文摘

氧化石墨烯/超高分子量聚乙烯(去/ UHMWPE)纳米复合材料是一个潜在的和有前途的候选人为人造关节的应用程序。然而,辐照和加速老化后,纳米复合材料的力学和摩擦学行为仍不清楚,需要进一步调查。去/ UHMWPE纳米复合材料被成功的使用超声破碎法分散,球磨,热压过程。然后,纳米复合材料被伽马射线辐照剂量的100 kGy的。最后,去/ UHMWPE纳米复合材料进行了加速老化在80°C 21天空气。去/ UHMWPE纳米复合材料的力学和摩擦学性能评估后辐照和加速老化。结果表明,去可以提高机械的公司,穿,antiscratch UHMWPE的属性。辐照后,这些属性可以进一步提高,unirradiated相比的。加速老化后,然而,这些属性已经显著降低unirradiated相比的。此外,去辐照可以协同增强这些属性。

1。介绍

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)被认为是合适的轴承材料骨科植入物(1)由于具有优良的特性包括良好的耐磨性,杰出的韧性,较低的摩擦系数,和良好的生物相容性2]。然而,在长期的应用过程中,磨损、氧化、磨屑堆积容易导致骨质溶解(3无菌性松动]和[4,5]。这最终导致失败的骨科植入物。为了提高骨科植入物的寿命,并且已经尽力改善力学和摩擦学性能的UHMWPE。在大多数的方法、辐照和UHMWPE-based复合材料的两种主要方法。

γ辐照的通常方法是提高聚合物特性,它不仅提供可靠和有效的医疗消毒也可以交联聚合物。在辐照过程中生成自由基通过分离碳氢键和碳碳键。在一个方面,辐照产生的自由基可以通过重组形成交联聚乙烯的非晶相。因此,耐磨性的UHMWPE已经显著提高(6]。在其他方面,在聚乙烯的结晶相,剩余自由基可以与氧气反应,导致氧化降解UHMWPE在架子上的老化或植入后(7,8),这将大大影响力学和摩擦学性能。因此,加速老化方法用于评估潜在的长期抗氧化性能的聚合物在空气中。长期的人工关节的关键是理解辐照的影响和长期老化的氧化空气UHMWPE的架子。

除了γ辐照,另一个替代方法是UHMWPE-based复合材料。各种填料如石墨烯(9- - - - - -11),碳纳米管(碳纳米管)12)、石墨、碳酸钙(CaCO₃)[13),和硅灰石14)已经应用于增强机械和抗磨性能的聚合物。在上面的填充物,石墨烯被认为是理想的增强填料由于其优越的机械(15)和润滑剂性能(16]。然而,很难分散石墨烯在聚合物基质17]。因此,石墨烯氧化物(去),这是最重要的一个石墨烯衍生品,已被广泛用于执行由于优秀的分散在聚合物基质聚合物性质。进入UHMWPE的结合可以显著提高UHMWPE的抗磨和力学性能。例如,/ UHMWPE纳米复合材料可以提高硬度、拉伸强度和冲击强度UHMWPE (18- - - - - -20.]。,可以减少磨损率但增加平均摩擦系数UHMWPE (21,22]。此外,还发现最优0.5 wt %的内容去纳米复合材料可以有效改善/ UHMWPE纳米复合材料的性能,相对于纯UHMWPE (23]。虽然这些重要成果提供重要的见解/ UHMWPE纳米复合材料,辐照的影响和加速老化的抗磨和机械性能/ UHMWPE纳米复合材料很少报道。摘要走/ UHMWPE纳米复合材料的力学和摩擦学性能研究辐照后,加速老化。

