《人工关节用超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）树脂》征求意见稿编制说明

团体标准T/SHXCL-0017-2022人工关节用超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）树脂（征求意见稿编制说明）任务来源为推进上海市新材料产业的发展，满足市场对于人工关节用超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）树脂的不断增长的需求以及人工关节用超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）树脂最新发展现状和趋势，上海市新材料协会组织相关人员对人工关节用超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）树脂的主要技术指标、主要用途和市场前景，以及标准制定的时机等问题征询了行业内相关生产企业、用户的意见和建议，并查阅了大量相关的标准、规范。根据上海市新材料标准化管理要求，对上海化工研究院有限公司提出的《人工关节用超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）树脂》的立项申请进行了评审。经评审，同意立项开展《人工关节用超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）树脂》团体标准的编制工作。国内外情况简介生物医用材料作为生物医用技术产业发展的核心组成部分，是产业链发展的关键要素，而我国中、高端医疗器械用基础高分子材料主要依赖进口，严重制约了我国生物医用技术产业的发展。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是具有超过一百万分子量的超长链线性聚乙烯，具有出色的物理和机械性能，同时还具有优秀的化学惰性，润滑性，抗冲击性和耐磨性。UHMWPE在整形外科中用来制造人造关节的轴承材料已有50年历史。目前每年在全球范围内约有约三百万次关节置换手术，其中的人工关节大多数都包含UHMWPE制造的部件。用于制造人工关节的UHMWPE树脂生产技术难度大，目前只有美国塞拉尼斯公司能生产。采用该公司原材料生产的型材售价达到每吨200万元，高交联抗氧化品种甚至达500万元。目前，全球人工关节的UHMWPE用量1700吨/年，产值约50亿元/年。随着人口老龄化及生活品质的提升，预计10年后我国人工关节UHMWPE用量将达1500吨/年，带动下游产值可达45亿元/年。国内外标准文献情况虽然目前已有国家标准GB/T19701.1-2016外科植入物超高分子量聚乙烯第1部分:粉料、GB/T19701.2-2016外科植入物超高分子量聚乙烯第2部分模塑料及国际标准ISO5834-1:2019Implantsforsurgery—Ultra-high-molecular-weightpolyethylene—Part1:Powder、ISO5834-2:2011Implantsforsurgery—Ultra-high-molecular-weightpolyethylene—Part2:Mouldedforms等关于关节植入物的UHMWPE的标准，其中，GB/T19701.1-2016和GB/T19701.2-2016是等效采用ISO5834-1:2005（2019）和ISO5834-2:2011。但在关节生产企业的实际应用中，这些标准仅仅提供了最低限的指标控制，而不能满足对于树脂原料的全部性能指标要求。随着人工关节用超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）树脂生产技术的不断进步，现有国家标准某些技术指标已经明显跟不上市场对于产品的要求，同时为更好的满足关节生产企业的实际需求，本标准将GB/T19701.1-2016和GB/T19701.2-2016相关内容合并在一个标准中，在标准的技术指标中，除了树脂粉体的指标要求，亦综合考虑了模塑件的技术指标，详见下表。表1技术指标对比表序号检验项目单位本标准GB/T19701.1和GB/T19701.2对比I型I型1外观白色粉状白色粉状相同2粘数mL/g≥2000≥2000相同3定伸应力MPa≥0.2≥0.2相同4平均粒径D50（湿法）μm≤12-新增5表观密度g/cm30.40~0.53-新增6氯元素含量mg/kg≤10≤30优于7微量金属元素含量铝mg/kg≤20≤20相同钙mg/kg≤2≤5优于钛mg/kg≤10≤40优于8灰分（质量分数）mg/kg≤100≤125优于9微粒物质个≤3≤3相同10简支梁双缺口冲击强度kJ/m2≥180≥180相同11悬臂梁双缺口冲击强度kJ/m2≥126≥125相同12拉伸断裂应力MPa≥36≥35相同13拉伸断裂应变%≥300≥300相同