一种碳纤维-聚芳醚酮复合材料单向预浸带及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种碳纤维

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维
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聚芳醚酮复合材料单向预浸带及其制备方法


[0001]本专利技术涉及复合材料领域，特别涉及一种碳纤维
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聚芳醚酮复合材料单向预浸带及其制备方法。

技术介绍

[0002]金属材料因其高的力学强度和优秀的耐疲劳特性，通常被应用于制备骨科植入医疗器械，比如人工关节、骨钉和接骨板等。但是金属材料存在一些固有的缺点，比如：(1)弹性模量远远高于人体骨骼，容易发生应力遮挡引起的假体松动；(2)密度大，热容高，患者植入后舒适性差；(3)对于骨肿瘤患者，金属材料制备的植入器械存在较为明显的射线阻挡效应，影响放疗效果，阻碍医生诊断病情发展状况等。因此临床上迫切需求一种力学强度与钛合金接近的非金属轻量化材料。
[0003]连续碳纤维增强的聚芳醚酮材料具有钛合金接近的力学强度，接近骨骼的弯曲模量和密度，由其制备的髓内针、骨钉和接骨板已在临床上取得优异的应用效果，成为金属材料的理想替代品。碳纤维/聚芳醚酮制备的医疗器械一般通过碳纤维/聚芳醚酮单向预浸料模压或者特种挤出/注塑工艺制备得到，而考虑到骨科植入器械的长期植入和高生物安全要求，因此如何制备高性能和高生物安全性的碳纤维/聚芳醚酮预浸料成为国内外的研究热点。
[0004]由于骨植入器械需求的聚芳醚酮具有结晶性和较高的熔体粘度，而且碳纤维通常是数万根直径为5～10μm纤维原丝紧密排布成束，聚芳醚酮通常难以完全浸润碳纤维丝束，因此连续碳纤维/聚芳醚酮单向预浸料制备难度较高。
[0005]已报道的连续碳纤维/聚芳醚酮单向预浸料制备方法主要包括如下几种：(1)首先使用聚酰亚胺类高分子材料对碳纤维丝束进行上浆处理(如出版信息为Composites Science and Technology 2018，154，175～186报道的方法)，利用聚酰亚胺与聚芳醚酮的相容性解决碳纤维/聚芳醚酮的界面浸润问题。但是聚酰亚胺类上浆剂吸水率较高、耐生理环境能力远低于聚芳醚酮，在体内长期使用容易产生碳纤维与聚合物分层的问题。(2)通过低分子量的PEKK对碳纤维进行上浆处理，再与聚芳醚酮复合；该方法的缺点是上浆剂分子量较低，析出风险大，不适合医疗使用。(3)使用磺基改性聚芳醚酮对碳纤维上浆处理，这种方法的缺点跟聚酰亚胺类似。(4)使用有机溶剂可溶的改性PEEK材料上浆，这种方法的缺点制备过程比较复杂，而且容易导致酸残留的问题。(5)使用扩展碳纤维，碳纤维纱经过扩展后，厚度可以从100～150μm降低至20μm，甚至更薄，此时粘度较高的聚芳醚酮熔体将更加容易浸润碳纤维。但是这种方法必须使用含有上浆剂的碳纤维且在上浆剂的熔点以上或者高流动性温度下进行扩展处理，而且通常上浆剂含量较高。可以想象，采用该工艺制备碳纤维/聚芳醚酮复合材料时，如果采用与聚芳醚酮相容的热塑性上浆剂，必须保证上浆剂的熔点较低、粘度较小，否则将会导致纤维扩展温度偏高，增加装备制造难度和成本，这一点通常是难以实现的；如果采用现有的环氧上浆剂，通常需要在较高的温度下(约400℃)对碳纤维进行煅烧处理，环氧上浆剂通常含有苯环，苯环结构易于碳化、残留，降低了碳纤维/聚芳
醚酮复合材料的生物相容性，这种残留还进一步导致碳纤维丝束之间产生并丝现象，从而增加了聚芳醚酮均匀渗透碳纤维的难度。
[0006]因此，如何使聚芳醚酮充分浸润碳纤维丝束，且避免产生并丝问题，并提高材料强度，面临较大的挑战。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种碳纤维
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聚芳醚酮复合材料单向预浸带及其制备方法。本专利技术的制备方法，能够避免或减少煅烧并丝现象，且能够提到复合材料的界面相互作用力，而且能够改善聚芳醚酮与碳纤维的浸润性。
[0008]本专利技术提供了一种碳纤维
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聚芳醚酮复合材料单向预浸带的制备方法，包括以下步骤：
[0009]S1、利用上浆剂对碳纤维丝束进行上浆处理，得到上浆碳纤维丝束；
[0010]所述上浆剂为聚氧乙烯衍生物的水溶液；
[0011]S2、对步骤S1所得上浆碳纤维丝束进行展宽加工，得到展宽碳纤维带；
[0012]S3、对步骤S2所得展宽碳纤维带进行去浆处理，得到去浆碳纤维扩展带；
[0013]S4、将聚芳醚酮与步骤S3所得去浆碳纤维扩展带进行熔融复合、冷却定型，得到碳纤维
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聚芳醚酮单向带；
[0014]S5、对步骤S4所得碳纤维
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聚芳醚酮单向带进行电子束辐照处理，之后进行再熔处理，然后再次冷却定型，得到碳纤维
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聚芳醚酮复合材料单向预浸带。
