《武汉工程大学学报》 2018年02期
165-168
出版日期：2018-05-17
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
新型人工关节材料UHMWPE中添加剂结构的研究
超高分子量聚乙烯（ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE）是广泛用于机械轴承、食品包装、人工关节等领域的热塑性高分子材料［1-5］，但也存在表面强度低、耐热性低等缺陷，因此人们纷纷开展改性UHMWPE的研究以改善其各项性能，尤其是提高人工关节耐磨性、延长其使用寿命［6-8］。传统方法采用的改性粒子主要是微米级粒子，它们对UHMWPE性能的改善程度有限，为了进一步提高其改性效果，需要不断研制出更细的填充粒子，并不断改进各种已有的改性方法，发展新的方法，以期得到性能更优异的UHMWPE基复合材料。纳米粒子是粒径1 nm~100 nm的粒子，它是介于宏观物质与微观原子或分子间的过渡性亚稳态物质，具有表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应，表现出奇异的力学、电学、磁学、热学和化学活性等特性。纳米粒子的出现在材料的改性中掀起了一场划时代的革命，有证据表明，纳米粒子添加剂改性UHMWPE复合材料，使UHMWPE的性能得到显著的改善［9-11］。西佛碱及其金属配合物具有良好热稳定性和生物相容性［12-14］，近年来已被应用于UHMWPE的改性添加剂研制新型人工关节材料［15-17］，然而添加剂分子结构和颗粒尺寸对改性材料性能的影响尚未系统研究。本文深入研究在小牛血清边界润滑条件下西佛碱铜配合物改性UHMWPE与钛合金（titanium alloy，Ti6Al4V）配副的往复摩擦磨损行为；以摩擦学性能为判据对作为UHMWPE改性添加剂的西佛碱铜配合物类型进行优选，并探讨采用西佛碱铜配合物纳米粉体为添加剂进一步优化改性UHMWPE摩擦学性能的新途径。1 实验部分1.1 二胺缩水杨醛西佛碱铜配合物及其纳米粉体的制备与表征方法参考文献［18］方法制备二胺缩水杨醛西佛碱铜配合物：灰蓝色乙二胺缩水杨醛西佛碱铜配合物（编号add1）、绿色1，6-己二胺缩水杨醛西佛碱铜配合物（编号add2）、紫红色1，2-环己二胺缩水杨醛西佛碱铜配合物（编号add3）、棕色邻苯二胺缩水杨醛西佛碱铜配合物（编号add4）。分别用DSC、UV、IR、1HNMR表征其结构，如图1所示。参考文献［19］中方法制备纳米级乙二胺缩水杨醛西佛碱铜配合物（代号：nano-add1），量取50 mL无水乙醇为溶剂，称取2.68 g （0.01 mol） 乙二胺缩水杨醛Schiff碱配体和1 g PVP （分子量：10 000），其反应流程如图2所示。采用美国Nicolet公司Impact 420 型傅里叶变换红外光谱仪（Fourier transform infrared spectrometer，FT-IR）和日本JEOL公司JSM5510LV型扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）进行nano-add1的结构和粒径分析。1.2 添加剂改性UHMWPE的往复摩擦磨损试验及表征方法采用自行研制的往复摩擦磨损试验机评价二胺缩水杨醛西佛碱铜配合物改性UHMWPE/Ti6Al4V 摩擦副的摩擦磨损性能，参考文献［20］进行参数设置和试验操作。上试样分别采用纯UHMWPE（Mr=200万，粒径为30 μm～39 μm）粉末、含15%（质量分数）add1、含15% add2、含15% add3、含15% add4、含5% add1 和5% nano-add1改性UHMWPE粉末，经模压成型、机械加工成被测样品；下试样材料为钛合金（Ti6Al4V），试验以小牛血清去离子水溶液（已消毒，体积分数为25%）作为上、下试样对磨的润滑液。采用法国Stil公司Micromesure2型白光共焦三维轮廓仪（confocal white light microscope，CWLM）测定磨损表面三维形貌。2 结果与讨论2.1 添加剂分子烃基结构对改性UHMWPE摩擦磨损性能的影响纯UHMWPE与含15%添加剂改性UHMWPE摩擦系数随时间的变化如图3所示，所有含15%二胺类缩水杨醛西佛碱铜配合物的改性UHMWPE与钛合金配副的摩擦系数均呈降低的趋势，其中以15% add1的加入最能使改性UHMWPE/Ti6Al4V摩擦副的摩擦系数最小值大幅下降，它较之纯UHMWPE/Ti6Al4V摩擦副降低27%，减摩效果最好。分析了二胺类缩水杨醛西佛碱铜配合物中R基团的结构，结果表明R基团结构因素对摩擦学改性活性的影响规律是，基团越小改性活性越高，同碳原子数的开链烃基优于环烃基，而芳环最无优势；即在4种二胺类缩水杨醛西佛碱铜配合物中，R基团最小的乙二胺缩水杨醛西佛碱铜配合物的摩擦学改性活性最高。2.2 添加剂颗粒尺寸对改性UHMWPE摩擦磨损性能的影响由图4（a）可见普通add1为10 μm直径的不规则片状结晶，由图4（b）可见制备的nano-add1为粒径小于100 nm的规则菱形片晶。普通5%add1改性UHMWPE试样的磨痕表面形貌三维图像如图5（a）所示，表面因磨损形成无数不规则形状、深浅不一的坑洞；5% nano-add1改性UHMWPE试样的磨痕表面形貌三维图像如图5（b）所示，添加纳米添加剂后其表面磨损较轻，仍然保持规律的机械加工纹路。3 结 语以发展新型人工关节材料为背景，深入研究在小牛血清边界润滑条件下西佛碱铜配合物改性UHMWPE与钛合金配副的往复摩擦磨损行为，得出如下结论：1）二胺类缩水杨醛西佛碱铜配合物中R基团的结构对摩擦学改性活性的影响规律是，基团越小改性活性越高，R基团最小的乙二胺缩水杨醛西佛碱铜配合物的摩擦学改性活性最高。2）成功制备出稳定分散的乙二胺缩水杨醛西佛碱铜配合物纳米粉体，在改性添加剂低用量（5%）情况下，对于减少改性UHMWPE的磨损，纳米级乙二胺缩水杨醛西佛碱铜配合物粉体比微米级添加剂效果更加显著。3）添加剂的分子结构和颗粒尺寸会综合影响改性材料的性能，含5%纳米乙二胺缩水杨醛西佛碱铜配合物的改性UHMWPE有望成为新型人工关节材料。