一种超高分子量聚乙烯板材及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于高分子材料技术领域，具体涉及一种超高分子量聚乙烯板材及其制备方法和应用。本发明专利技术提供了一种超高分子量聚乙烯板材制备方法，包括以下步骤：将抗氧剂和超高分子量聚乙烯混合，得到抗氧剂含量不同的多种混合粉料；将所述多种混合粉料按照抗氧剂含量层叠后依次进行模压成型、辐照交联和退火处理，得到所述超高分子量聚乙烯板材；所述层叠后层材料以中心层为中心对称排列；所述层叠后各层材料中抗氧剂的含量以中心层为基准向外递增。本发明专利技术将不同抗氧剂浓度的混合粉料按照抗氧剂浓度由内往外递增的方式进行层叠，保证辐照过程中不同样品深度的抗氧化剂含量和辐照剂量的比例保持恒定，得到交联密度均匀的超高分子量聚乙烯板材。

【技术实现步骤摘要】
一种超高分子量聚乙烯板材及其制备方法和应用
本专利技术属于高分子材料
，具体涉及一种超高分子量聚乙烯板材及其制备方法和应用。
技术介绍
超高分子量聚乙烯(分子量100万以上的聚乙烯)由于其优异的综合性能，具有其它工程塑料无可比拟的耐磨性、耐腐蚀性、抗冲击性和自润滑性，是一种新型热塑性工程塑料，被广泛用于人工关节置换。但是超高分子量聚乙烯人工关节在体内长期服役过程中，与其搭配材料摩擦产生磨屑被巨噬细胞吞噬后不能被吸收降解，导致巨噬细胞死亡，同时会产生磨损、动作性骨溶解，无菌性松动、炎症等，常常需进行二次手术或多次翻修置换手术。为了解决上述问题，研究开发出了用硅烷化学交联的超高分子量聚乙烯，但是其产量极低且临床磨损率极高(KurtzS.UHMWPEBiomaterialsHandbook[J].2009,33-43)，随后出现的高能电子束和γ射线辐照交联的方法改善了交联超高分子量聚乙烯的耐磨性。但是辐照交联时存在射线穿透力问题，辐照剂量在厚板材中的分布不均匀，总体趋势是外层剂量大，内层剂量小。实验发现，10MeV直线电子加速器对超高分子量聚乙烯的穿透深度低于50mm，板材内外层辐照剂量悬殊。辐照剂量的差异，直接导致交联密度分布不均匀。交联密度及其分布与超高分子量聚乙烯板材的晶区与非晶区的分布以及交联超高分子量聚乙烯板材制品的强度、韧性磨损性密切相关。虽然辐照交联通过提高其交联度大大提高了耐磨性，但其在交联形成的过程中残留的自由基可与溶解氧发生连锁氧化反应，形成不稳定的过氧化物，过氧化物的降解通过断链和重结晶使聚合物脆化，导致聚合物性能下降，最终表现为交联超高分子量聚乙烯材料出现氧化碎裂、分层等问题。为解决上述问题，在超高分子量聚乙烯板材中添加生物相容性的抗氧化剂(如维生素E)来消除残留自由基，改善超高分子量聚乙烯人工关节的氧化稳定性。传统抗氧化剂的添加方式主要分为两大类，一类是在辐照前将抗氧化剂混入超高分子量聚乙烯粉料中，形成预制品，例如公开号为EP2291417B1和CN102089333A的专利公开的方案。然而研究表明辐照交联之前添加抗氧剂将抑制交联，超高分子量聚乙烯中抗氧剂含量较高时(如维生素E浓度高于0.1wt％)，抗氧剂会与聚烯烃中辐照产生的自由基反应，从而阻碍聚合物中自由基之间的交联反应；抗氧剂不仅抑制了交联反应，也加速了超高分子量聚乙烯分子链的断裂，降低了分子量，不利于提高交联程度，影响耐磨损性能和综合力学性能；当维生素E的含量过低(如维生素E的含量低于0.01wt％时)，维生素E受到高能射线的辐射，会丧失抗氧化活性，失去抗氧化作用。另一添加抗氧剂的方式是将辐照交联后的超高分子量聚乙烯浸入抗氧剂中，在120℃左右使抗氧剂扩散到超高分子量聚乙烯板材表面。将板材取出后继续保持120℃一段时间使抗氧剂向内部扩散。也可将超高分子量聚乙烯假体毛坯辐照交联后浸入抗氧剂溶液中，取出后进一步热处理使抗氧剂向内部扩散。然而采用辐照-浸泡-扩散的方法，抗氧剂扩散困难，主要分布在表层，内部抗氧剂的含量微乎其微，内外浓度不均一。而且热处理过程耗时长，长时间热处理也导致材料性能下降。而内部过低的抗氧剂含量起不到消除自由基的作用，不能有效消除辐照过程中产生的自由基以及发挥后续使用过程中的抗氧化作用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种超高分子量聚乙烯板材及其制备方法和应用，本专利技术将抗氧剂浓度由内到外递增设置，以保证辐照过程中，不同样品深度的抗氧化剂含量和辐照剂量的比例保持恒定，从而获得具有均匀交联密度的超高分子量聚乙烯板材。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种超高分子量聚乙烯板材制备方法，包括以下步骤：将抗氧剂和超高分子量聚乙烯混合，得到抗氧剂含量不同的多种混合粉料；将所述多种混合粉料按照抗氧剂含量层叠后依次进行模压成型、辐照交联和退火处理，得到所述超高分子量聚乙烯板材；所述层叠后层材料以中心层为中心对称排列；所述层叠后各层材料中抗氧剂的含量以中心层为基准向外递增。优选的，所述混合粉料中抗氧剂的质量百分含量为0.01～1％中的多种。优选的，所述层叠的层数为3～9层。优选的，所述中心层中抗氧剂的质量百分含量为0.01～0.3％；所述超高分子量聚乙烯板材的表层中抗氧剂的质量百分含量为0.1～1％。