不同結構聚丙烯疝修補片定型工藝及結構參數

朱小倩，蔣金華， b，陳南梁， b，沈靜雅， 汪雪喬

(東華大學a. 紡織學院；b. 產業用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620)

醫用紡織品是紡織技術領域的一個分支，其是紡織技術與生物醫學的結合，具有很高的創新性和科技含量以及應用價值。疝修補片(簡稱補片)是外科植入性醫用紡織品，其性能直接關系到術后人體疝的修復情況[1-3]。隨著人們生活水平的不斷提高，其患疝率也在逐年增長，但我國現在使用的補片大多從國外進口，且國內外對補片的研究大多數集中在臨床應用和物理性能上，對于補片的結構設計和生產工藝參數設計研究較少[4]。

熱定型是指織物在一定張力的條件下進行適當溫度和時間的熱處理，消除纖維內應力，使得織物結構、尺寸達到穩定狀態的方法[5]。熱定型對于補片的基本結構有很大的影響。熱定型可以使補片保持在一定的形狀，并對于補片厚度、面密度以及孔隙率均有很大的影響。通過調整熱定型中的工藝參數來改變補片的基本性能，從而可以使補片滿足炎癥小、生物相容性好以及防粘連效果好的要求。因此，研究熱定型對補片基本性能的影響是非常必要的。

補片按面密度可分為3類，即重量型補片(70～100 g/m2)、中量型補片(30～60 g/m2)和輕量型補片(20～30 g/m2)。重量型補片的網孔較小，容易引起補片皺縮，但強力大。中、輕量型補片的網孔大，能有效減少異體反應，更好地促進組織長入，提高修補材料的順應性，減少病患不適及疼痛感[6-7]。補片厚度對補片的性能影響很大，補片厚度越小，剛柔性越好，在體內的順應性就越好，可以減少炎癥的發生，同時減少異物感。在保證補片成形性的條件下，盡量減小補片的厚度。外植入補片置入人體后產生炎癥與否，或是否使組織纖維化，很大程度上取決于補片的孔隙率，同時補片網孔形態和大小決定了組織長入的能力[8]?？紫堵逝c補片的生物性能有很大的關系，較大的孔隙率能夠提高補片的生物相容性，同時降低疝修補中粘連的發生[9]。故補片的結構參數對于補片的力學性能、成形性、應用于體內的順應性，以及生物相容性和防粘連性都有很大的影響，研究熱定型對補片結構參數的影響是非常重要的。本文主要以3種不同結構聚丙烯補片為研究對象，采用正交試驗討論后整理熱定型中溫度、時間、外加張力對補片基本參數的影響。

1 試驗材料及測試指標

1.1 試驗材料

聚丙烯疝修補材料于1962年開始使用，是目前使用最廣泛的疝修補材料。這類補片由聚丙烯單絲在經編機上編織成網，它的抗張強度高，耐化學腐蝕，同時也能刺激纖維組織增生，具有較好的抗感染能力，裁剪不會脫散，價格低廉[10-13]。本試驗所用補片均采用直徑為0.15 mm的醫用級聚丙烯單絲編織而成，使用常州潤源經編機械有限公司生產的RS4EL型拉舍爾經編機，機號為E12。采用簡化的線圈模型估算送經量，經計算可知經緞組織的第一把梳櫛GB1送經量為2 743 mm/480橫列，第二把梳櫛GB2送經量為2 353 mm/480橫列；經平與經緞復合組織的第一把梳櫛GB1送經量為2 300 mm/480橫列，第二把梳櫛GB2送經量為2250 mm/480橫列；變化經平組織的第一把梳櫛GB1送經量為2 880 mm/480橫列，第二把梳櫛GB2送經量為2 650 mm/480橫列。牽拉密度保持一致均為10 橫列/cm，幅寬為1 m。本文研究的3種補片結構圖及墊紗數碼圖如圖1所示。

(a) 經緞

(b) 經平與經緞復合

(c) 變化經平圖1 聚丙烯補片結構圖與墊紗數碼圖Fig.1 Structure and lapping diagrams of polypropylene mesh

