超高分子量聚乙烯材料热膨胀效应
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刘杰 苏学英 王慧娟 王东辉 李秀平 曹承彬
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[摘要]由于手术中髋臼聚乙烯内衬的松紧度经常表现出令人不可理解的变化,很明显,聚乙烯的热膨胀效应有其非常特殊的本质.本文是通过实验方法对超高分子量聚乙烯材料受热膨胀后的尺寸变化进行测量,对中国、英国、德国生产的几种常见的聚乙烯材料在
[关键词]超高分子量聚乙烯、热膨胀
[Abstract] In total hip replacement, the press-fit of the UHMWPE liner to the metal shell is sometimes unpredictable. Obviously, The properties of UHMWPE are very different from those of metal. The purpose of this study is to compare the thermal expansion ratios among three common used UHMWPE specimens, which are made in
[Key words] UHMWPE, thermal expansion
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介 绍
在进行髋关节置换的外科手术中，最常见的临床问题是髋臼内衬从外杯脱落或无法压进外杯.这个问题与聚乙烯在不同温度下的热膨胀情况有关[2.3]。已有论文证明，聚乙烯的热膨胀会影响内衬与外杯的配合情况[1].本实验对三种不同产地的聚乙烯材料在
材料与实验方法
准备常温下内径为ф
国产聚乙烯
干燥条件下的热膨胀：
将恒温箱中温度调至
水浴中的热膨胀：
将样品放入冰水混合物中,3 0分钟后取出，用卡尺对其长度、外径、内径进行测量、记录。再将恒温箱温度分别调至
实验结果
第一．在本实验条件下，聚乙烯由于吸水造成的膨胀视为零
实验结果证明,在相同的温度条件下,超高分子量聚乙烯样块在干燥和水浴两种
情况下的膨胀变化完全相同(参见表1.表2),所以在本实验条件下超高分子量聚乙烯由于吸水产生的膨胀视为零。因此在加工和检验过程中可以不考虑聚乙烯在液体中或在干燥状态下的区别.
第二 ,在相同的温度条件下三种聚乙烯的膨胀程度以中国聚乙烯的最大,德国的次之，英国的最小.通过对表1.表2的数据分析, 得出聚乙烯的热膨胀曲线，如下图
第三, 在不同的温度条件下三种聚乙烯在长度.外径.内径三个方向上各自的膨胀率也不相等,其中长度方向的膨胀率最大,内径最小.(见表3.图5).
利用公式计算得出聚乙烯的热膨胀率.
αl=（L1-L0）/L0（T1-T0）=△L/L0△T
αD=（D1-D0）/D0（T1-T0）=△D/D0△T
αd=（d1-d0）/d0（T1-T0）=△d/d0△T
第四, 同一种材料在不同的温度阶段,其膨胀率也是不一样,例如在0
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干燥 |
参数 |
中国聚乙烯 |
德国聚乙烯 |
英国聚乙烯 |
|
水浴 |
参数 |
中国聚乙烯 |
德国聚乙烯 |
英国聚乙烯 |
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|
L |
39.73 |
39.88 |
39.90 |
|
|
L |
39.73 |
39.88 |
39.90 |
|
|
D |
40.00 |
40.00 |
40.00 |
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D |
40.00 |
40.00 |
40.00 |
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|
|
d |
28.13 |
28.20 |
28.20 |
|
d |
28.13 |
28.20 |
28.20 |
|
|
|
L |
39.85 |
40.00 |
39.98 |
|
|
L |
39.85 |
40.00 |
39.98 |
|
|
D |
40.12 |
40.11 |
40.07 |
|
D |
40.12 |
40.11 |
40.07 |
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|
|
d |
28.20 |
28.26 |
28.24 |
|
d |
28.20 |
28.26 |
28.24 |
|
|
|
L |
39.99 |
40.13 |
40.08 |
|
|
L |
39.99 |
40.13 |
40.08 |
|
|
D |
40.24 |
40.21 |
40.16 |
|
D |
40.24 |
40.21 |
40.16 |
|
|
|
d |
28.27 |
28.32 |
28.29 |
|
d |
28.27 |
28.32 |
28.29 |
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条件及参数 |
中国聚乙烯膨胀率 |
德国聚乙烯膨胀率 |
英国聚乙烯膨胀率 |
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|
(0-20)℃ |
长度方向 |
1.50×10-4 |
1.50×10-4 |
1.00×10-4 |
|
外径方向 |
1.38×10-4 |
1.50×10-4 |
0.88×10-4 |
|
|
内径方向 |
1.06×10-4 |
1.24×10-4 |
0.71×10-4 |
|
|
(20-37)℃ |
长度方向 |
1.91×10-4 |
2.01×10-4 |
1.47×10-4 |
|
外径方向 |
1.46×10-4 |
1.75×10-4 |
1.32×10-4 |
|
|
内径方向 |
1.24×10-4 |
1.46×10-4 |
1.04×10-4 |
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产地 |
聚乙烯的膨胀系数 |
钛合金的膨胀系数 |
聚乙烯的热膨胀系数大于钛合金的热膨胀系数的倍数 |
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中国聚乙烯 |
2.01×10-4( |
8.53×10-6( |
24.51 |
|
德国聚乙烯 |
1.91×10-4( |
8.53×10-6( |
22.39 |
|
英国聚乙烯 |
1.47×10-4( |
8.53×10-6( |
17.23 |
由于钛合金的膨胀系数在
第六.经实验,聚乙烯材料在消除其内应力(失效处理)之后所加工出的工件在同一温度条件下其膨胀率不随时间而变化,
即时间效应为零. (如图7)。
图7：
在聚乙烯切削加工后的24小时至96小时, 聚乙烯的膨胀率不产生影响。
德国聚乙烯为例说明在同一温度(如
第七、同样,放射灭菌对聚乙烯的热膨胀效应也为零(如图8).
γ射线灭菌对聚乙烯的膨胀率不产生影响。以英国聚乙烯为例说明在同一温度(如
图8：
讨论
由于钛合金在
--环境热:加工时的温度与检验时的温度不同而产生误差;
--切削热:尽管有冷却液,刀尖进给的速度,车床的转速不同,工件的温度也不同
--电机热:造成原材料温度升高.
为了使其在
参考文献：
1.Does cooling an acetabular liner component ease insertion?
ROLANG,GP.,MCALLISTER.R.W.,LOCH,D.A.,KYLE,R.F.,BECHTOLD,J.E.
42nd Annual Meeting, Orthopaedic Reaserch Society, February
19-22,1996,
2、 Interlaboratory reproducibility of swell ratio measurements for crosslinked UHMWPE
Poster No.1025 48th Annual Meeting of Orthopedic Research Society
3.Effect of liner cooling on acetabular assembly forces
Paper No.0189 48th Annual Meeting of orthopedic Research Society
4.ASTM Standards:
E 931-00 ;D 2951-00; E228-95; D696-98; E831-00; E1363-97; D3386-00; ISO 2818; ISO 11357-2; ISO 11357-3; ISO 11358 ISO 11359-1; ISO 11359-2; ISO 11403-2; ISO11403-3
5.《中外常用金属材料手册》陕西省标准化情报研究所, 1984年4月出版