[0015]优选的，所述聚氧乙烯衍生物选自脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯醚和聚氧乙烯
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b
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聚氧丙烯嵌段共聚物中的一种或几种；
[0016]所述聚氧乙烯衍生物的熔点＞40℃；
[0017]所述聚氧乙烯衍生物的HLB值为：9.0＜HBL值＜20.0；
[0018]所述聚氧乙烯衍生物的灰分＜500ppm。
[0019]优选的，所述聚氧乙烯衍生物选自泊洛沙姆F
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237、硬脂酸聚氧乙烯醚10～40和硬脂醇聚氧乙烯醚10～40中的一种或几种。
[0020]优选的，所述上浆剂的质量浓度为5％～10％；
[0021]所述上浆剂的上浆量为所述碳纤维丝束质量的0.5％～3.0％。
[0022]优选的，所述步骤S2中，所述展宽加工的温度为50～120℃；
[0023]所述步骤S2中，展宽加工至展宽碳纤维带的厚度为10～50μm，
[0024]所述展宽碳纤维带的面密度为8～40g/m2。
[0025]优选的，所述碳纤维丝束的丝束数为3～24K，拉伸强度为4500～6500MPa。
[0026]优选的，所述步骤S3中，所述聚芳醚酮选自聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚醚酮、聚醚醚酮酮和聚醚酮醚酮酮中的一种或几种；
[0027]所述聚芳醚酮为结晶型聚芳醚酮，结晶率大于10％，熔融指数大于10g/min。
[0028]优选的，所述步骤S4中，所述聚芳醚酮的上胶量与去浆碳纤维扩展带的质量比为35∶65～50∶50；
[0029]所述步骤S3中，所述去浆处理为热裂解处理、水洗处理、或热裂解
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水洗复合处理；
[0030]所述热裂解处理的温度为320～450℃，时间为10～300s；
[0031]所述水洗处理的水温为70～100℃，淋洗时间为3～10min。
[0032]优选的，所述步骤S5中：
[0033]所述电子束辐照的剂量为50～100kGy；
[0034]在所述辐照处理后，于60min内进行再熔处理；
[0035]所述再熔处理的温度为360～390℃，时间为1～15min。
[0036]本专利技术还提供了一种上述技术方案中所述的制备方法制得的碳纤维
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维
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聚芳醚酮复合材料单向预浸带的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、利用上浆剂对碳纤维丝束进行上浆处理，得到上浆碳纤维丝束；所述上浆剂为聚氧乙烯衍生物的水溶液；S2、对步骤S1所得上浆碳纤维丝束进行展宽加工，得到展宽碳纤维带；S3、对步骤S2所得展宽碳纤维带进行去浆处理，得到去浆碳纤维扩展带；S4、将聚芳醚酮与步骤S3所得去浆碳纤维扩展带进行熔融复合、冷却定型，得到碳纤维
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聚芳醚酮单向带；S5、对步骤S4所得碳纤维
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聚芳醚酮单向带进行电子束辐照处理，之后进行再熔处理，然后再次冷却定型，得到碳纤维
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聚芳醚酮复合材料单向预浸带。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚氧乙烯衍生物选自脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯醚和聚氧乙烯
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b
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聚氧丙烯嵌段共聚物中的一种或几种；所述聚氧乙烯衍生物的熔点＞40℃；所述聚氧乙烯衍生物的HLB值为：9.0＜HBL值＜20.0；所述聚氧乙烯衍生物的灰分＜500ppm。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述聚氧乙烯衍生物选自泊洛沙姆F
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237、硬脂酸聚氧乙烯醚10～40和硬脂醇聚氧乙烯醚10～40中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述上浆剂的质量浓度为5％～10％；所述上浆剂的上浆量为所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨华伟，栾世方，张旭，宋幼凌，石恒冲，宋凌杰，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：