医用超声探头的背衬材料及其制备方法、医用超声探头

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种医用超声探头的背衬材料及其制备方法、医用超声探头。

背景技术

医用超声探头是超声波信号发射及接收的关键器件，主要包括声透镜、匹配层、压电元件和背衬材料。其中，背衬材料的作用是利用自身的阻尼效果使晶片的谐振尽快种植，抑制或者最小化经背衬后的超声波反射信号，从而提高图像质量。对于医用超声探头背衬材料的制备，需要满足合适的阻抗、高导热、高衰减等特性。

目前，背衬材料的制备通常采用聚酯类材料、环氧聚合物等高分子树脂作为基体，在基体加入不同比例的金属粉体、金属氧化物等填料，通过控制加入填料的量而控制背衬材料的密度、声速、声衰减系数，从而与压电元件所匹配。但是，上述制备工艺中，在基体材料与填料密度差异较大时容易出现沉底现象或者搅拌不均匀，导致背衬材料密度不一，影响背衬材料声学表现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种医用超声探头的背衬材料及其制备方法、医用超声探头，以解决现有技术中的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种医用超声探头的背衬材料，以重量份计，包括100份的橡胶胶乳，2～3份的硫化助剂以及100～300份的填料；

所述橡胶胶乳包括丁腈橡胶胶乳、丁苯橡胶胶乳和氯丁橡胶胶乳中的至少一种。

在一些实施例中，所述橡胶胶乳包括以重量百分比计的35％～65％的胶乳和2％～5％的阴离子表面活性剂，剩余为水。

在一些实施例中，所述丁腈橡胶胶乳中包含35％～45％的丁腈胶乳；

所述丁苯橡胶胶乳中包含50％～65％的丁苯胶乳；

所述氯丁橡胶胶乳中包含45％～60％的氯丁胶乳。

在一些实施例中，所述硫化助剂包括以重量份计的2～3份的硫磺分散液、0.2～0.4份的促进剂EZ、0.2～0.4份的促进剂BZ。

在一些实施例中，所述硫磺分散液中硫磺的粒径为15～25μm；

所述硫磺分散液包括30～50份的硫磺、0.5～2份的非离子表面活性剂、0.2～0.5份的稳定剂和50～70份的纯水。

在一些实施例中，所述稳定剂包括气相二氧化硅和羟甲基纤维素中的至少一种；

所述非离子表面活性剂包括扩散剂NNO。

在一些实施例中，所述填料包括钨粉、铜粉、氧化锌、四氧化三铁及其他金属氧化物粉体；

所述填料的粒径为10～30nm，且所述填料的纯度≥99.5％。

在一些实施例中，所述填料包括重量占比为80％～90％钨粉和10％～20％的氧化锌。

本发明还提供一种医用超声探头的背衬材料的制备方法，包括以下步骤：

称取以重量份计的100份的橡胶胶乳，2～3份的硫化助剂以及100～300份的填料；

将所述硫化助剂加入至所述橡胶胶乳中，并在2000～3000r/min下搅拌分散30～50min，并在搅拌过程中逐步加入所述填料，所述填料添加完毕后，充分搅拌10～12h，得到预硫化物；

将所述预硫化物倒入容器中，抽真空20～30min除泡，然后放入100℃～120℃的烘箱中加热硫化2～3h，得到所述背衬材料。

本发明还提供一种医用超声探头，所述医用超声探头的背衬材料为述的医用超声探头的背衬材料。

由上述技术方案可知，本发明的优点和积极效果在于：

本发明以橡胶胶乳作为背衬材料的基体材料，在声衰减方面明显优于高分子树脂材料。且本申请中的背衬材料的声学性能与压电陶瓷声阻抗匹配，从而具有优异的吸音性能。

附图说明

图1是本发明声透镜的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

目前，通常将聚酯材料溶于有机试剂中，并加入填料，然后通过热压法制备得到背衬材料。该方法的难度较大，且填料体积比较大的时候难以与聚酯材料混合均匀，导致背衬材料结合力差。且在填料密度差异大时，容易出现分层情况，导致背衬材料的均匀性差，进而使背衬材料的声学性能表现一般。且上述方法所得到的背衬材料吸声能力较弱。

