聚碳酸酯型聚氨酯/纳米氧化锌生物医用复合材料的制备及性能研究

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近年来,随着经济发展与人口老龄化,心脑血管疾病发病率也在逐年增高,已经变成世界各地的头号死因。聚碳酸酯型聚氨酯(PCU)由于其具有生物降解速率适宜、耐水解性与抗氧化性良好、机械性能优异等特点,目前已经广泛应用于生物医用领域。为研制出具有抗凝血性能的PCU热塑性弹性体材料,本文设计合成了一系列多嵌段的PCU弹性体及PCU/ZnO复合材料。探究了硬段含量、不同种类和含量的二异氰酸酯以及纳米氧化锌(nano-ZnO)含量等方面对PCU的微相结构与多项性能的影响。主要研究内容和结论如下:(1)以相对分子质量2000的聚六亚甲基碳酸酯二元醇(PHMC diol-2000)为软嵌段,以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和扩链剂1,4-丁二醇(BDO)为硬嵌段,以二月桂酸二丁基锡(DBDTL)为催化剂,以碳酸二甲酯(DMC)为溶剂,通过预聚体法合成了聚碳酸酯型聚氨酯(PCU)。通过红外光谱(IR)、核磁共振氢谱(~1H-NMR)、凝胶渗透色谱(GPC)、X射线衍射(XRD)、差示扫描量热法(DSC)、热重分析(TGA)和拉伸测试等分析了PCU热塑性弹性体的结构与性能,探究了硬段含量对PCU结晶性能、热稳定性能和拉伸性能的影响。XRD和DSC表明当硬段含量低于30%时,具有一定结晶性,熔点T_m随硬段含量的增加而逐渐升高。TGA表明随着硬段含量的降低,其分解温度由334.9℃升至352.3℃,热稳定性有所升高。拉伸测试表明当硬段含量低于30%时,样品均出现屈服现象,其中硬段含量为15%的PCU拉伸强度(42.0 MPa)和断裂伸长率(1167%)均为最高。(2)基于前期(1)研究工作,以PHMC diol-2000为软嵌段,引入六亚甲基二异氰酸酯(HDI),与IPDI和BDO共同构成硬嵌段,通过预聚体法合成了不同IPDI与HDI的物质的量之比的PCU,探究了不同种类和含量的二异氰酸酯对PCU性能的影响。XRD和DSC表明当引入低含量的HDI时,PCU结晶能力最强,随着HDI含量的升高其熔点T_m逐渐降低。TGA表明随着HDI含量的增高,分解温度逐渐升高,热稳定性有所提升,且HDI有利于促进软硬段之间的微相分离。拉伸测试表明,引入低含量HDI的PCU具有一定屈服强度,其拉伸强度为36.0 MPa、断裂伸长率为744%、弹性模量为15.7 MPa,综合性能最优。(3)基于前期(1)研究工作,以PHMC-diol 2000为软嵌段,IPDI和BDO为硬嵌段,采用原位-预聚体法制备了不同含量纳米ZnO的PCU/ZnO复合材料,探究了不同含量nano-ZnO对PCU性能的影响。TGA表明当引入纳米ZnO含量为10~20%时,软硬嵌段之间的微相分离程度增加,随着纳米ZnO含量的下降,PCU分解温度上升,热稳定性有所提升。拉伸测试表明与不含纳米ZnO的PCU相比,纳米ZnO含量为5%的PCU拉伸强度(由36.1 MPa提升至47.4 MPa)和弹性模量(由17.9 MPa提升至114.6 MPa)出现显著提高。
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