2。实验的细节

2.1。样品制备方法

该粉末密度为0.93 g / cm分子量约为500万。去准备通过修改后的悍马的方法(24]。去/ UHMWPE复合材料为0.5 wt %去装货准备按照路线由以前的工作(25]。总之,0.5 g粉是分散在200毫升酒精溶液,用了30分钟。然后,99.5 g UHMWPE粉末分散在溶液,用40分钟。接下来,混合解决方案保存在一个烤箱60°C到溶剂完全挥发性。随后,干粉末复合材料球磨2 h的恒定转速400转。之后,粉复合材料模型中的prepressed 15 MPa,持续15分钟。然后压粉复合材料被加热2 h在200°C的烤箱。最后,粉复合材料从烘箱取出压10 MPa,直到他们的温度冷却到室温。

真空包装的样品在室温下辐照⁶⁰公司伽马射线(无锡EL桥辐射科技有限公司有限公司)与辐照剂量的100 kGy的。

加速老化过程是在80°C 21天在一个烤箱(根据ASTM F2003-00;ASTM:美国社会检测和材料)。

表面形态的观察到日立的s - 4800场发射扫描电子显微镜(SEM)。

2.2。机械性能

测试样品切成哑铃状试样根据ASTM D638 (IV型;厚度:3.2毫米)。拉伸测试是进行拉伸机(wdw - 200,济南市仕进集团有限公司,中国)在十字头50毫米/分钟的速度。为每种情况至少5个样本进行测试。杨氏模量、屈服应力和断裂应力计算的应力-应变曲线。

球压痕硬度测量根据iso2039 - 73 (26,27)作为一个裁判和测量进行Rtec摩擦计(建议类型:- 5000;Rtec仪器有限公司、美国)。硬度计压头是Si₃N₄球的直径5毫米。最初的应用预加载9.8 N和应用测试负载为132 N。测量的硬度可以根据以下方程计算(27]: 在哪里是测试力量,球的直径,减少深度的印象。

2.3。刮擦测试

刮擦测试执行与Rtec摩擦计(建议类型:- 5000;Rtec仪器有限公司、美国)。锥形金刚石提示(1毫米×5毫米×60°,半径12.5微米金刚石)用于样品的表面。装卸曲线如图1。在抓的过程中,应用恒定负载0.1 N;在起跑线上速度是大约10毫米/秒,划痕长度设置为10毫米。剩余划痕的深度是衡量Rtec轮廓曲线仪(类型:MFD-D;Rtec仪器有限公司、美国)。摩擦系数()按照下列公式计算: 在哪里是正常的力和侧向力。划伤导致耐磨性的测试样品评估通过测量体积损失通过Rtecλ视图(Rtec仪器,Inc .)、美国)。

3所示。结果与讨论

3.1。表面形貌

扫描电镜的图像(图2(一个))显示了粗糙和皱纹的形态。表面形貌的UHMWPE / UHMWPE复合材料所示的数据2 (b)和2 (c),分别。它可以清楚地看到从SEM图像整合进入UHMWPE矩阵有一个戏剧性的对UHMWPE的表面形貌的影响。与UHMWPE相比,去/ UHMWPE复合材料显示粗糙表面因为皱巴巴的,皱巴巴的床单是分散在复合材料的界面。去的皱纹粗糙表面之间的附着力更强的结果可以和聚合物基质28]。拥有大量含氧极性功能,如羟基、羰基、环氧,羧基,使它更多样化的互动的各种聚合物(29日]。之间的附着力较强,有利于应力转移去聚合物矩阵(30.),可以显著影响的力学和摩擦学性能UHMWPE。

