一种用于立体定向头架的聚醚醚酮复合材料及其制备方法.pdf

本发明公开了一种用于立体定向头架的聚醚醚酮复合材料及其制备方法，包括重量百分比为35～52％的无机填料，3～5％的改性剂，25～35％的基体树脂，20％～25％的增强纤维，将增强纤维置于环氧丙酮溶液中浸润后进行γ射线辐照处理，随后烘干；将聚醚醚酮放置在氧、氢或氩等离子体气氛中照射30分钟后与改性剂、无机填料按上述比例进行密炼，将产品与短切碳纤维加入双螺杆挤出机进行挤出造粒；对塑粒料干燥、注射、恒温保压后即成型立体定向头架。本发明减轻了生产原材料的比重，改善其在CT/MRI工作环境中的性能。

1、  一种用于立体定向头架的聚醚醚酮复合材料，包括无机填料、改性剂、基体树脂和增强纤维，其特征在于各成分的重量百分比为：无机填料含量为35～52％，改性剂含量为3～5％，基体树脂含量为25～35％，增强纤维占20％～25％；其中无机填料由玻璃纤维、云母、超细碳酸钙按重量百分比2：1：1组成；改性剂为钛酸酯/铝酸酯或硅烷偶联剂；基体树脂为聚醚醚酮；增强纤维为短切碳纤维。

2、  一种制备权利要求1所述聚醚醚酮复合材料的方法，其特征在于包括下述步骤：
(a)将短切碳纤维置于浓度为15～35％环氧丙酮溶液中浸润24h后，对充分浸润的碳纤维在1.17～1.33meV的剂量范围内进行γ射线辐照处理，对处理后的碳纤维烘干处理；
(b)聚醚醚酮放置在氧、氢或氩等离子体气氛中照射30分钟；
(c)将聚醚醚酮、改性剂、无机填料按上述比例投入密炼机，密炼时间15～20min，密炼温度380℃，出料料温350℃，密炼好的物料为团状料，不能有未塑化的粉料或颗粒料放出，如果出现有未塑化的粉料或颗粒料，则应该清空机器内存料，重新加入新料进行本步骤；
(d)将步骤(c)的产品加入到双螺杆挤出机加料筒中，并从挤出机纤维喂料口加入短切碳纤维；
(e)保持挤出机料筒温度380～400℃，螺杆转速为15～20r/min，切刀转速调整到颗粒料长度3～4mm，进行挤出造粒；
(f)采用步骤(e)生产的塑粒料在160℃干燥2小时后，在390℃料筒温度下注射，注射压力为140MPa，模具温度200℃，恒温保压90秒即成型立体定向头架。

