超高分子量聚乙烯粉末表面接枝丙烯酸及其块体材料的摩擦学性能研究

摘要

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)以其优异的综合机械性能和生物相容性，在骨替代材料的应用中得到越来越广泛的重视。本实验针对目前UHMWPE失效原因，采用紫外光接枝和溶液接枝的方法，在UHMWPE颗粒表面进行接枝处理，然后再热压成型，并对接枝前后的试样的相关性能进行了测试和评价，得到主要结果如下：
　　 1.对接枝后试样进行接枝率测试，结果表明利用紫外光进行的接枝，当光敏剂含量不多时，接枝率随着光敏剂的浓度增大而增大，在浓度为4phr时达到最大值，为5.5％，之后增大光敏剂浓度，接枝率几乎不发生变化。溶液接枝时改变单体丙烯酸的浓度，当丙烯酸浓度为10phr时接枝率最大，继续增大丙烯酸浓度接枝量会减小。
　　 2.未接枝的UHMWPE的润湿角为83-84°，润湿角的变化随接枝率的增大而减小，接枝后的UHMWPE润湿角最低可达34-35°，说明接枝后的UHMWPE亲水性能得到了很大的提高。
　　 3.接枝后的样品硬度都得到了一定提高，溶液接枝的样品硬度最大。通过光接枝的方法，在接枝率为2.16％时，UHMWPE的抗拉强度和断裂延伸率得到了较大的提高，这是由于接枝的极性支链使分子之间的结合力增大，导致抗拉强度增大。而溶液接枝的试样抗拉强度普遍大幅降低，最低只有纯UHMWPE的1/20。
　　 4.接枝的UHMWPE在润滑液下，其初始摩擦系数较高，随着滑行距离增大，摩擦系数不断减小。由于接枝表面存在亲水性极性分子，在润滑液中形成润滑膜，阻止了摩擦副与基体的直接摩擦，从而大大降低了磨损率，紫外光接枝率为3.5％的UHMWPE磨损率仅为未接枝试样的1/4。溶液接枝的UHMWPE虽然具有最低的摩擦系数，但由于接枝过程破坏了聚乙烯原有性能，磨损率最为严重，是未接枝样品的2倍。
　　 5.表面接枝的UHMWPE具有较低的摩擦系数，但随着滑行距离的增大，表面接枝的聚合物层被磨掉，摩擦系数出现上升。而粉末接枝的试样不同，接枝的聚合物存在试样的任何部位，当表层的聚合物层被磨去后，次表层的丙烯酸可以继续形成聚合物刷，保证润滑性能的稳定性和持久性。最后结果表明，经过24h磨损后，粉末接枝的试样磨损率仅为表面接枝的1/2，很好的解决了以往表面聚合物刷不能持久润滑的问题。
　　 6.对磨损表面进行形貌观察，接枝样品的磨损表面较为光滑平整，未接枝的UHMWPE出现大量犁沟和剥落现象，主要是黏附磨损和磨粒磨损所致；接枝的UHMWPE由于聚合物刷的润滑膜作用，磨损表面主要是疲劳磨损。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 引言

1.2对UHMWPE接枝改性研究

1.2.1接枝聚合物

1.2.2常用接枝方法

1.2.3接枝后表面性质

1.3人工关节润滑与磨损

1.3.1 液膜润滑

1.3.2边界润滑

1.3.3混合润滑

1.3.4 UHMWPE的磨损机制研究

1.4本文研究的主要内容及意义

第二章实验与研究方法与样品制备

2.1 实验基本方法

2.2 实验材料及仪器设备

2.3 UHMWPE粉末接枝

2.3.1接枝机理

2.3.2接枝实验

2.4试样制备

2.4.1 实验设备

2.4.2制样机理

2.4.3压制成型方法

第三章 UHMWPE及其接枝聚合物结构分析及性能测试

3.1 红外吸收光谱测试

3.2接枝率测试

3.3 DSC测试

3.4润湿角测试

3.5硬度测试

3.6拉伸性能测试

3.7摩擦磨损性能测试

3.7.1 实验设备及实验条件

3.7.2磨损率的测量

3.7.3磨痕表面形貌观察

第四章 接枝UHMWPE结构分析与讨论

4.1 红外吸收光谱(IR)测试

4.1.1红外光谱介绍

4.1.2实验结果分析

4.2表面形貌观察

4.3接枝率测试

4.3.1接枝率测试方法

4.3.2结果分析

4.4热力学分析测试

4.5润湿角

4.6本章小结

第五章接枝UHMWPE力学性能和摩擦学分析

5.1 硬度测试结果分析

5.2拉伸性能测试

5.2.1.拉伸力学性能结果分析

5.2.2拉伸断口形貌分析

5.3接枝UHMWPE的摩擦磨损性能

5.3.1 引言

5.3.2磨损特征与机理

5.3.3销-盘摩擦实验结果与讨论

5.3.4往复摩擦实验结果与讨论

5.3.5磨损率

5.3.6粉末接枝与表面接枝的摩擦学比较

5.3.7磨损表面形貌观察

5.4本章小结

第六章结论与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致 谢

参考文献