聚醚醚酮/羟基磷灰石复合粉末的制备及性能研究

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羟基磷灰石(HA)作为人体骨组织结构中的重要无机成分,具有十分优异的生物相容性和骨传导性,是极具潜力的硬组织修复材料。但HA自身难以直接成型,强度低,难以直接用作承重骨组织修复材料。聚醚醚酮(PEEK)是一种半结晶型的热塑性高分子,具有十分优异的稳定性和力学性能,对人体无毒无害。将两者复合能综合其优势,制备高强度高生物活性的复合材料。选择性激光烧结(SLS)作为一种3D打印技术,对成型具有个性化复杂形状和孔隙结构的人工替代骨,具有独特的优势,因而开发满足SLS成型工艺要求和骨材料性能要求的复合粉末烧结材料具有重要的科学意义和应用价值。本文对PEEK的热老化性能进行研究,考察了不同抗氧剂对PEEK热氧稳定性及力学性能的影响,通过红外光谱检测对PEEK热氧老化机理作出推断,结果表明:抗氧剂2921T和TiO2能够降低PEEK高温下的黄变。加入抗氧剂后,老化材料的拉伸强度和冲击强度未出现大幅度的变化。在250℃条件下,以水、乙醇、环丁砜、乙醇水溶液(质量比1:1)对PEEK进行高温高压处理,研究表明乙醇为溶剂,即体系压力达5.8MPa时,对粉末的表观密度,颗粒形貌影响最为显著,处理后的粉末表观密度增加,形貌变得规整,同时出现很多十几微米的小尺寸PEEK,此种形貌特征的PEEK能增加粉末的流动性,增加成型制品的致密化,有利于SLS成型。以Ca(NO3)2和(NH4)2HPO4为前驱体,在pH为11-13条件下,采用化学沉淀法制备了纳米羟基磷灰石。采用X射线衍射,傅里叶红外光谱,扫描电子显微镜对粉末样品进行表征。结果表明:制备出的纳米羟基磷灰石为球状,结晶度为83.5%,平均尺寸为79nm。采用硬脂酸对自制的纳米羟基磷灰石进行表面改性,同时采用模压成型法成功制备了HA质量分数高至20%的HA/PEEK复合材料,并测定了复合材料的耐热性和力学性能。研究发现:2.5wt%HA的加入对PEEK的结晶并无影响,同时部分提高了复合材料的耐热性能。随着纳米羟基磷灰石质量分数的增加,复合材料的硬度和弯曲模量持续增加。当HA含量低于2.5%时,复合材料的拉伸强度,弯曲强度,维卡软化点,冲击强度随着HA的增加而增加,HA含量高于2.5%后,上述4个参数随HA的增加而降低,HA含量在5%以下时,4个参数均大于纯PEEK,HA含量大于5%后,4个参数急剧下降。HA含量在2.5%时,改性后的HA在基体PEEK中的分散性能较好,同时两相之间产生了较强的界面粘结。采用聚酰亚胺(PI)对HA/PEEK进行共混改性。结果表明:PI的引入能提高PEEK的结晶度同时也大大提高了复合材料的耐热性能。复合材料的拉伸强度,弯曲强度,维卡软化点随着PI含量的增加而增大,在HA/PI/PEEK质量配比为3/10/87时,达最大值,当HA含量大于3%时,上述3个参数随着HA的增加而降低。复合材料的冲击强度随着PI的加入而降低,同时PI的加入则对弯曲模量的影响不大。
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