一种聚醚醚酮/石墨纳米复合材料、其制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供了一种聚醚醚酮/石墨纳米复合材料、其制备方法及其应用。该复合材料包括聚醚醚酮主体和分散在聚醚醚酮主体中的纳米石墨微片，复合材料中纳米石墨微片的含量为0.1～2wt％，纳米石墨微片的厚度为1～100nm，纳米石墨微片为膨胀石墨的剥离微片结构。将纳米石墨微片与聚醚醚酮进行复合制备的聚醚醚酮/石墨纳米复合材料，不仅可以提高聚醚醚酮材料的力学性能，而且可以较大程度降低摩擦系数。将其应用至人工关节假体中时，作为摩擦副材料的一部分或全部，可明显提高人工关节面的抗磨损性能。同时，将纳米石墨微片的厚度和含量控制在上述范围内，有利于其在聚醚醚酮中均匀分散，进而进一步提高复合材料的耐磨性。

A polyether ether ketone / Graphite Nanocomposite, its preparation method and its application

The invention provides a polyether ether ketone / graphite nano composite material, a preparation method and application of the nanocomposite. The composite material comprises a main body and dispersed in the peek peek in the body of graphite nanosheets, the composite content of graphite nanosheets was 0.1 ~ 2wt%, nano graphite sheet thickness is 1 ~ 100nm, graphite nanosheets for stripping graphite micro sheet structure. The polyether ether ketone / Graphite Nanocomposites Prepared by the combination of nano graphite chip and peek can not only improve the mechanical properties of PEEK materials, but also greatly reduce the friction coefficient. When applied to artificial joint prosthesis, as a part or all of the friction materials, the anti wear performance of the artificial joint can be obviously improved. At the same time, the thickness and content of nanoscale graphite chip can be controlled in the above range, which is conducive to its uniform dispersion in peek and further improve its wear resistance.