3.2。机械性能

机械性能测量杨氏模量、屈服应力、断裂应力、硬度,如图所示3。结果表明,辐照,加速老化严重影响机械性能的测试样本。

较低的纳米复合材料的加载可以提供机械性能显著改善。杨氏模量、屈服应力、断裂应力和硬度/ UHMWPE复合材料增加了22.44%,8.10%,42.53%,和44.32%,分别比纯UHMWPE。这些典型的机械行为/聚合物系统已报告在先前的研究18- - - - - -20.,23]。改善复合材料的力学性能之间的附着力强可以归因于去UHMWPE矩阵,它起着至关重要的作用在polymer-GO复合材料的力学性能15]。在/ UHMWPE复合材料,范德瓦耳斯相互作用中扮演着重要的角色去UHMWPE矩阵,因此影响了UHMWPE应对拉伸加载。皱,严格遵循接口UHMWPE,会导致界面粗糙度这可能会导致一个增强的机械联锁和粘附聚合物链(29日]。此外,包含一系列的亲水功能在其基底飞机和碳边缘,可以增强与聚合物基质的兼容性。因此,从聚合物基质界面部队转移有效强化(31日]。

辐照进一步增强了复合材料的力学性能。杨氏模量、屈服应力、断裂应力和辐照复合材料硬度增加了17.22%,11.66%,19.50%,和13.25%,分别比unirradiated复合材料。类似的变化趋势一直在观察辐照UHMWPE / MWNT纳米复合材料(32]。复合材料的力学性能直接取决于结晶度(33]。在真空辐照,自由基形成的乳沟碳碳和碳氢键,可以相互结合,形成交联导致增强UHMWPE的结晶度。根据我们之前的研究(25),辐照可显著提高去/ UHMWPE复合材料的结晶度。此外,辐射可以导致去产生悬空债券(债券分离34),可以创建分子结合矩阵。最近,据报道,去是非常弱的自由基清除剂35]。它可能提出一些自由基UHMWPE可能与去。因此,照射可能导致强/矩阵交互。因此,比未照射复合材料辐照复合材料获得更好的力学性能。此外,去辐照可以协同增强UHMWPE的力学性能。这些类似的结果在辐照热合/ UHMWPE(已报告32]。

然而,加速老化导致显著降低样品的力学性能。杨氏模量、屈服应力、断裂应力和在复合材料的硬度下降了20.58%,22.66%,42.75%,和8.16%,分别比辐照复合材料。杨氏模量、屈服应力、断裂应力,和年龄UHMWPE的硬度下降了28.91%,19.45%,20.14%和11.78,分别与辐照UHMWPE相比。加速老化后,力学性能下降是由于热氧化降解。当样品进行加速老化,高温加速氧气扩散室内的UHMWPE和自由基的迁移在UHMWPE的结晶度阶段,大大增加了反应概率的氧自由基。因此,加速氧化降解生产大量的酮、醇、羧酸、酯,最后导致力学性能退化的样本。根据图3,也观察到,不能限制老化力学性能的退化UHMWPE。尽管去显示清除自由基的能力(35),可能显示一个非常弱的自由基清除活性/ UHMWPE复合材料,导致抗氧化能力差(25]。因此,复合材料的力学性能已经大大减少了在加速老化。

3.3。摩擦学性能

抓技术广泛应用于评估摩擦,磨损,耐擦伤性特点,聚合物复合材料在特定条件下(36]。钻石提示按表面的样品表面,然后画在恒力和一个恒定的速度。作为一个典型的划伤表面如图4,是意味着划痕深度。

在抓的过程中,摩擦系数(咖啡)计算基于(2)。数据5(一个)和5 (b)显示不同样本的咖啡值的变化。结果表明,去显示略有增加的公司的咖啡值/ UHMWPE纳米复合材料,比样品没有添加。与unirradiation样品相比,辐照进一步增加样本的咖啡。然而,加速老化产生明显减少咖啡的样品。

去被认为是一个好的候选固体润滑剂,可减少粘连和接触表面之间的摩擦力37]。然而,在我们的实验中,似乎去不显示润滑性能,因为咖啡中略有增加,当添加进入UHMWPE矩阵。发现了类似的结果,Tai et al。22]。的原因可以归因于增加侧向力。额外的侧向力遇到钻石的小费在旅行在/ UHMWPE复合材料包括三个方面:GO-UHMWPE债券;活跃的层间范德华债券;和碳碳键走飞机。此外,皱巴巴的床单可以使皱纹或UHMWPE的粗糙表面,提高机械性能。因此,复合材料的咖啡有一个轻微的增加。

