改性聚乳酸基复合材料的制备及性能预测
本文关键词:改性聚乳酸基复合材料的制备及性能预测
【摘要】:骨修复复合材料已成为生物医用复合材料领域研究的热点之一。目前常用的修复方法,异体骨移植存在免疫排斥问题、自体骨移植存在来源困难的困境,而用金属材质骨材料作为骨修复材料时容易出现“应力遮挡效应”等问题。因此,研发出既能满足骨修复力学性能上的要求,又具有生物活性,能够在体内降解与吸收,避免二次手术等特点的骨修复材料必然成为骨修复领域研究的重点。以具有生物活性的无机粒子和聚乳酸为基体,以碳纤维为基体的增强体,制备出碳纤维增强聚乳酸/无机粒子复合材料。该复合材料具有高强度,良好生物活性、以及可降解性的特点,有望成为满足临床骨修复要求的一种新型骨修复材料。以JMXRJ作为改性剂,通过溶液共混法,分别对聚乳酸(PLA)及无机粒子进行表面改性处理,制备出PLA/无机粒子复合材料。利用FTIR对改性前后的PLA及无机粒子进行化学结构变化进行分析;通过DSC研究了JMXRJ及无机粒子对PLA热性能的影响;用接触角测试仪对PLA及不同含量JMXRJ改性PLA材料进行亲水性能分析;利用XRD研究了无机粒子对JMXRJ/PLA材料结晶度的影响;研究了不同配比JMXRJ、无机粒子对PLA材料力学性能的影响,最终确定JMXRJ/PLA/无机粒子的含量配比为5/100/10时,复合材料的力学性能较好;用偏光显微镜观察了不同温度下PLA、JMXRJ/PLA及JMXRJ/PLA/无机粒子等温结晶20min后晶体的形貌变化。利用BP神经网络预测了材料在非等温冷结晶时不同的降温速率下的相对结晶度,对结晶性能的研究具有重要的参考意义。在上述的基础之上,选用0°与90°交替的方式铺层预浸料,成型工艺为:材料在10MPa的压力下冷压30min后,然后在热压温度为145℃,压力为13MPa,热压时间为1.5h,热压材料后冷压至室温。制备出的CF/PLA/无机粒子复合材料层压板的弯曲强度为312.74MPa,弯曲模量为9.0233×104MPa,冲击强度为143.47KJ/m2,完全满足人体骨骼对力学强度的要求。以模拟体液为介质,对所制备的CF/PLA/无机粒子复合材料的降解性能进行研究。实验条件为37±1℃,实验周期为15周,对复合材料的性能进行测试分析。随着实验周期的延长,CF/PLA/无机粒子复合材料的力学性能及基体中PLA的相对分子质量不断减小,但是无机粒子的加入抑制了PLA的自催化作用,使降解速率得到减小;复合材料的质量损失率与体积变化率均随着时间的延长而逐渐增加,而浸泡介质的PH值稳定在人体酸度所允许的变化范围内,在降解15周后材料的弯曲强度仍达到170.875MPa。为模拟人体中水分对骨植入材料性能的影响,分别建立Fick模型以及BP人工神经网络模型对复合材料在模拟体液中的吸湿量随时间变化曲线进行研究;复合材料的吸湿行为符合单相Fick吸湿模型,同时,利用BP网络可以预测任意时刻材料的吸湿量,为研究材料的性能提供了一条新思路。
【关键词】:聚乳酸 复合材料 降解 吸湿性 预测
【学位授予单位】:中北大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TB33
【目录】:
- 摘要4-6
- ABSTRACT6-11
- 第一章 绪论11-21
- 1.1 骨修复材料概论11-12
- 1.2 骨修复材料的类别及研究现状12-16
- 1.2.1 PLGA及PGA在生物医用材料中的应用12-13
- 1.2.2 聚乳酸材料的研究现状13-14
- 1.2.3 羟基磷灰石及磷酸三钙陶瓷材料研究现状14-16
- 1.3 聚乳酸基复合材料在骨修复领域中的应用16
- 1.4 复合材料吸湿机理及模型建立16-19
- 1.5 本论文的研究背景意义19-20
- 1.6 本论文的内容及创新之处20-21
- 第二章 聚乳酸改性及结晶性能预测21-36
- 2.1 引言21-22
- 2.2 实验部分22-24
- 2.2.1 实验所需的药品及仪器设备22-23
- 2.2.2 样品制备23-24
- 2.3 性能测试与表征24-25
- 2.4 结果与分析25-31
- 2.4.1 材料的FTIR分析25
- 2.4.2 JMXRJ对聚乳酸亲水性能的影响25-27
- 2.4.3 JMXRJ改性PLA力学性能的变化27-28
- 2.4.4 JMXRJ改性PLA的DSC热分析28-29
- 2.4.5 JMXRJ改性PLA的偏光显微镜分析29-31
- 2.5 JMXRJ改性PLA材料结晶性能分析及预测31-34
- 2.6 本章小结34-36
- 第三章 纳米粒子改性聚乳酸复合材料的制备与结晶性能预测36-51
- 3.1 引言36-37
- 3.2 实验部分37-38
- 3.2.1 实验所需的药品及仪器设备37-38
- 3.2.2 原料的初步处理38
- 3.2.3 JMXRJ/PLA材料及JMXRJ/PLA/无机粒子材料的制备38
- 3.3 性能测试与表征38-39
- 3.4 结果与分析39-44
- 3.4.1 复合材料的FTIR分析39-40
- 3.4.2 力学性能测试分析40-41
- 3.4.3 无机粒子对JMXRJ/PLA材料的热性能的影响41-42
- 3.4.4 无机粒子对JMXRJ/PLA材料球晶形貌的影响42-43
- 3.4.5 无机粒子对JMXRJ/PLA材料的结晶性能的影响43-44
- 3.5 JMXRJ/PLA /inorganic particles材料的结晶性能的预测44-47
- 3.6 复合材料成型工艺条件的确定47-49
- 3.7 本章小结49-51
- 第四章 聚乳酸基复合材料的降解与吸湿性能预测51-69
- 4.1 引言51-52
- 4.2 实验部分52-54
- 4.2.1 实验原料及实验仪器52-53
- 4.2.2 模拟降解液的配制53-54
- 4.3 材料降解与吸湿性能检测与表征54-57
- 4.4 结果与分析57-68
- 4.4.1 无机粒子对聚乳酸降解分子量的变化影响57-58
- 4.4.2 复合材料的质量损失率变化58-59
- 4.4.3 复合材料的体积变化率59-60
- 4.4.4 浸泡液PH值变化60-61
- 4.4.5 复合材料降解前后化学结构的变化61-63
- 4.4.6 复合材料的力学性能变化63-64
- 4.4.7 浸泡试样对浸泡液的吸湿性测定64-68
- 4.5 本章小结68-69
- 第五章 全文结论与展望69-71
- 参考文献71-78
- 攻读硕士期间发表的论文及取得的研究成果78-79
- 致谢79-80
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