯粉末UHMWPE加入到上述溶液中，将混合物经磁力搅拌30-90min后再次200-400W超声剥离0.5-2h;将所得混合物置于球磨机中研磨混合2-4h; 将研磨后的混合物置于60-80°C水浴中干燥，在60-80°C下保温至其完全干燥;再次置于球磨机中研磨粉碎，以300_600r/min的转速粉碎2_4h; (2)成型:将10g的步骤(I)所得混合粉末添加到模具中，采用平板硫化机在10-15MPa压力下预压10_15min，然后在保温箱中180-200°C保温2-3h，再采用平板硫化机在15-20MPa压强下压模处理15_20min得到复合材料板材，冷却至室温； (3)辐照:将步骤(3)所得的复合材料真空密封;然后在室温下，采用γ-射线进行辐照交联处理，辐照时间为9-12天，最终得到产品超高分子量聚乙烯复合材料。5.如权利要求2所述超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其特征是:步骤(I)所述溶剂为无水乙醇或丙酮。6.如权利要求2所述超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，其特征是:采用γ-射线进行辐照交联处理时，辐照量为10kGy，辐照的剂量率为5kGyh—1，γ -射线原材用60Co。
【文档编号】C08L23/06GK105837896SQ201610247210
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】倪自丰, 李广飞, 陈国美, 段为朋
【申请人】江南大学