玄武岩纤维增强玻璃离子水门汀的制备、结构与性能研究

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玻璃离子水门汀(Glass ionomer cement,简称GIC)是一种具有发展潜力的齿科修复材料,广泛应用于牙体缺损修复、龋洞填充、窝沟封闭等方面,但其力学强度较低,只限于牙齿非受力区的使用。为了提高其力学强度,扩大其口腔临床使用范围,本文探索采用综合性能优异且绿色、环保、对人体无毒无害的玄武岩纤维(简称BF)作为GIC的增强材料,系统研究BF的长度、用量及其表面不同的修饰基团对BF增强GIC的力学性能、断裂形貌、耐水老化性能、吸水率和溶解率等的影响,不仅对拓宽GIC齿科修复材料的应用具有重要的临床指导意义,也对推动新型齿科修复材料的研发与应用研究有重要的科学研究价值,并取得以下研究结果:(1)以长度为1 mm、2 mm,含量为3wt.%、5wt.%、7wt.%和9wt.%的BF增强GIC,在BF长度为2 mm、含量为7wt.%时,BF-GIC的力学性能最好,与GIC相比,其弯曲强度、压缩强度和断裂韧性分别提高了58.5%、50.5%、226.3%,弯曲模量没有明显变化;BF-GIC的耐水老化性能比GIC差;GIC呈脆性断裂,BF-GIC呈韧性断裂特征,BF与GIC间有一定的粘结作用,但泡水1个月后粘结作用消失;BF-GIC的吸水率高于GIC,溶解率与GIC相当。(2)以1%、3%、5%和7%的γ-氨丙基三乙氧基硅烷(简称APS)分别对BF进行表面修饰,制备了不同APS含量的APS-BF,并被FT-IR、XPS、SEM、TG证实,其中由5%APS-BF制备的APS-BF-GIC的力学性能最好,与BF-GIC相比,其弯曲强度和断裂韧性分别提高了33.7%、42.7%,但弯曲模量和压缩强度无显著性差异;APS-BF-GIC的耐水老化性能优于BF-GIC;APS-BF与GIC间的粘结作用比BF更强,且在泡水1个月后,APS-BF与GIC间的粘结作用有所减弱但未完全消失;APS-BF-GIC的吸水率与BF-GIC基本相同,溶解率略低于BF-GIC。(3)利用APS-BF表面的-NH2依次与异佛尔酮二异氰酸酯和乙二胺反应,对APS-BF表面进行修饰,制备了含脲基和-NH2的不同代数直链聚脲-胺DIEDA修饰的DIEDA-BF,并被XPS、SEM、TG证实,其中由DIEDA-BF-G1制备的DIEDA-BF-GIC的力学性能最好,与APS-BF-GIC相比,其弯曲强度和断裂韧性分别提高了26.5%、27.1%,但弯曲模量和压缩强度无显著性差异;DIEDA-BF-GIC的耐水老化性能优于APS-BF-GIC;DIEDA-BF与GIC间的粘结作用比APS-BF更强,且在泡水1个月后,其与GIC间的粘结作用有所减弱但仍比APS-BF的好;DIEDA-BF-GIC的吸水率和溶解率小于APS-BF-GIC。(4)利用APS-BF表面的-NH2依次进行-NH2与丙烯酸甲酯的Michael加成反应和酯基与乙二胺的胺解反应,对APS-BF表面进行修饰,制备了含酰胺基团和-NH2的不同代数树枝状PAMAM修饰的PAMAM-BF,并被FT-IR、XPS、SEM、TG证实,其中由PAMAM-BF-G1制备的PAMAM-BF-GIC的力学性能最好,与APS-BF-GIC相比,其弯曲强度和断裂韧性分别提高了37.3%、43.5%,弯曲模量和压缩强度基本相同,无显著性差异;PAMAM-BF-GIC的耐水老化性能优于APS-BF-GIC;PAMAM-BF与GIC间的粘结比APS-BF更强,且在泡水1个月后,其与GIC间仍有较好的粘结作用;PAMAM-BF-GIC的吸水率和溶解率均与APS-BF-GIC相当。(5)增强型GIC的综合性能由好到差的顺序为:PAMAM-BF-GIC>DIEDA-BF-GIC>APS-BF-GIC>BF-GIC,其中,PAMAM-BF-GIC的弯曲强度已达到ISO 4049:2019标准规定的口腔咬合区修复材料的弯曲强度要求(不低于80MPa),APS-BF-GIC和DIEDA-BF-GIC的弯曲强度已达到ISO 4049:2019标准规定的树脂基修复材料的弯曲强度要求(不低于50MPa),且4种增强型GIC的断裂韧性均与牙体的断裂韧性相当。
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