14拉伸屈服强度MPa≥21≥21相同15挥发物含量(质量分数)mg/kg≤300-新增16密度kg/m3927-944927-944相同表2技术指标对比表序号检验项目单位要求GB/T19701.1和GB/T19701.2对比Ⅱ型2型1外观白色粉状白色粉状相同2粘数mL/g≥3200≥3200相同3定伸应力MPa≥0.42≥0.42相同4平均粒径D50（湿法）μm125±10-新增5表观密度g/cm30.40~0.53-新增6氯元素含量mg/kg≤5≤30优于7微量金属元素含量铝mg/kg≤20≤20相同钙mg/kg≤2≤5优于钛mg/kg≤5≤40优于8灰分（质量分数）mg/kg≤100≤125优于9微粒物质个≤3≤3相同10简支梁双缺口冲击强度kJ/m2≥90≥90相同11悬臂梁双缺口冲击强度kJ/m2≥73≥73相同12拉伸断裂应力MPa≥30≥27相同13拉伸断裂应变%≥300≥300相同14拉伸屈服强度MPa≥19≥19相同15挥发物含量(质量分数)mg/kg≤300-新增16密度kg/m3927-944927-944相同与GB/T19701.1-2016和GB/T19701.2相比，本标准主要技术指标不同点在于总灰分、杂质元素含量等要求上优于现有国家标准，同时提出了对于树脂颗粒粒径、表观密度、挥发物等指标的要求。另外，由于国家标准GB/T19701.1-2016和GB/T19701.2采用全文翻译ISO5834-1:2019和ISO5834-2:2011，为便于使用，本标准在试验方法等的引用上尽可能采用我国相应的国家标准，并按我国产品标准编写规则增加了检验规则、标志、包装运输和贮存等内容。标准的目的和意义为更好的满足市场对于高性能人工关节用超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）树脂的需求，有必要提高现有国家标准GB/T19701.1-2016《外科植入物超高分子量聚乙烯第1部分：粉料》在总灰分、杂质元素含量等性能等方面的指标，本团体标准的编制，向广大下游客户提供了一种高性能人工关节用超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）树脂材料。本项目的提出，将给树脂生产、人工关节设计、制造部门提供技术依据，使设计、生产、行业检测监督有统一的方法，满足生产和使用需求，意义重大。工作概况2021年8月18日，上海化工研究院有限公司撰写了《上海新材料协会团体标准制修订信息登记表》，向上海新材料协会提出了立项申请。2021年8月30日，上海新材料协会标准化技术委员会对标准立项申请进行了立项审查，同意团体标准立项。2021年10月10日，标准编制组组建完成，并对标准的编制进行了研讨，形成了上海新材料协会团体标准初稿。2022年2月10日，上海新材料协会向标准编制组征集对《人工关节用超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）树脂》标准初稿及编制说明的意见，在综合各位编制组成员意见的基础上，对标准初稿及编制说明进行了修改完善，形成了团体标准《人工关节用超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）树脂》征求意见稿及编制说明。重大分歧意见的处理经过和依据在标准编制过程中没有出现重大意见分歧。编制原则和依据（一）标准编制原则本标准编制过程中体现如下原则：本标准按GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草；注意与相关法律、法规和规章、国家标准等的兼容性和协调一致，有利于标准的执行；内容具有规范性、科学性、先进性、合理性和可行性；注意图表的统一性；力求简单、清晰、实用性强、适用面广，便于使用人员理解和操作。（二）依据本标准是基于满足团体标准成员之间技术交流、贸易的需要，又满足生产企业技术水平的提高的原则，根据团体标准使用成员之间的具体产品进行编制。本标准符合现行法律法规的要求，与现行相关法律、法规及相关强制性国家标准是协调一致的。主要技术参数的确定本标准中，相比已有国家标准GB/T19701.1-2016和GB/T19701.2，调整了包含灰分、氯元素含量、钙元素含量、钛元素含量等指标，规定了测试力学强度时的制样条件，同时还新增了平均粒径、表观密度和挥发物含量等3项指标，调整原因如下:相较于目前已有国家指标，经国内外企业、研究院所和高校科研发现，树脂中含有的金属杂质和氯元素会与聚合物表界面产生摩擦，是人工关节假体在人体中失效碎裂和磨损的重要因素，提高这几项指标有助于在下游企业及医院患者的应用中提高人工关节产品的质量。原有国标GB/T19701.2中并未对模塑料的加工方法进行规定，经与下游人工关节企业合作研究发现，树脂经固定方法（即ISO21304.2-2021）制得样条测试得到的本征力学性能，对实际应用中不同方法制备的模塑料有根本性的影响。