优选的，所述超高分子量聚乙烯板材的厚度为30mm～100mm。优选的，所述模压成型包括：依次进行高温模压成型和低温模压成型；所述高温模压成型的温度为170～240℃，压力为1～50MPa，时间为0.5～10h；所述低温模压成型的温度为110～130℃，压力为1～50MPa，时间为0.5～72h。优选的，所述辐照交联的辐照剂量为25～150kGy，剂量率为5～50kGy/pass；所述退火处理的温度为110～130℃，保温时间为0.5～72h。优选的，所述抗氧剂包括亚磷酸酯化合物、没食子酸、儿茶素、十二烷基没食子酸、没食子酸丙酯、没食子酸月桂酯、咖啡酸、受阻胺稳定剂TH-944、维生素E、抗氧剂1076和抗氧剂1010中的一种或多种。本专利技术还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的超高分子量聚乙烯板材，所述超高分子量聚乙烯板材中最高交联密度和最低交联密度的差值为0～100mol/m3。本专利技术还提供了上述技术方案所述超高分子量聚乙烯板材在制备人工关节中的应用。本专利技术提供了一种超高分子量聚乙烯板材制备方法，包括以下步骤：将抗氧剂和超高分子量聚乙烯混合，得到抗氧剂含量不同的多种混合粉料；将所述多种混合粉料按照抗氧剂含量层叠后依次进行模压成型、辐照交联和退火处理，得到所述超高分子量聚乙烯板材；所述层叠后层材料以中心层为中心对称排列；所述层叠后各层材料中抗氧剂的含量以中心层为基准向外递增。本专利技术将抗氧剂按照一定浓度顺序和超高分子量聚乙烯混合，将不同抗氧剂浓度的混合粉料按照抗氧剂浓度由内往外递增的方式进行层叠，保证辐照过程中不同样品深度的抗氧化剂含量和辐照剂量的比例保持恒定，得到交联密度均匀的超高分子量聚乙烯板材。同时本专利技术通过分层设置抗氧剂的浓度调控抗氧剂对辐照交联抑制作用的影响，确保内外层抗氧剂有效浓度足够消除残余自由基，提高了超高分子量聚乙烯板材的拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度。本专利技术还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的超高分子量聚乙烯板材，所述超高分子量聚乙烯板材中最高交联密度和最低交联密度的差值为0～100mol/m3。本专利技术提供的超高分子量聚乙烯板材具有均匀的交联密度，从而提高了超高分子量聚乙烯板材的拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度。附图说明图1为实施例2制备得到的超高分子量聚乙烯板材的结构示意图。具体实施方式本专利技术提供了一种超高分子量聚乙烯板材制备方法，包括以下步骤：将抗氧剂和超高分子量聚乙烯混合，得到抗氧剂含量不同的多种混合粉料；将所述多种混合粉料按照抗氧剂含量层叠后依次进行模压成型、辐照交联和退火处理，得到所述超本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超高分子量聚乙烯板材制备方法，包括以下步骤：/n将抗氧剂和超高分子量聚乙烯混合，得到抗氧剂含量不同的多种混合粉料；/n将所述多种混合粉料按照抗氧剂含量层叠后依次进行模压成型、辐照交联和退火处理，得到所述超高分子量聚乙烯板材；/n所述层叠后层材料以中心层为中心对称排列；/n所述层叠后各层材料中抗氧剂的含量以中心层为基准向外递增。/n

【技术特征摘要】
1.一种超高分子量聚乙烯板材制备方法，包括以下步骤：
将抗氧剂和超高分子量聚乙烯混合，得到抗氧剂含量不同的多种混合粉料；
将所述多种混合粉料按照抗氧剂含量层叠后依次进行模压成型、辐照交联和退火处理，得到所述超高分子量聚乙烯板材；
所述层叠后层材料以中心层为中心对称排列；
所述层叠后各层材料中抗氧剂的含量以中心层为基准向外递增。


2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述混合粉料中抗氧剂的质量百分含量为0.01～1％中的多种。


3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述层叠的层数为3～9层。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述中心层中抗氧剂的质量百分含量为0.01～0.3％；所述超高分子量聚乙烯板材的表层中抗氧剂的质量百分含量为0.1～1％。


5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯板材的厚度为30mm～100mm。


6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述模压成型包...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷巍巍，吴克梦，施德安，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42