因此，本发明提供一种均匀性较好、高衰减、吸声能力较强的医用超声探头的背衬材料以及该背衬材料的制备方法，以及采用该背衬材料的医用超声探头。

以下具体介绍该医用超声探头的背衬材料。

具体地，以重量份计，医用超声探头的背衬材料包括100份的橡胶胶乳，2～3份的硫化助剂以及100～300份的填料。

其中，通常将橡胶微粒的水分散体系称为胶乳，可以理解为在固化成型为橡胶前的呈乳液状的物质。

具体地，橡胶胶乳包括丁腈橡胶胶乳、丁苯橡胶胶乳和氯丁橡胶胶乳中的至少一种。

丁腈橡胶胶乳指丁二烯与丙烯腈乳液聚合制得的胶乳。

丁苯橡胶胶乳是以丁二烯和苯乙烯经低温聚合而成的稳定乳液，其pH值在3-7之间。

氯丁橡胶胶乳是以氯丁二烯在乳液中聚合而成。

较佳地，橡胶胶乳选用丁腈橡胶胶乳。

橡胶胶乳包括以重量百分比计的35％～65％的胶乳和2％～5％的阴离子表面活性剂，剩余为水。

阴离子表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和阴离子聚丙烯酰胺(APAM)中的至少一种。

丁腈橡胶胶乳中包含35％～45％的丁腈胶乳。丁苯橡胶胶乳中包含50％～65％的丁苯胶乳。氯丁橡胶胶乳中包含45％～60％的氯丁胶乳。

即，丁腈橡胶胶乳中丁腈胶乳的固含量为35％～45％,丁苯橡胶胶乳中丁苯胶乳的固含量为50％～65％，氯丁橡胶胶乳中氯丁胶乳的固含量为45％～60％。

针对上述不同的胶乳，各自在其具体的含量下，均粘度适中，分散效果优异。

硫化助剂包括以重量份计的2～3份的硫磺分散液、0.2～0.4份的促进剂EZ、0.2～0.4份的促进剂BZ。

具体地，硫磺分散液包括30～50份的硫磺、0.5～2份的非离子表面活性剂、0.2～0.5份的稳定剂和50～70份的纯水。

且，硫磺分散液中硫磺的粒径为15～25μm。

稳定剂包括气相二氧化硅和羟甲基纤维素中的至少一种。

非离子表面活性剂包括扩散剂NNO。扩散剂NNO为亚甲基二萘磺酸钠，化学式为C

促进剂EZ的分子式是C

促进剂BZ的分子式是C

填料包括钨粉、铜粉、氧化锌、四氧化三铁及其他金属氧化物粉体。填料的粒径为10～30nm，且填料的纯度≥99.5％。

较佳地，填料包括重量占比为80％～90％钨粉和10％～20％的氧化锌。

其中，填料占整体原料重量的50％～75％。即填料的重量占据填料、橡胶胶乳以及硫化助剂整体重量的占比为50％～75％。

本申请中，以橡胶胶乳作为主体，并通过合理设计硫化助剂，使橡胶胶乳硫化，且上述橡胶胶乳的分子链结构中均含有氰基侧基基团，分子堆积较密且弹性模量温度系数大，当超声波入射其分子内部时须提供更多的功才能改变分子间的振动，从而需要吸收更多的声波能量，故使超声波相对衰减较快。因此，采用上述橡胶胶乳作为主体的背衬材料是一种优异的吸声材料。

此外，通过在硫化助剂及金属氧化物的作用下，能改变其松散的分子结构，网状紧密的分子结构，有优异的机械强度，如承重密封圈等。所选填料对粒径存在要求，均采用纳米级材料，在胶乳中能均匀分散。

以硫磺作为硫化剂，使橡胶胶乳的分子通过硫磺的作用从原本的聚合物链形成桥状分子结构，从而使橡胶胶乳分子从松散状态形成紧密的分子结构，实现乳状变成固体。

金属以及金属氧化物作为填料，使橡胶胶乳从链状分子结构通过金属离子键形成稳定的网状结构，依据Z(声阻抗)＝密度×声速，上述填料的声速及密度较高，加入橡胶胶乳中能够提高其密度及声速，从而使声阻抗更合适。

本申请以橡胶胶乳作为背衬材料的基体材料，在声衰减方面明显优于高分子树脂材料。由于压电陶瓷一般声阻抗为30～35MRayl，与之匹配的背衬材料阻抗约在1/3～1/2最为合适，且声衰减系数＞15dB/cm/MHz即具有很强的吸音性能。本申请中通过控制填料占整体原料重量的比例而使背衬材料的声学性能与压电陶瓷声阻抗匹配，从而具有优异的吸音性能。