采用正交試驗方法對補片進行熱定型處理，正交試驗中設定溫度、時間和外加張力3個因素，每個因素設定3個水平，如表1所示。聚丙烯單絲的結晶溫度約為110 ℃，熔融溫度約為160 ℃，試驗得出，當定型溫度為150 ℃左右，聚丙烯力學性能急劇下降，因此設定熱定型溫度水平為120、130、140 ℃。當定型溫度為140 ℃和定型時間超過12 min時，聚丙烯單絲的拉伸強力小于10 N。為了保證長絲的力學性能，定型時間太短又無法使補片結構穩定，故定型時間設定為8、 10、 12 min。熱定型時纖維分子鏈會產生折疊，外加張力可阻止纖維分子鏈的折疊，纖維的力學性能會比松弛熱定型高，故適當施加外加張力，又由于施加外加張力會使網孔變大，張力過大會使得補片的網孔過大。因此，外加張力設定為無張力、小張力、大張力3個水平，其中，小張力是指補片縱向伸長率為3.23%和橫向伸長率為2.56%，大張力是指補片縱向伸長率為8.60%和橫向伸長率為6.41%。

表1 熱定型試驗方案Table 1 Heat setting experiment scheme

1.2 測試指標

1.2.1 面密度

試驗儀器為FA1004型電子天平，試樣大小為100 mm×100 mm，試驗次數為3次，然后取平均值。

1.2.2 厚度

參照GB/T 3820—1997，試驗儀器為YG141N型數字式織物厚度儀，儀器壓腳面積為2 000 mm2，壓腳直徑為50.46 mm，壓重時間為10 s，加壓重量為200 cN，壓腳下降速度為1.89 mm/s。試驗次數為10次，然后取平均值。

1.2.3 孔隙率

采用圖像處理法計算補片的孔隙率。先用體視顯微鏡對補片進行拍照，然后用Matlab軟件計算出最佳閾值，再使用Photoshop CS4圖像處理軟件對其進行灰度處理，使其呈現灰度圖像，輸入Matlab算出的最佳閾值，使圖片變成黑白二色圖，最后根據像素比例算出孔隙率。

2 結果分析與討論

2.1 厚度

3種不同組織補片分別經9種熱定型方案處理后的厚度測試結果如表2所示。由表2可知，在相同熱定型條件下不同組織補片之間厚度相差比較大，其中，變化經平組織補片的厚度最大，其次是經平與經緞復合組織補片，最小的是經緞組織補片。因為變化經平組織的延展線長，延展線越長則織物越厚實[14]。

表2 試樣厚度平均值Table 2 Average thickness value of samples mm

對表2中3種不同組織補片厚度平均值分別進行顯著性分析。利用方差分析中的F檢驗，假設：

H03組數據沒有顯著性差別；

H13組數據有顯著性差別。

M組間=S組間/V組間
M組內=S組內/V組內

檢驗統計量F=M組間/M組內=8.057 1，按V1=2，V2=24查表得F0.05(2， 24)=3.40。

由此可知，F>F0.05(2， 24)，按照顯著性水平α= 0.05檢驗，拒絕H0，接受H1，故這3組數據有顯著性差別。

不同溫度、時間、外加張力下補片厚度極差如表3所示。由表3可知，溫度對3種組織補片厚度的影響最大，其次是張力，最小是時間。

表3 試樣厚度極差表Table 3 Range of sample’s thickness mm

圖2 溫度水平、時間水平和外加張力水平下的補片厚度之和Fig.2 Sum of mesh thickness at temperature,time and external tension levels

溫度水平、時間水平、外加張力水平下的不同組織補片厚度之和如圖2所示。由圖2可知，3種組織的補片厚度隨溫度的升高而減小，隨張力的增大而減小，時間對補片厚度的影響很小。這是因為在定型過程中補片從熱能中獲得能量，按照量能最低理論可知，溫度越高則織物內部結構的應力釋放越充分，結構越容易趨近量能最低的穩定狀態，織物結構變得更加穩定，織物厚度越小。另外，張力越大，織物中聚丙烯長絲之間的接觸越緊密，特別是線圈連接處，屈曲扭轉的線圈會趨于平面化，故織物的厚度越小[15]。根據正交試驗計算出當經緞組織、經平與經緞復合組織、變化經平組織補片的定型溫度為140 ℃且外加大張力時，補片的厚度均最小，這與上述的分析結果一致。