【技术实现步骤摘要】
一种聚醚醚酮/石墨纳米复合材料、其制备方法及其应用
本专利技术涉及人工关节假体材料领域，具体而言，涉及一种聚醚醚酮/石墨纳米复合材料、其制备方法及其应用。
技术介绍
自上世纪60年代人工关节置换术获得成功以来，人工关节的应用大量普及，尤其是人工髋、膝关节为无数病人解决了运动难题。目前，人工关节置换术已被认为是终末期关节疾病有效的治疗手段。它不仅能够解除疼痛，改善关节活动度和恢复关节功能，更重要的是提高了患者生活质量。虽然人工关节的设计制造和临床置换手术水平有了大幅度的提高，但在使用中失效的案例依然不断发生。人工关节的失效主要表现形式为感染、脱位、松动、断裂、磨损等类型。感染和脱位多发生在近期，磨损和骨溶解多发生于远期。金属与超高分子量聚乙烯配对的人工关节是目前最常用的组合，但聚乙烯与金属磨损颗粒导致的骨溶解是远期失败的最主要因素之一。为此，学者们不断探索新的组合，包括：高交联高分子量聚乙烯的应用、金属对金属组合、陶瓷对陶瓷组合、陶瓷对聚乙烯组合等，这些新组合在体外具有优良的摩擦和润滑性能，但也存在各自缺点，且远期疗效尚待观察。金属—金属界面，相比金属对聚乙烯界面其摩擦系数大大降低，骨溶解率也随之降低。但是，金属假体磨损将释放金属离子和颗粒，潜在的金属离子致癌可能、金属过敏和肾毒性等问题均有待进一步解决，尤其是金属过敏可能与假体失败密切相关。陶瓷—陶瓷界面，是目前已知的最低摩擦关节组合。陶瓷具有极高的表面硬度有利于表面抛光，产生更小的表面粗糙度，可减少摩擦。但陶瓷对陶瓷关节也存在着一定的缺点，如陶瓷头及臼杯的碎裂、术后异响等。因此开发新的关节置换材料对延长人工关节使用寿命、提高患者生活品质具有重要意义。聚醚醚酮是一种具有良好生物相容性的新型生物医用材料，目前已在整形外科、脊柱骨钉等领域得到应用。聚醚醚酮具有刚性和柔性，特别是对交变应力下的抗疲劳性非常突出，可与合金材料相媲美。同时，其弹性模量与人体骨骼弹性模量接近，避免了金属材料弹性模量过大造成的应力遮挡问题。虽然聚醚醚酮已具有较好的滑动特性，但作为关节摩擦副，其耐磨损性能仍有待提高。目前常用碳纤维对聚醚醚酮进行纤维增强处理，但是由于聚醚醚酮表面呈非极性，其生物活性差、耐磨性差严重限制了在人工植入物材料中的应用。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种聚醚醚酮/石墨纳米复合材料、其制备方法及其应用，以解决现有技术中聚醚醚酮类的人工关节假体耐磨性差的问题。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种聚醚醚酮/石墨纳米复合材料，包括聚醚醚酮主体和分散在聚醚醚酮主体中的纳米石墨微片，复合材料中纳米石墨微片的含量为0.1～2wt％，纳米石墨微片的厚度为1～100nm，纳米石墨微片为膨胀石墨的剥离微片结构。进一步地，上述复合材料中纳米石墨微片的含量为0.1～2wt％。根据本专利技术的另一方面，提供了一种聚醚醚酮/石墨纳米复合材料的制备方法，该制备方法包括：步骤S1，以膨胀石墨为石墨原料制备纳米石墨微片溶液，纳米石墨微片厚度为1～100nm；步骤S2，将纳米石墨微片溶液和对苯二酚混合后去除纳米石墨微片溶液中的液态物质，得到预插层原料；步骤S3，在乳化搅拌条件下，将预插层原料与4,4’-二氟二苯甲酮、溶剂混合，形成第一反应体系；步骤S4，将第一反应体系升温至150～180℃后向反应体系中加入碱金属碳酸盐形成第二反应体系；以及步骤S5，使第二反应体系在200～325℃之间进行反应，得到聚醚醚酮/石墨纳米复合材料，其中，纳米石墨微片的用量为对苯二酚、4,4’-二氟二苯甲酮和纳米石墨微片的总质量的0.1～2wt％。进一步地，上述步骤S1包括：将膨胀石墨放入酒精中后，超声处理酒精4～8h，得到纳米石墨微片溶液，优选酒精中乙醇含量为60％～80％。进一步地，上述步骤S2包括：在惰性气体或氮气气氛中，将纳米石墨微片溶液和对苯二酚在超声条件下混合6～10h，得到对苯二酚/纳米石墨微片预插层溶液；在压力小于133Pa的真空条件下对对苯二酚/纳米石墨微片预插层溶液干燥4～12h，得到预插层原料。进一步地，上述步骤S3包括：将预插层原料与4,4’-二氟二苯甲酮、溶剂加入到带有乳化搅拌混合器中，向混合器中通入惰性气体或氮气并开启乳化搅拌功能以1000～3000r/min的速度搅拌10～30min，得到第一反应体系，其中优选对苯二酚和4,4’-二氟二苯甲酮的摩尔比为1:1～1:1.1，优选溶剂为二苯砜，进一步优选二苯砜和4,4’-二氟二苯甲酮的体积比为2:1～3:1。进一步地，上述碱金属碳酸盐为碳酸钾和/或碳酸钠，碱金属碳酸盐与对苯二酚的摩尔比为1.5:1～2.5:1。进一步地，上述步骤S5包括：使第二反应体系升温至第一温度并保温2～5h后，得到第三反应体系，第一温度为200～240℃；使第三反应体系升温至第二温度并保温10～30min后，得到第四反应体系，第二温度为250～270℃；使第四反应体系升温至第三温度并保温2～3h后得到含有聚醚醚酮/石墨纳米复合材料的产物体系，第三温度为315～325℃。进一步地，上述步骤S5还包括对产物体系进行萃取，得到聚醚醚酮/石墨纳米复合材料，优选采用丙酮对产物体系进行萃取。根据本专利技术的另一方面，提供了一种上述任一种的聚醚醚酮/石墨纳米复合材料在人工关节假体中的应用。应用本专利技术的技术方案，将纳米石墨微片与聚醚醚酮进行复合制备的聚醚醚酮/石墨纳米复合材料，不仅可以提高聚醚醚酮材料的力学性能，而且可以较大程度降低摩擦系数。将其应用至人工关节假体中时，作为摩擦副材料的一部分或全部，可明显提高人工关节面的抗磨损性能，有效降低材料的磨损，降低了因磨屑引发的不良生物反应与无菌性松动，从而延长人工关节假体的寿命。同时，将纳米石墨微片的厚度和含量控制在上述范围内，有利于其在聚醚醚酮中均匀分散，进而进一步提高复合材料的耐磨性。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专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1示出了根据本专利技术的一种优选实施例提供的聚醚醚酮/石墨纳米复合材料的制备方法流程示意图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。如本申请
技术介绍
所描述的聚醚醚酮具有较好的滑动特性，但作为关节摩擦副，其耐磨损性能仍有待提高，为了提高聚醚醚酮的耐磨性，本申请提供了一种聚醚醚酮/石墨纳米复合材料、其制备方法及其应用。在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种聚醚醚酮/石墨纳米复合材料，包括聚醚醚酮主体和分散在聚醚醚酮主体中的纳米石墨微片，复合材料中纳米石墨微片的含量为0.1～2wt％，纳米石墨微片的厚度为1～100nm，纳米石墨微片为膨胀石墨的剥离微片结构。石墨是一种层状碳材料，具有极强的耐压性、柔韧性、可塑性和自润滑性，而由膨胀石墨剥离形成的纳米石墨微片结构由于其独特的层状结构与层间作用力，使其在受到剪切作用时可以产生层间相对滑移而起到固体润滑作用。石墨的润滑作用是由于石墨层间弱的结合力使层间容易产生剪切。另外，也有理论认为，石墨的润滑性源于水分子及其他分子在石墨晶体棱面上的吸附，棱与棱、棱与基面直接发生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚醚醚酮/石墨纳米复合材料，其特征在于，包括聚醚醚酮主体和分散在所述聚醚醚酮主体中的纳米石墨微片，所述复合材料中所述纳米石墨微片的含量为0.1～2wt％，所述纳米石墨微片的厚度为1～100nm，所述纳米石墨微片为膨胀石墨的剥离微片结构。