本发明还提供上述背衬材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤

S1、称取以重量份计的100份的橡胶胶乳，2～3份的硫化助剂以及100～300份的填料。

S2、将硫化助剂加入至橡胶胶乳中，并在2000～3000r/min下搅拌分散30～50min，并在搅拌过程中逐步加入填料，填料添加完毕后，充分搅拌10～12h，得到预硫化物。

S3、将预硫化物倒入容器中，抽真空20～30min除泡，然后放入100℃～120℃的烘箱中加热硫化2～3h，得到背衬材料。

该背衬材料的制备方法简单，成功率高。通过抽真空除泡即可排干净内部气泡，使背衬材料内部紧密结合，随后高温硫化即可完成背衬材料的制备。此工艺可根据背衬所需的形状定制模具，实现背衬形态随意化。

本申请的发明人严格设计各组分的含量而得到上述医用超声探头的背衬材料，以下通过各实施例介绍。

实施例一

以重量份计，医用超声探头的背衬材料包括100份的橡胶胶乳，2.5份的硫化助剂以及100份的填料。

橡胶胶乳为丁腈橡胶胶乳，具体包括35％的丁腈胶乳和3％的阴离子表面活性剂，剩余为水。

硫化助剂包括以重量份计的2份的硫磺分散液、0.4份的促进剂EZ和0.4份的促进剂BZ。

填料包括80％钨粉和20％的氧化锌。填料的粒径为20nm。

背衬材料的制备方法如下：

S11、称取以重量份计的100份的丁腈橡胶胶乳，2.5份的硫化助剂以及100份的填料。

S12、将硫化助剂加入至丁腈橡胶胶乳中，并在2000r/min下搅拌分散50min，并在搅拌过程中逐步加入填料，填料添加完毕后，充分搅拌12h，得到预硫化物。

S13、将预硫化物倒入容器中，抽真空30min除泡，然后放入120℃的烘箱中加热硫化2h，得到背衬材料。

实施例二

以重量份计，医用超声探头的背衬材料包括100份的橡胶胶乳，3份的硫化助剂以及300份的填料。

橡胶胶乳为丁腈橡胶胶乳，具体包括45％的丁腈胶乳和2％的阴离子表面活性剂，剩余为水。

硫化助剂包括以重量份计的3份的硫磺分散液、0.2份的促进剂EZ和0.2份的促进剂BZ。

填料为粒径30nm的氧化锌。

背衬材料的制备方法如下：

S21、称取以重量份计的100份的丁腈橡胶胶乳，3份的硫化助剂以及300份的填料。

S22、将硫化助剂加入至丁腈橡胶胶乳中，并在3000r/min下搅拌分散30min，并在搅拌过程中逐步加入填料，填料添加完毕后，充分搅拌10h，得到预硫化物。

S23、将预硫化物倒入容器中，抽真空20min除泡，然后放入100℃的烘箱中加热硫化3h，得到背衬材料。

实施例三

以重量份计，医用超声探头的背衬材料包括100份的橡胶胶乳，2.5份的硫化助剂以及150份的填料。

橡胶胶乳为丁苯橡胶胶乳，具体包括50％的丁苯胶乳和2％的阴离子表面活性剂，剩余为水。

硫化助剂包括以重量份计的3份的硫磺分散液、0.3份的促进剂EZ和0.3份的促进剂BZ。

填料为粒径20nm的钨粉。

背衬材料的制备方法如下：

S31、称取以重量份计的100份的丁苯橡胶胶乳，2.5份的硫化助剂以及150份的填料。

S32、将硫化助剂加入至丁苯橡胶胶乳中，并在2500r/min下搅拌分散40min，并在搅拌过程中逐步加入填料，填料添加完毕后，充分搅拌10h，得到预硫化物。

S33、将预硫化物倒入容器中，抽真空25min除泡，然后放入110℃的烘箱中加热硫化2.5h，得到背衬材料。

实施例四

以重量份计，医用超声探头的背衬材料包括100份的橡胶胶乳，2份的硫化助剂以及300份的填料。

橡胶胶乳为丁苯橡胶胶乳，具体包括65％的丁苯胶乳和3％的阴离子表面活性剂，剩余为水。

硫化助剂包括以重量份计的2.5份的硫磺分散液、0.25份的促进剂EZ和0.25份的促进剂BZ。

填料为粒径15nm的氧化锌。

背衬材料的制备方法如下：

S41、称取以重量份计的100份的丁苯橡胶胶乳，2份的硫化助剂以及300份的填料。