2.2 面密度

3種不同組織補片分別經9種熱定型方案處理后的面密度測試結果如表4所示。

表4 試樣面密度平均值Table 4 Average surface density of samples g/m2

對表4中經緞組織補片、經平與經緞復合組織補片、變化經平組織補片面密度平均值分別進行顯著性分析。利用方差分析中的F檢驗，假設：

H03組數據沒有顯著性差別；

H13組數據有顯著性差。

同理可得，檢驗統計量F=M組間/M組內=15.7563，按V1=2，V2=24查表得F0.05(2，24)=3.40。

由此可知，F>F0.05(2，24)，按照顯著性水平α= 0.05檢驗，拒絕H0，接受H1，故這3組數據有顯著性差別。

不同溫度、時間、外加張力下補片的面密度極差如表5所示。由表5可知，3種因素對經緞組織補片面密度影響程度由大到小依次為外加張力、溫度、時間，對經平與經緞復合組織和變化經平組織補片面密度影響程度由大到小依次均為外加張力、時間、溫度。

表5 試樣面密度極差表Table 5 Range of sample’s surface density g/m2

溫度水平、時間水平、外加張力水平的不同組織補片面密度之和如圖3所示。由圖3可知，外加張力對3種組織補片的面密度影響均最大，且面密度隨外加張力的增大而減小。這主要是因為外加張力大時補片網孔也大，單位面積內線圈數減少，即單位面積內單絲的質量減少，故面密度減少。通過正交表計算出補片面密度最優的工藝參數為120 ℃、 10 min、大張力(經緞組織)，140 ℃、12 min、大張力(經平與經緞復合組織)，120 ℃、12 min、大張力(變化經平組織)。

圖3 溫度水平、時間水平和外加張力水平的補片面密度之和Fig.3 Sum of mesh surface density at temperature,time,external tension levels

2.3 孔隙率

3種不同組織補片分別經9種熱定型方案處理后的孔隙率測試結果如表6所示。由表6可知，3種組織補片的孔隙率絕大多數均超過50%。

表6 試樣孔隙率平均值Table 6 Average porosity value of samples %

對表6中經緞組織補片、經平與經緞復合組織補片、變化經平組織補片的孔隙率平均值分別進行顯著性分析。利用方差分析中的F檢驗，假設：

H03組數據沒有顯著性差別；

H13組數據有顯著性差別。

同理可得，檢驗統計量F=M組間/M組內=16.1542，按V1=2，V2=24查表得F0.05(2，24)=3.40。

由此可知，F>F0.05(2，24)，按照顯著性水平α= 0.05檢驗，拒絕H0，接受H1，故這3組數據有顯著性差別。

不同溫度、時間、外加張力下補片孔隙率極差如表7所示。3種因素對補片孔隙率的影響由大到小依次為外加張力、溫度、時間。

表7 試樣孔隙率極差表Table 7 Range of sample’s porosity %

溫度水平、時間水平、外加張力水平的不同組織補片孔隙率之和如圖4所示。由圖4可知，外加張力對本文的3種組織補片的孔隙率的影響均最大，除經緞組織補片外，其他兩種組織補片的孔隙率均隨著外加張力的增大而增大。這是因為外加張力越大，補片表面的擴張程度越大，補片的密度減小，線圈的孔徑變大，從而導致補片的孔隙率增大。同時孔隙率的大小還與補片的送經量和牽拉密度有關。從圖4中還可以看出，除經緞組織外，補片孔隙率隨著溫度的增大而增大。熱定型溫度越高，補片獲得的能量越大，最小能量位置則越高，織物定型后的穩定性越好[15]。在本試驗中，當溫度較低時，補片線圈產生回縮，補片的孔隙率有略微的減??；而當溫度較高時，補片定型后穩定性較好，線圈回縮小，因此孔隙率較大。由此可知，升高溫度可以使補片的孔隙率有所增大。

圖4 溫度水平、時間水平和外加張力水平的補片孔隙率之和Fig.4 Sum of mesh porosity at temperature,time,external tension levels

3 結 語

本文設計正交試驗探討熱定型工藝參數(溫度、時間和外加張力)對3種組織補片(經緞、經平與經緞復合、變化經平)基本參數(厚度、面密度和孔隙率)的影響，主要結論如下：

(1) 溫度對3種不同組織補片的厚度影響最大，補片的厚度隨著溫度和外加張力的增大而減小。外加張力對3種不同組織補片的面密度和孔隙率的影響最大，補片的面密度隨著外加張力的增大而減小，孔隙率隨著外加張力和溫度的增大而增大。

(2) 對于補片的基本參數而言，經緞組織補片的熱定型優選工藝參數為溫度140 ℃、時間10 min、大張力；經平與經緞復合組織和變化經平組織補片的熱定型優選工藝參數均為溫度140 ℃、時間12 min、 大張力。