辐照后,增加咖啡可以归因于chain-reorganization和交联。辐照引起的自由基相互重组,导致chain-reorganization。交联限制分子链在无定形区域的流动,降低了UHMWPE的蠕变行为。此外,辐照影响结构完整性和力学性能UHMWPE。因此,塑性降低,硬度增加,这可能会导致增加侧向力。

聚合物复合材料的老化导致氧化降解,有效地使变脆表面,显著减少聚合物复合材料的力学性能。岁复合材料包括聚合物之间的短链和成键较弱矩阵和分散的填料,与未老化的聚合物复合材料。因此,脱胶、开裂划痕过程可以更容易引起挠地下的氧化主要地区。因此,在复合材料的咖啡有轻微的减少。

磨损体积引起的损失评估采用耐磨性能。所有样品的磨损体积变化如图所示5 (c)。的合并可以提高耐磨性和辐照更进一步提高了耐磨性。然而,加速老化减少耐磨性。磨损率和力学性能比较,发现磨损率与力学性能的关系。穿保护去可以归因于增加机械强度和硬度16]。辐照可以进一步增加由于交联复合材料的耐磨性。辐照引起的交联可以通过提高耐磨性的提高UHMWPE crossing-path运动。此外,交联可以有效地限制链滑移,使UHMWPE更耐卷入纤维(38]。然而,老化后,氧降解可以进一步交联,降低耐磨而分解导致力学性能降低。

图5 (d)总结了意味着剩余的深度。添加就可以显著减少划痕深度、样品相比不增加。辐照可以进一步降低残余深度,而unirradiated样本。去照射相比,加速老化产生残余深度的显著增加。图6显示了测试样品的光学抓图片。而没有骨折浅划痕沟槽是观察到的样本。加速老化后,地下横向开裂导致凿(见图6 (e)和6 (f))。

一般来说,划痕深度是重要的微观结构参数来评估抗划伤39,40]。此外,表面变形强烈影响力学性能、延性和模量(41]。因此,材料具有优良的力学性能可能会显示高耐擦伤性。添加可以有效地提高抗划伤UHMWPE。原因是进入UHMWPE的合并可以增加结晶度(20.)、模量和屈服应力。也观察到类似的结果去/聚丙烯纳米复合材料(42]。辐照进一步增强了抗划伤的样品因为辐照进一步提高机械性能。去照射相比,加速老化产生显著增加残余深度氧化降解。芯片是生成的。所以加速老化导致抗划伤性能的恶化。此外,发现去/ UHMWPE复合材料的耐擦伤性是实现协同增强相结合去照射。

4所示。结论

辐照和加速老化后,去/ UHMWPE纳米复合材料的力学和摩擦学性能评估。从以上的研究可以得到以下结论。(1)添加去UHMWPE显著提高UHMWPE的机械性能。γ辐照进一步增强了去/ UHMWPE纳米复合材料的力学性能。然而,加速老化减少去/ UHMWPE纳米复合材料的力学性能。(2)添加去稍微增加咖啡的价值观。辐照进一步增加咖啡的值。但是,加速老化明显减少咖啡的值。(3)增加耐磨性能的UHMWPE和辐照更进一步提高了复合材料的耐磨性能。但是,加速老化大大降低耐磨性能的样品。(4)去改善antiscratch属性。辐照进一步增强了antiscratch属性。但是,加速老化减少antiscratch属性。(5)去照射可以提高协同机械,摩擦学的,antiscratch属性。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢国家科学基金会的资金支持中国(批准号。51305166,51675232),江苏省自然科学基金、中国(BK20130143),中央大学的基础研究基金(JUDCF13028),对于大学毕业生来说,研究和创新项目在中国江苏省(CXZZ13_0738)。