在与下游企业的交流中，还发现其它几项指标对制备人工关节材料的影响，其中平均粒径和表观密度等树脂颗粒大小相关指标会影响模塑料制备中的均匀性，过粗的颗粒会导致模塑料易出现缺陷。同时，过高的挥发物含量在模压排气中可能形成孔洞，也可能会导致含气界面融合不完全，同样会影响到模塑料的均匀性。本标准技术指标详见表3。表3性能序号检验项目单位要求I型Ⅱ型1外观白色粉状2粘数mL/g≥2000≥32003定伸应力MPa≥0.2≥0.424平均粒径D50（湿法）μm≤1255表观密度g/cm30.40~0.536氯元素含量mg/kg≤107微量金属元素含量铝mg/kg≤20钙mg/kg≤2钛mg/kg≤108灰分（质量分数）mg/kg≤1009微粒物质个≤310简支梁双缺口冲击强度kJ/m2≥180≥9011悬臂梁双缺口冲击强度kJ/m2≥126≥7312拉伸断裂应力MPa≥36≥3013拉伸断裂应变%≥300≥30014拉伸屈服强度MPa≥21≥1915挥发物含量(质量分数)mg/kg≤30016密度kg/m3927-944试验方法的确定本标准主要技术性能的检验方法采用或参照相关产品试验方法的国家标准，其中：粘数按GB/T1632.3-2010塑料使用毛细管黏度计测定聚合物稀溶液黏度第3部分:聚乙烯和聚丙烯定伸应力、简支梁双缺口冲击强度和悬臂梁双缺口冲击强度按ISO21304.2-2021超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）模塑和挤出材料第2部分：试样制备和性能测定平均粒径D50按ISO13320-2009颗粒细度分析激光衍射法表观密度按GB/T1636-2008塑料能从规定漏斗流出的材料表观密度的测定氯元素含量按EN14582-2016废弃物的特性.卤素含量和硫含量.密封设备中氧的燃烧和测定方法微粒物质按GB/T19701.1-2016外科植入物超高分子量聚乙烯第1部分：粉料微量金属元素含量按EPA6020B-2014电感耦合等离子体质谱法灰分按GB/T9345.1-2008塑料灰分的测定第1部分：通用方法拉伸断裂应力、拉伸断裂应变和拉伸屈服强度按GB/T1040.2-2006塑料拉伸性能的测定第2部分：模塑和挤塑塑料的试验条件。简支梁双缺口冲击强度和悬臂梁双缺口冲击强度按ISO21304.2-2021超高分子量聚乙烯（PE-UHMW）模塑和挤出材料第2部分：试样制备和性能测定该标准中规定的样品尺寸及缺口尺寸与GB/T1043-2008塑料简支梁冲击性能、GB/T1843-2008塑料悬臂梁冲击强度的测定的测定的标准不同，使用国标标准制备的样条无法在冲击中冲断，造成结果有所波动，因此不考虑采用国标标准。密度按GB4472-2011化工产品密度、相对密度的测定相关规定进行，采用静水力学称量法。挥发物含量因无现行的国家标准和行业标准，按本标准附录A。标准化经济效应与社会效应人工关节的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）具有良好的市场前景，目前每年在全球范围内约有约三百万次关节置换手术，其中的人工关节大多数都包含超高分子量聚乙烯制造的部件。全球人工关节的超高分子量聚乙烯用量1700吨/年，产值约50亿元/年。对已有指标提出更高要求有助于提高目前人工关节用超高分子量聚乙烯树脂的安全性能和稳定性，对树脂颗粒粒径、力学性能等指标提出要求有助于更好的提高加工后型材的性能，同时也更能适应目前市场和下游企业对树脂的实际应用需求。本团体标准制定，有利于相关产品的市场培育和发展，其经济效应与社会效应明显。对标准实施的建议鼓励相关企业，在产品的采购中，特别是在招投标中积极引用本标准。数据的积累汇总产品数据汇总见表2和表3。表2数据汇总项目指标批1批2批3批4批5粘数(mL/g)≥200024862484237122952361定伸应力(MPa)≥0.20.3110.3020.2870.2660.270平均粒径D50（湿法）(μm)≤125113122108115118表观密度(g/cm3)0.40~0.530.4280.4220.4340.4280.424氯元素含量(mg/kg)≤10≤10≤10≤10≤10≤10铝(mg/kg)≤2018.319.716.818.518.0钙(mg/kg)≤20.090.230.150.620.38钛(mg/kg)≤103.23.14.82.74.5灰分（质量分数）(mg/kg)≤1009868758883微粒物质(个)≤300010简支梁双缺口冲击强度（kJ/m2）≥180193.2196.8180.6188.2190.3悬臂梁双缺口冲击强度（kJ/m2）≥126133.3133.6127.0129.7130.7拉伸断裂应力(MPa)≥3646.250.354.240.247.7拉伸断裂应变（%）≥300353324366337321拉伸屈服强度(MPa)≥2123.623.824.023.223.9