碳納米管的功能化及其對(duì)PMMA骨水泥熱學(xué)和力學(xué)性能影響的研究分析.pdf

1、PMMA骨水泥是由粉末狀的聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)和液態(tài)單質(zhì)的甲基丙烯酸甲酯(MMA)發(fā)生聚合反應(yīng)生成的一種高分子共聚物。PMMA骨水泥能牢固的固定人工移植體，并具有良好的手術(shù)可操作性，因此被看作是髖關(guān)節(jié)置換、膝關(guān)節(jié)置換及牙科等手術(shù)的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”。但是，PMMA骨水泥的抗拉強(qiáng)度(24～50MPa)遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度(73～120MPa)，導(dǎo)致骨水泥在承受較大荷載時(shí)容易出現(xiàn)脆性斷裂。在循環(huán)荷載下，PMMA骨水泥殼與宿主骨的界面，或者骨水

2、泥殼與移植體的界面，容易產(chǎn)生疲勞裂紋，引起疲勞性斷裂。同時(shí)，PMMA骨水泥的聚合反應(yīng)是一個(gè)高發(fā)熱反應(yīng)，平均每克甲基丙烯酸甲酯(MMA)釋放大約554焦耳的熱量，局部溫度高達(dá)80～120℃，比人體正常的許可溫度(50～60℃)高出30～40℃，容易造成骨水泥附近的人體組織的熱壞死。碳納米管(CNT)擁有優(yōu)異的物理和力學(xué)性能而被認(rèn)為是復(fù)合材料的理想增強(qiáng)相，已成為當(dāng)前最吸引科學(xué)界眼球的材料。CNT能賦予復(fù)合材料許多新的功能，可以很好的代替碳纖

3、維等傳統(tǒng)材料，充當(dāng)骨水泥材料的增強(qiáng)體，發(fā)展成具有導(dǎo)熱性良好、抗彎以及耐疲勞等多項(xiàng)功能的碳納米管/骨水泥(CNT/PMMA)復(fù)合材料。但是，碳納米管間的范德華力使得碳管極易團(tuán)聚纏繞在一起，不容易被均勻分散在骨水泥基體中，影響了與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度，嚴(yán)重的限制了碳納米管優(yōu)異性能的發(fā)揮。如何將CNT均勻的分散到骨水泥基體中，成為首先要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　本文首先采用UV/Fenton3步純化法清除原始碳管攜帶的無(wú)定型碳和催化劑等雜質(zhì)，

4、然后采用綠色的功能化方法對(duì)碳納米管進(jìn)行修飾改性，即利用葡萄糖水熱處理過(guò)程中形成的芳香族化合物成功的在碳納米管的表面織上了一層納米尺度的包覆層，改變了傳統(tǒng)的聚合物單體的方法來(lái)對(duì)碳納米管進(jìn)行功能化。經(jīng)過(guò)拉曼光譜表征，水熱處理后的碳納米管在1580cm-1處表現(xiàn)出特征強(qiáng)峰，證明碳納米管的結(jié)構(gòu)并未受到破壞。經(jīng)傅里葉紅外光譜表征，在碳納米管紅外光譜圖上的1211 cm-1處、1601 cm-1處和1736 cm-1處均表現(xiàn)出強(qiáng)峰，分別代表碳納米管

5、表面成功的攜帶上了羥基(-OH)，羰基(＞C=0)和羧基(-COOH)等功能性官能團(tuán)。通過(guò)Origin9.0和XPSPEAK4.1軟件對(duì)功能化前后碳納米管表面的C元素和O元素的XPS精細(xì)譜圖進(jìn)行分峰處理，可以判斷碳納米管表面的C1s峰被分為五個(gè)峰，分別為C1～C5峰，其中C3峰(286.2eV)歸屬為羥基，C4峰(287.5eV)歸屬為酮羰基，C5峰(289.4 eV)為歸屬為羧基。碳納米管表面的O1s峰分為O1～O3三個(gè)峰，其中，O1

6、(531.5 eV)可歸屬為醌或酮羰基，O2(532.6 eV)可歸屬為酯或酸酐中的O-C=O基團(tuán)，而O3(533.7eV)可歸屬為醚或酚中的C-O基團(tuán)，結(jié)果表明CNT經(jīng)葡萄糖水熱法處理后，在其管壁上成功的枝接上了羥基，羰基和羧基等功能性官能團(tuán)。通過(guò)TEM透射電鏡掃描的圖像，可以測(cè)得碳管表面成功的被織上了一層12nm～22nm厚的親水性的碳包覆層。
　　采用超聲波震蕩的方法將功能化的碳納米管與MMA溶液混合均勻后，加入PMMA粉末

7、以及BPO和DMPT等催化劑，發(fā)生聚合反應(yīng)生成CNT/PMMA骨水泥。根據(jù)丙烯酸骨水泥的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO-5833-2002的規(guī)定，測(cè)定了骨水泥在摻入碳管后的聚合最高溫度、熱壞死系數(shù)、固化時(shí)間和導(dǎo)熱系數(shù)等熱學(xué)性能參數(shù)。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析（檢驗(yàn)假設(shè)α=0.01），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:碳納米管能極大的改善骨水泥的熱學(xué)性能。
　　根據(jù)ASTM E399-06和ASTM F2118-01a的規(guī)范要求，對(duì)骨水泥的抗壓、抗彎、斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度進(jìn)

8、行了測(cè)試，并借助于威布爾(Weibull)3參數(shù)分析方法對(duì)骨水泥的疲勞壽命建立了預(yù)測(cè)模型。對(duì)Paris公式進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)行了帶有預(yù)制裂紋的CNT/PMMA復(fù)合骨水泥彎曲疲勞試驗(yàn)，得出疲勞裂紋擴(kuò)展的重要參數(shù)C、m值，研究了摻加碳納米管后骨水泥的疲勞裂紋的擴(kuò)展規(guī)律。
　　力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)摻加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3％的的碳管后，跟標(biāo)準(zhǔn)試件（未摻加碳管的骨水泥）相比，CNT/PMMA骨水泥的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較小，但是抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和疲勞壽命均有