PEEK的注塑成型工藝及其性能研究

蘭允祥

（上海新世紀(jì)齒科材料有限公司，上海 201816）

聚醚醚酮（polyether ether ketone，簡稱PEEK）是一種力學(xué)強(qiáng)度高、耐磨損、抗腐蝕、可透X線、密度小，且具有良好的生物相容性和潛在抑菌性的特種高分子材料[1]。近年來，在口腔修復(fù)領(lǐng)域，PEEK備受青睞，如可以用于制備牙種植體[2-4]、 固定式口腔修復(fù)體（FDP）[5-6]以及活動式修復(fù)體（RDP）[7-10]。經(jīng)過臨床測試，PEEK材料具有良好的生物相容性[11-12]。

在牙科領(lǐng)域，PEEK主要通過CAD/CAM數(shù)字化加工[8-10]、3D打印以及注塑成型等方式，目前較為常用的成型方法為CAD/CAM，該加工方法損耗較大，同時加工過程可能產(chǎn)生較多的粉塵。而由于PEEK的熔點較高，對3D打印機(jī)噴嘴等部件的耐溫等性能要求較高。市場對注塑法制備PEEK的工件研究較少。莊靖東等[13]通過不同溫度和應(yīng)變率下的單軸拉伸實驗所獲得的實驗數(shù)據(jù)，建立了 PEEK 材料的 Johnson-Cook 模型，為研究PEEK 材料的熱成型模擬提供了一種新的思路。

張甲敏等[14]通過注塑方法制備了帶有嵌件活門制件。注塑過程主要控制參數(shù)：注塑前處理，將材料在150～160℃烘干處理 6～8h；采用嵌件背面中心進(jìn)料的方式設(shè)計模具；通過 150℃ 熱處理 3～4h消除應(yīng)力；筒溫度為 360～400℃，模具溫度控制在 175℃左右，注射壓力為 9.5MPa，保壓壓力為 7.5MPa，背壓為 0.5～1.5MPa。該條件下，成型工藝順暢，制品表面光滑，有光澤。

PEEK材料可以通過目前技工所或口腔修復(fù)加工中心普遍使用的注塑設(shè)備，將顆粒狀或粉體的PEEK注塑制備牙科修復(fù)體的研究極少。本實驗使用兩種口腔修復(fù)加工中心較為常用的注塑設(shè)備，研究市場上使用較為普遍的PEEK顆粒產(chǎn)品的注塑條件，按照義齒基托材料國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 20795.1：2013[15]規(guī)定的方法，測試兩種顆粒產(chǎn)品注塑制備修復(fù)體的力學(xué)性能，并且，將上述性能和牙科修復(fù)體的主要技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)（義齒基托樹脂材料標(biāo)準(zhǔn)ISO 20795.1：2013和外科植入用PEEK材料ASTM F 2026—17[16]）進(jìn)行對比，初步確定選用的兩個型號的原料顆粒物，是否可以用于口腔修復(fù)領(lǐng)域，為PEEK在口腔材料的應(yīng)用作為參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

PEEK樹脂粒狀物（威格斯90G、長春吉大085G）

1.2 主要實驗設(shè)備和器具

注塑機(jī)（長沙奧倫公司，型號：YX-IVA）。

鋁管若干，模具四個，分別是注塑條件驗證確認(rèn)模型、撓曲強(qiáng)度模具，沖擊強(qiáng)度模具以及撓曲韌性模具。

萬能實驗機(jī)（型號：AGS-J 10KN）。

顯微鏡（OLYMPUS，型號為：SZX10）

簡支梁沖擊實驗機(jī)（型號：MZ-2050）

水浴鍋，內(nèi)六角扳手，烘箱，游標(biāo)卡尺等實驗室用品等。

1.3 實驗過程

1.3.1 注塑條件的確認(rèn)

本次實驗使用兩種不同的注塑方法進(jìn)行注塑，首先，通過注塑具有梯度厚度的樣品（主要是樣品的尺寸），具體如圖1所示。

根據(jù)注塑的樣品的基本要求，注塑制備樣品的長度應(yīng)不低于5cm，同時溫度越低越可以節(jié)省加熱能源物質(zhì)，從而確定注塑的最佳條件。

1.3.2 撓曲強(qiáng)度與撓曲模量測試

注塑制樣條件如表3所示。根據(jù)ISO20795.1—2013標(biāo)準(zhǔn)中撓曲強(qiáng)度與模量的試樣條的尺寸要求（長：64mm±2mm，寬：10.0mm±0.2mm，高：3.3mm±0.2mm），對各試樣的長寬高進(jìn)行修整，并記錄相應(yīng)的尺寸，每種型號的材料制樣5～6個，然后放入37℃±1℃的恒溫水浴鍋內(nèi)，2d±2h，接著在23℃±3℃水浴鍋內(nèi)60min±15min，最后取出測量。

