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聚酰胺不仅具有良好的力学性能、可加工性,而且具有良好的生物活性。聚酰胺不仅广泛用作工程塑料,近几年来其在纳米生物材料方面的应用也越来越受到重视。己内酰胺的原位水解开环聚合是制备尼龙6基纳米复合材料的十分有效的方法,这是因为预聚合阶段是在高温高压沸腾的水溶液中进行的。本论文在已内酰胺原位水解聚合的工艺上,首次成功制备出几种新型的尼龙6基纳米复合材料,并对这些新型纳米复合材料的性能进行了表征。本论文主要分为以下两部分:
1、纳米羟基磷灰石增强的PA6纳米生物材料
通过在水溶液中合成纳米羟基磷灰石(n-HA),然后在n-HA水淤浆中进行已内酰胺原位水解聚合的方法制备出PA6/n-HA纳米生物材料。采用这种新颖的工艺,可避免n-HA粒子在于燥过程中的严重团聚现象。在复合材料中即使含量高达60w%,n-HA仍然可均匀分散在PA6基体中。研究了PA6/n-HA复合材料的界面相互作用,结果表明少量PA6分子链被接枝到n-HA表面。n-HA对PA6具有较好的增强效果,当n-HA的含量为60w%时,复合材料的力学性能与自然皮质骨具有较好的力学相容性。
在模拟体液中评价了PA6/n-HA纳米复合材料的体外成骨生物活性。结果表明,该生物材料可迅速诱发具有生理活性的羟基磷灰石在其表面沉积,证明该复合材料具有良好的生物活性。利用DSC和TGA研究了n-HA对PA6的结晶性能以及热稳定性的影响,结果表明n-HA使PA6结晶温度上升、过冷度下降、结晶速度增加,并明显提高了PA6的热稳定性。采用红外光谱研究了n-HA对PA6氢键的有序性以及强度的影响,结果表明n-HA使PA6基体的氢键强度下降,有序性降低,这可间接证明在PA6/n-HA体系的界面处n-HA的-OH基团与PA6的酰胺基团之间存在形成了氢键。
2、PA6/Silica纳米复合材料
首次采用已内酰胺与正硅酸乙酯(TEOS)双原位同步水解聚合的方法制备了PA6/Silica纳米复合材料。这种方法的特点是PA6相和无机纳米相的聚合机理相同并且同步生成。通过这种方法,原位生成的二氧化硅纳米粒子不仅均匀的分散在PA6基体中,而且具有独特的介孔结构和超高的比表面积,因而具有更好的增强效果。仅3w%的介孔二氧化硅(MS,Mesoporous silica)可使PA6的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量分别提高27.3%、35.8%、和77.9%,使热变形温度提高55.9℃。研究了MS对PA6的动态力学性能、结晶、氢键和流变性的影响。DSC测试结果表明MS可明显提高PA6的结晶温度、加快结晶速度并有利于Y晶型的形成。DMA测试表明MS对PA6分子链段的松弛行为具有明显的阻碍作用,不仅使主转变温度升高,而且使极性基团对应的次级转变温度升高。流变学测表明填加MS后,复合材料的复合粘度大幅度升高,并表现出明显的剪切变稀行为。
利用变温傅立叶红外转换光谱研究了MS对PA6氢键热稳定性的影响,结果表明随温度的升高,氢键的强度和有序性均下降,但在填加MS后,氢键强度和有序性下降的速度明显下降,这表明MS明显提高PA6氢键的热稳定性。