S42、将硫化助剂加入至丁苯橡胶胶乳中，并在2800r/min下搅拌分散35min，并在搅拌过程中逐步加入填料，填料添加完毕后，充分搅拌11h，得到预硫化物。

S43、将预硫化物倒入容器中，抽真空25min除泡，然后放入110℃的烘箱中加热硫化2.5h，得到背衬材料。

实施例五

以重量份计，医用超声探头的背衬材料包括100份的橡胶胶乳，2份的硫化助剂以及200份的填料。

橡胶胶乳为氯丁橡胶胶乳，具体包括45％的氯丁胶乳和4％的阴离子表面活性剂，剩余为水。

硫化助剂包括以重量份计的3份的硫磺分散液、0.35份的促进剂EZ和0.35份的促进剂BZ。

填料为粒径25nm的铜粉。

背衬材料的制备方法如下：

S51、称取以重量份计的100份的氯丁橡胶胶乳，2份的硫化助剂以及200份的填料。

S52、将硫化助剂加入至氯丁橡胶胶乳中，并在300r/min下搅拌分散30min，并在搅拌过程中逐步加入填料，填料添加完毕后，充分搅拌12h，得到预硫化物。

S53、将预硫化物倒入容器中，抽真空20min除泡，然后放入100℃的烘箱中加热硫化3h，得到背衬材料。

实施例六

以重量份计，医用超声探头的背衬材料包括100份的橡胶胶乳，2份的硫化助剂以及250份的填料。

橡胶胶乳为氯丁橡胶胶乳，具体包括60％的氯丁胶乳和5％的阴离子表面活性剂，剩余为水。

硫化助剂包括以重量份计的3份的硫磺分散液、0.3份的促进剂EZ和0.3份的促进剂BZ。

填料为粒径20nm的四氧化三铁。

背衬材料的制备方法如下：

S61、称取以重量份计的100份的氯丁橡胶胶乳，2份的硫化助剂以及250份的填料。

S62、将硫化助剂加入至氯丁橡胶胶乳中，并在2000r/min下搅拌分散50min，并在搅拌过程中逐步加入填料，填料添加完毕后，充分搅拌10h，得到预硫化物。

S63、将预硫化物倒入容器中，抽真空30min除泡，然后放入120℃的烘箱中加热硫化2h，得到背衬材料。

对比例一

以重量份计，医用超声探头的背衬材料包括100份的聚氨酯塑料颗粒以及100份的填料。

填料包括80％钨粉和20％的氧化锌。填料的粒径为20nm。

背衬材料的制备方法如下：

S71、称取以重量份计的100份的聚氨酯塑料颗粒以及100份的填料。

S72、将聚氨酯塑料颗粒加入有机试剂中，如丙酮、丁酮等，溶解后加入填料搅拌均匀，放置于70℃加热台上，挥发有机试剂，得到包裹填料的聚氨酯塑料颗粒。

S73、包裹填料的聚氨酯塑料颗粒模具中，加热至150℃，得到背衬材料。

对比例二

以重量份计，医用超声探头的背衬材料包括100份的橡胶胶乳和2.5份的硫化助剂。

橡胶胶乳为丁腈橡胶胶乳，具体包括35％的丁腈胶乳和3％的阴离子表面活性剂，剩余为水。

硫化助剂包括以重量份计的2份的硫磺分散液、0.4份的促进剂EZ和0.4份的促进剂BZ。

背衬材料的制备方法如下：

S81、称取以重量份计的100份的丁腈橡胶胶乳和2.5份的硫化助剂。

S82、将硫化助剂加入至橡胶胶乳中，并在2000r/min下搅拌分散50min，并在搅拌过程中逐步加入填料，填料添加完毕后，充分搅拌12h，得到预硫化物。

S83、将预硫化物倒入容器中，抽真空30min除泡，然后放入120℃的烘箱中加热硫化2h，得到背衬材料。

对实施例1～6以及对比例1～2的背衬材料进行声学性能测试，分别进行对比。

其中，声学性能测试采用下述方法：通过模具制备5mm厚度测试块。并通过脉冲发射/接收仪连接3MHz的换能器，在水中固定上述测试块，通过脉冲发射/接收仪和示波器，测试声波第一次在测试块表面的反射信号及声波透过测试块的第二次反射信号的时间及能量差，计算声速及衰减系数。

表一背衬材料的测试结果

依据上述表格可知，相较于对比例一和对比例二，实施例一至实施例六中的背衬材料的密度、声速、声阻抗以及声衰减的性能均优于对比例。

虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。