一种用于立体定向头架的聚醚醚酮复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种神经外科医疗器械材料，还涉及其制备方法。
背景技术
在神经外科手术中，立体定向系统扮演着重要的角色，它对于颅内病变的诊断、定位、治疗起着重要的影响；而头架是整个立体定向系统的核心部件，它对于整个定向系统的稳定性及病人治疗的整个过程至关重要。为了满足强度、刚度、尺寸稳定性和消毒等要求，目前国内头架大部分采用金属材料。这些金属头架，在使用中，已经发现有以下弊端，急需提高和改进：
1)重量达3kg以上，患者在安装头架后，极不舒服；
2)在CT(电子计算机体层摄影，Computed Tomography)扫描中，金属材料会遮挡CT影像，造成金属伪影，对诊断造成不利影响。
而在MRI(核磁共振成像，Magnetic Resonance Image)扫描过程中，不同磁化率的材料界面附近，磁场强度会有变动，这种情况下会产生磁化率伪影。在铁磁性材料附近经常可以看到严重的磁化率伪影；另一方面在MRI扫描过程中，磁场强度和磁场方向不断发生变化，有可能使磁场中的物体产生涡流，涡流会使扫描图像产生严重的变形，致使扫描结果不准确，对诊断造成不利影响。
为了避免在CT中造成金属伪影、在MRI中造成磁化率伪影或产生涡流对扫描结果造成的不利影响，现有金属头架不能够进入MRI磁场中，临床中头架基环都是安装在患者头的下部，利用安装立柱过渡连接在头上，增加了多余连接，降低了安装精度，并且增加了头架的安装难度，降低了临床操作的简便性。
而造成以上弊端的主要原因就是：
1)金属材料比重大，致使头架重；
2)金属材料电磁性强，造成磁化率伪影和涡流伪影。
为了克服采用金属材料制作头架造成的上述弊端，也有人提出使用聚醚醚酮复合材料制作头架，但是目前普通的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料没有足够的刚度和强度来满足CT、MRI扫描当中所要求的尺寸稳定性，特别是要在反复高温消毒的条件下保证头架不变形。另外，由于碳纤维增强聚醚醚酮复合材料对磁场的影响，仍有可能产生磁化率伪影，从而降低MRI的精度。
发明内容
为了克服现有技术刚度和强度不足、仍可能产生磁化率伪影的不足，本发明提供一种用于立体定向头架的聚醚醚酮复合材料，减轻了生产原材料的比重，对导电性能、磁化率进行了改性，有效减小形变。
本发明还提供涉及该种复合材料的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括无机填料、改性剂、基体树脂和增强纤维，其各成分的重量百分比为：无机填料含量为35～52％，改性剂含量为3～5％，基体树脂含量为25～35％，增强纤维占20％～25％；其中无机填料由玻璃纤维、云母、超细碳酸钙按重量百分比2：1：1组成；改性剂为钛酸酯/铝酸酯或硅烷偶联剂；基体树脂为聚醚醚酮；增强纤维为短切碳纤维。该复合材料不仅能提高头架刚度，而且能降低成本，是一种非常有前途的复合材料。
材料制备步骤如下：
1)将短切碳纤维置于浓度为15～35％环氧丙酮溶液中浸润24h后，对充分浸润的碳纤维在1.17～1.33meV的剂量范围内进行γ射线辐照处理，对处理后的碳纤维烘干处理；
2)聚醚醚酮放置在氧、氢或氩等离子体气氛中照射30分钟；
3)将聚醚醚酮、改性剂、无机填料按上述比例投入密炼机，密炼时间15～20min，密炼温度380℃，出料料温350℃，密炼好的物料为团状料，不能有未塑化的粉料或颗粒料放出，如果出现有未塑化的粉料或颗粒料，则应该清空机器内存料，重新加入新料进行本步骤；
4)将第3步的产品加入到双螺杆挤出机加料筒中，并从挤出机纤维喂料口加入短切碳纤维；
5)保持挤出机料筒温度380～400℃，螺杆转速为15～20r/min，切刀转速调整到颗粒料长度3～4mm，进行挤出造粒；
6)采用第5步生产的塑粒料在160℃干燥2小时后，在390℃料筒温度下注射，注射压力为140MPa，模具温度200℃，恒温保压90秒即成型立体定向头架。
本发明的有益效果是：由于采用本发明合理的选择基体和增强物的种类，减轻了生产原材料的比重，并且通过填料对导电性能、磁化率进行改性，改善其在CT/MRI工作环境中的性能，临床实验表明：
采用γ射线改性碳纤维、离子体改性聚醚醚酮，通过加入改性剂，很好地提高它们表面的极性和亲水性，提高了各种成分的界面结合强度，提高了复合材料的强度。
添加无机填料起到承载、减小变形的作用，并且由于磁化率的调整使头架在MRI环境中完全消除对磁场的影响从而不会产生磁化率伪影，从而获得更清晰的扫描图像，大大增强的诊断的准确性，而且制备工艺比较简单、成本较低。
下面结合实施例对本发明进一步说明。
具体实施方式
实施实例1：
一种用于立体定向头架的聚醚醚酮复合材料，包括无机填料含量为1.2kg，改性剂含量为0.16kg，基体树脂含量为0.8kg，增强纤维含量为0.25kg；无机填料由玻璃纤维、云母、超细碳酸钙按重量百分比2：1：1组成，改性剂为钛酸酯；基体树脂为聚醚醚酮；增强纤维为短切碳纤维；将碳纤维置于环氧丙酮溶液中浸润24h，后对充分浸润的碳纤维在1.20meV的剂量进行γ射线辐照处理，对处理后的碳纤维烘干处理，采用氧离子体处理聚醚醚酮30分钟左右，将聚醚醚酮、钛酸酯、无机填料投入密炼机，密炼时间15min，密炼温度380℃，出料料温350℃，将出料加入到双螺杆挤出机加料筒中，并从挤出机纤维喂料口加入短切碳纤维，保持挤出机料筒温度380℃，螺杆转速为15r/min，切刀转速调整到颗粒料长度3～4mm，进行挤出造粒；塑粒料在160℃干燥2小时，390℃料筒温度下注射，注射压力为140MPa，模具温度200℃，恒温保压90秒即成型立体定向头架。
实施实例2：
一种用于立体定向头架的聚醚醚酮复合材料，包括无机填料含量为2kg，改性剂含量为0.16kg，基体树脂含量为1.25kg，增强纤维含量为0.25kg；无机填料由玻璃纤维、云母、超细碳酸钙按重量百分比2：1：1组成，改性剂为硅烷偶联剂；基体树脂为聚醚醚酮；增强纤维为短切碳纤维；将碳纤维置于环氧丙酮溶液中浸润24h，后对充分浸润的碳纤维在1.20meV的剂量进行γ射线辐照处理，对处理后的碳纤维烘干处理，采用氧离子体处理聚醚醚酮30分钟左右，将聚醚醚酮、硅烷偶联剂、无机填料投入密炼机，密炼时间20min，密炼温度380℃，出料料温350℃，将出料加入到双螺杆挤出机加料筒中，并从挤出机纤维喂料口加入短切碳纤维，保持挤出机料筒温度380℃，螺杆转速为20r/min，切刀转速调整到颗粒料长度3～4mm，进行挤出造粒；塑粒料在160℃干燥2小时，390℃料筒温度下注射，注射压力为140MPa，模具温度200℃，恒温保压90秒即成型立体定向头架。