【技术特征摘要】
1.一种聚醚醚酮/石墨纳米复合材料，其特征在于，包括聚醚醚酮主体和分散在所述聚醚醚酮主体中的纳米石墨微片，所述复合材料中所述纳米石墨微片的含量为0.1～2wt％，所述纳米石墨微片的厚度为1～100nm，所述纳米石墨微片为膨胀石墨的剥离微片结构。2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料中所述纳米石墨微片的含量为0.1～2wt％。3.一种聚醚醚酮/石墨纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：步骤S1，以膨胀石墨为石墨原料制备纳米石墨微片溶液，所述纳米石墨微片厚度为1～100nm；步骤S2，将所述纳米石墨微片溶液和对苯二酚混合后去除所述纳米石墨微片溶液中的液态物质，得到预插层原料；步骤S3，在乳化搅拌条件下，将所述预插层原料与4,4’-二氟二苯甲酮、溶剂混合，形成第一反应体系；步骤S4，将所述第一反应体系升温至150～180℃后向所述反应体系中加入碱金属碳酸盐形成第二反应体系；以及步骤S5，使所述第二反应体系在200～325℃之间进行反应，得到聚醚醚酮/石墨纳米复合材料，其中，所述纳米石墨微片的用量为所述对苯二酚、所述4,4’-二氟二苯甲酮和所述纳米石墨微片的总质量的0.1～2wt％。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括：将所述膨胀石墨放入酒精中后，超声处理所述酒精4～8h，得到所述纳米石墨微片溶液，优选所述酒精中乙醇含量为60％～80％。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2包括：在惰性气体或氮气气氛中，将所述纳米石墨微片溶液和对苯二酚在超声条件下混合6～10h，得到对苯...

【专利技术属性】
技术研发人员：马骏，
申请(专利权)人：北京爱康宜诚医疗器材有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11