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2021-09


不同长度CF/PEEK复合材料润湿性及摩擦学性能研究进展
点击量:1089 关键词:聚泰新材料 发布者:
  作为一种医用植入体材料,PEEK应具备较高的生物活性,以使其能与骨骼更好地结合,但PEEK属于生物惰性材料,限制了其在临床的应用。因此,提高材料的表面活性成为有待解决的问题。材料的表面润湿性可以决定其生物活性,而接触角是物体表面润湿性的直接表征方式,接触角越小,润湿性越好,生物活性就越高。
  Ajami等[1]进行了碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料接触角的测量,通过研究材料表面润湿性进而探究表面活性。因此,测量材料表面接触角对于研究材料生物活性十分重要。
  除了具有较高的生物活性外,PEEK在植入体内后还应具有较长的使用寿命,这就要求PEEK应具有较强的耐磨性。但是,纯PEEK的摩擦系数较高,耐磨性较差,不能满足临床需求[2]。为了提高PEEK的摩擦学性能,可向PEEK中加入CF。Chen等[3]研究了CF/PEEK复合材料的摩擦磨损性能,结果显示,CF的加入显著地提高了复合材料的摩擦磨损性能。
  但目前,CF的长度对PEEK材料摩擦学性能影响的研究报道很少。Cui等[4]人通过向PEEK中加入质量分数为25%的不同长度的CF,测量材料的接触角,并进行摩擦磨损性能实验,以探究其表面润湿性和摩擦学性能。研究如下文:
  图1、0CF、S-25CF和L-25CF接触角比较
  PEEK和CF/PEEK复合材料的水接触角如图所示,由图可见,0CF、S-25CF和L-25CF材料的接触角分别为72.61°±2.85°、75.56°±0.25°和79.27°±1.03°,呈现出逐渐增加的趋势,说明加入碳纤维后,复合材料的接触角增大,疏水性增加。这是 因为碳纤维本身具有疏水性,加入到PEEK基质后 使复合材料变得疏水。本实验中L-25CF接触角高于S-25CF,说明碳纤维越长,接触角越高。也就是说,PEEK复合材料接触角的大小与是否加入碳纤维及碳纤维的长度相关:加入碳纤维后复合材料接触角增大;而在碳纤维质量分数相同的情况下,碳纤维的长度越长,复合材料的接触角越大。
  图2 0CF、S-25CF和L-25CF摩擦系数随时间的变化曲线
  从图2中可以看出,在实验前40min内,L-CF的摩擦系数低于S-25CF,说明碳纤维长度对材料的摩擦学性能有显著影响。短碳纤维长度较短,在PEEK基质中呈现随机曲线排列,纤维间连接点较少,无法形成完整的框架,容易出现摩擦面孔隙,使得磨损系数升高;长碳纤维长度较长,随着长度的增加,纤维排列趋向平行于摩擦面方向,纤维之间连接点增多,形成平行于摩擦面的稳定的框架结构,从而使材料能够保持摩擦面形貌特征的稳定。
  为了进一步评估材料的摩擦学性能,又对材料进行了摩擦宽度、深度的测量和磨损体积的计算,0CF、S-25CF和L-25CF磨损量的比较见表1,从表1中可以看出,0CF的摩擦宽度、深度值较大,分别为543.88μm、9608.12nm;加入碳纤维后,复合材料的摩擦宽度、深度均降低,且长碳纤维比短碳纤维复合材料的摩擦宽度、深度更低,分别比0CF降低了277.61μm、9250.27nm,说明碳纤维可以影响材料的摩擦宽度、深度,纤维越长,影响程度越大。
  比较0CF、S-25CF和L-25CF的润湿性,发现加入碳纤维后CF/PEEK复合材料的接触角增大,且纤维越长,接触角越高;通过摩擦磨损性能实验,分析0CF、S-25CF和L-25CF的摩擦学性能,发现加入碳纤维后,CF/PEEK复合材料的摩擦系数、摩擦量均降低,耐磨性增强,且纤维越长,耐磨性越好。但在实验中发现,加入碳纤维后,复合材料的接触角增大,材料的润湿性能降低,生物活性降低。因此,如何在保证提高材料摩擦学性能的同时提高生物学性能有待进一步研究。

  参考文献:
  [1] Ajami S , Coathup M J , Khoury J , et al. Augmenting the bioactivity of polyetheretherketone using a novel accelerated neutral atom beam technique[J]. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 2017.
  [2] 姚光督,王文东,沈景凤,等.PTFE微粉/CF改性PEEK复合材料的摩擦磨损性能[J].材料科学与工艺,2018, 26(3):59-65.
  [3] Chen B . Comparative Investigation on the Tribological Behaviors of CF/PEEK Composites under Sea Water Lubrication[J]. Tribology International, 2012, 52.
  [4]崔晓华, 李英, 刘夏青,等. 不同长度CF/PEEK复合材料润湿性及摩擦学性能研究[J]. 化工新型材料, 48(12):4.

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