碳纳米管/羟基磷灰石/聚醚醚酮复合材料的制备及机械性能研究

摘要

聚醚醚酮(PEEK)作为一种新型高分子聚合物，因其优异的耐磨性、化学稳定性、无毒性以及杨氏模量接近人骨模量等优点，是理想的人工关节替换材料，适合长期植入人体；由于其自身的生物相容性和生物活性较差，限制了使用范围。羟基磷灰石(HA)是自然骨无机成分的主要部分，具有良好的生物相容性和生物活性，以及骨传导性；但是纯HA力学性能较差，强度较低，难以承受负荷或冲击，阻碍了其在人体骨组织修复中的应用。所以本文采用将HA与PEEK进行复合制备一种新型复合材料，使两种材料的性能都得到充分发挥。碳纳米管(CNTs)以其优异力学性，也被认为是一种良好的填充材料，可以增强聚合物基体的力学性能。因此本文探究了不同改性MWCNTs和HA对PEEK复合材料的结晶性能、机械性能(冲击、拉伸和热机械性能)和摩擦性能的影响。
　　首先，利用浓硫酸和浓硝酸(体积比为3:1)的混酸，对原始碳纳米管(p-MWCNTs)进行酸化处理，得到酸化碳纳米管(a-MWCNTs)；然后，用对氨基苯磺酸在缩合剂(DCC)作用下，对a-MWCNTs进行进一步表面修饰，得到磺化碳纳米管(s-MWCNTs)。最后，采用热压成型工艺制备不同改性MWCNTs/PEEK、HA/PEEK、m-HA/PEEK、s-MWCNTs/m-HA/PEEK复合材料。研究不同复合材料的形貌、结构、机械性能(冲击、拉伸和热机械性能)和摩擦性能等。具体结果如下：
　　1）通过对MWCNTs依次进行酸化、磺化处理，得到磺化条件为：对于0.3ga-MWCNTs，当DCC用量为0.5 g，反应时间6 h，对氨基苯磺酸用量为0.3 g时，表面接枝率最大。通过FESEM、TG、FT-IR、Raman等分析表明：s-MWCNTs分散较好，没有粘连，堆积松散，MWCNTs的结构并没有发生变化，且增加了MWCNTs在溶剂中的分散性。
　　2）研究不同改性MWCNTs/PEEK复合材料表明，与p-和a-MWCNTs相比，s-MWCNTs在PEEK基体中有良好的分散性；XRD分析结果显示s-MWCNTs/PEEK复合材料的结晶度相对最大；s-MWCNTs/PEEK复合材料冲击强度、拉伸强度、储能模量以及玻璃化转变温度最高；而且s-MWCNTs/PEEK复合材料的摩擦系数最低且稳定。
　　3）对不同改性HA/PEEK复合材料进行分析可得，与HA/PEEK复合材料相比，m-HA在PEEK基体中的分散性较好，结晶度、冲击强度、拉伸强度、储能模量和玻璃化转变温都有所提高。
　　4）由于HA的加入使复合材料的冲击强度和拉伸强度都比PEEK有明显降低，随着s-MWCNTs加入，s-MWCNTs/m-HA/PEEK复合材料的冲击强度、拉伸强度、储能模量以及玻璃化转变温度都比m-HA/PEEK得到改善；并且使复合材料的摩擦系数降低，比纯PEEK降低了10％左右；研究结果表明：s-MWCNTs的加入，提高了复合材料的摩擦性能。

目录

第一章 文献综述

1.1复合材料

1.2聚醚醚酮

1.3羟基磷灰石

1.4碳纳米管

1.5研究目的及内容

第二章 碳纳米管的磺基化修饰

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与谈论

2.4 反应机理探讨

2.5本章小结

第三章 碳纳米管/聚醚醚酮复合材料的制备及机械性能研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第四章 碳纳米管/羟基磷灰石/聚醚醚酮复合材料的制备及机械性能研究

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文及其研究成果