1.3.3 耐沖擊強(qiáng)度測試

注塑條件如表3所示，并根據(jù)ISO20795.1—2013的尺寸要求（長、寬、高分別為：50mm±2mm、4.8mm±0.2mm、4mm±0.2mm）進(jìn)行修整各尺寸，每種型號的材料制樣6個。然后放入37℃±1℃的恒溫水浴鍋內(nèi)7d±2h，接著在23℃±3℃水浴鍋內(nèi)60min±15min，最后取出測量。

1.3.4 撓曲韌性測試

注塑條件如表3所示，并根據(jù)ISO20795.1—2013的尺寸要求（長、寬、高分別為：39mm±2mm、8mm±0.2mm、3mm± 0.2mm）進(jìn)行修整各尺寸，每種型號的材料制樣6個。將制備好的試樣條，用美工刀在預(yù)制樣缺口的底部，做一切口，尺寸為 0.1mm～0.4mm。然后放入37℃±1℃的恒溫水浴鍋內(nèi)7d±2h，接著在23℃±3℃水浴鍋內(nèi)60min±15min，最后取出測量。

計算公式與結(jié)果表述

尺 寸：寬ht=（8.0±0.2）mm；高bt=（4.0±0.2）mm；預(yù)制缺口a′=（3.0±0.2）mm；缺口長度a（比a′長0.1～0.4mm）；跨距l(xiāng)t=（32.0±0.1）mm。

計算最大應(yīng)力強(qiáng)度因子Kmax：

2 結(jié)果與討論

2.1 注塑條件的確定

根據(jù)1.3.1的注塑條件確定方法，測試使用YX-IVA型氣動注塑機(jī)制備的樣品尺寸統(tǒng)計結(jié)果，見表1～表2。

表1 長春吉大085GPEEK注塑樣品長度測試結(jié)果

表2 威格斯90G注塑樣品長度測試結(jié)果

由表1和表2可知，能夠滿足長度達(dá)到5cm，085G的最佳注塑溫度為365℃，而90G的最佳注塑溫度為360℃，因此，可以確定注塑參數(shù)，具體如表3所示：

表3 YX-IVA注塑條件

2.2 撓曲強(qiáng)度與撓曲模量

測試樣品的撓曲強(qiáng)度與撓曲模量如表4所示。

表4 試樣撓曲性能測試數(shù)據(jù)

由表4可知，085G試樣與90G試樣在撓曲性能方面較為接近，區(qū)別為前者的撓曲強(qiáng)度與撓曲模量均小于后者。這與90G的分子量分布比085G較為集中有關(guān)。兩家產(chǎn)品撓曲性能均達(dá)到了ISO 20795.1—2013和ASTM F 2026—17標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

2.3 耐沖擊強(qiáng)度

J0為擺式?jīng)_擊實驗機(jī)歸零，且擺錘不帶樣品擺起來的值。記錄能量值J0，給出系統(tǒng)摩擦力的一個指示。在本氣動注塑樣品的測試中J0為定值0.02J。測試樣品的耐沖擊強(qiáng)度如表5所示。

表5 試樣耐沖擊性能測試數(shù)據(jù)

由表5可知，兩種產(chǎn)品的注塑件耐沖擊強(qiáng)度均達(dá)到了ISO 20795.1-2013和ASTM F 2026-17標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。長春吉大085G的耐沖擊強(qiáng)度都比相應(yīng)溫度下的威格斯90G的要大?？赡苁且驗?85G產(chǎn)品中含有較少的填料，而90G產(chǎn)品中含有較多的無機(jī)填料所致。

2.4 撓曲韌性性能

本實驗測出的試樣撓曲韌性性能如表6所示。

表6 試樣撓曲韌性性能測試數(shù)據(jù)

由表6可知，兩種產(chǎn)品的注塑件耐沖擊強(qiáng)度均達(dá)到了ISO 20795.1—2013標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。兩種型號的PEEK產(chǎn)品的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子相差不大，其中085G數(shù)值稍大。

3 結(jié)論

選用的兩種注塑顆粒原料，在合適的注塑條件下，制備注塑件的撓曲性能，耐沖擊性能以及撓曲韌性等性能，均符合義齒基托和外科植入PEEK的國際標(biāo)準(zhǔn)。從顏色上而言，兩種樣品的顏色都不理想，需要改進(jìn)，兩者之間比較，90G的顏色較淺，改色較方便。

綜上所述，兩公司的產(chǎn)品顆粒可以用注塑的方法制備牙科修復(fù)體。