摘要本文用浸渍提拉法在经阳极氧化处理后的钛合金表面制备一层生物相容性优异的UHMWPE 润滑膜，再在膜上接枝单体以改善其润湿性及生物摩擦学性能。研究氧化电压、UHMWPE 溶液的浓度、提拉速度等工艺参数对膜层厚度和表面生物摩擦学性能的影响。采用光学显微镜观察膜层微观结构，接触角测量仪评价膜层的润湿性，摩擦磨损机测试UHMWPE 润滑膜的生物摩擦学性能。研究表明:氧化电压为 100V、UHMWPE 粉末质量分数为 2%、提拉速度为 1.9mm/s 时,涂覆膜后样品表面粗糙度最小为 0.339μm，摩擦系数最小约 0.031。涂覆膜后，润湿角增大至 110.9°，接枝能改善润湿性，接枝浓度为 0.5mol/L 时,润湿角下降了 38°。涂覆膜后，摩擦系数由未涂覆膜前的 0.65 降至 0.04 左右，接枝后，摩擦系数在水润滑条件下继续降低至 0.015。30792
毕业论文关键词 超高分子量聚乙烯膜 阳极氧化 枝接改性 摩擦磨损
Title Preparation and tribological properties of a lubricatingUHMWPE film coated onto TiAl4V surface
AbstractIn this study,using dip-coating method to coat a lubricating UHMWPE film ontoTi6A14V surface pretreated with anodic oxidation.Then grafting on the film toimprove its wettability and tribological properties.Exploring how the oxidationvoltage,the concentration of UHMWPE solution,pulling speed and other parameterseffect the thickness and tribological properties of UHMWPE film.Using an opticalmicroscope to observe the microstructure of UHMWPE film，a contact anglemeasurement to evaluate its wettability and a friction and wear tester to evaluatethe tribological properties of it.The results showd that: when the oxidationvoltage is 100V, UHMWPE powder mass fraction is 2 %, pulling rate is 1.9mm / s,the surface roughness after coating UHMWPE film is the lowest (0.339μm), frictioncoefficient is also the lowest (0.031). After coating film, the wetting angleincreased to 110.9 °,grafting can improve the wettability, when the graftingconcentration is 0.5mol / L, the wetting angle decreased for 38 °.After coatingfilm, the friction coefficient decreased from 0.65 to 0.04,after grafting, thefriction coefficient in water-lubricated conditions decreased to 0.015.
Keywords anodic oxidation UHMWPE film grafting modification friction andwear
目次
1引言1
1.1医用钛及钛合金.1
1.2钛合金的表面改性.2
1.3超高分子量聚乙烯.3
1.4接枝改性.4
1.5本课题研究内容.6
2实验过程7
2.1实验材料.7
2.2实验设备.7
2.3实验步骤.8
3结果与讨论12
3.1表面形貌分析.12
3.2表面粗糙度.13
3.3膜层厚度.14
3.4红外光谱分析.15
3.5接触角.16
3.6摩擦磨损分析.18
结论22
致谢23
参考文献24
1 引言人工关节是一种为模拟人体环境而制作的植入性假体，可代替损伤关节，缓解关节疼痛，恢复关节正常功能。近几十年来，随着社会老龄化的加深，患关节疾病的人数逐渐增多，对人工关节材料的需求也日益增多[1]。人工关节材料是医用植入器件，不仅要求生物相容性好，还要有足够好的耐磨性，使其在能够在人体环境中正常工作，同时能使用很长时间而不发生磨损。具有优异生物相容性及摩擦学性能的人工关节材料的应用前景十分广阔。钛合金具有优异的力学性能、良好的生物相容性及耐腐蚀性，但其磨性差和硬度低的缺点，限制其在人工关节领域的发展。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一种高分子聚合物，相对分子质量超过 150 万，耐磨性和生物相容性较好，但其承受载荷的能力明显不如金属。本课题在钛合金表面制备一层超高分子量聚乙烯润滑膜，既克服了钛合金表面耐磨性差的缺陷，同时也使超高分子量聚乙烯的承载能力提高，在此基础上再接枝，可进一步提高膜的润湿性和生物摩擦学性能的水平。该课题目前国内还没有报道过，因此研究价值也比较高。1.1 医用钛及钛合金1.1.1 医用钛合金的发展钛和钛合金因其优秀的生物力学性能、良好的耐腐蚀性和生物相容性，逐步占据了人工关节领域的主导地位。可将医用钛合金的发展分为三个阶段[2-5]：第一阶段以纯钛和 Ti6Al4V合金为主；α+β型合金是第二阶段，以 Ti5A12.5Fe 和 Ti6A17Nb 合金为主要代表；第三阶段是以 Ti13Nb13Zr（β型钛合金）为代表，这类合金具有生物相容性好、弹性模量低的优点。纯钛在人体环境中具有较好的抗腐蚀性能，却有比较差的承载能力和耐磨性。相比之下，钛合金具有更高的强度和加工性能，因此在临床上使用更为广泛。1.1.2 医用钛合金的不足由于钛合金拥有优越的性能，使其在生物医学领域应用广泛，发展也很快。尽管如此，目前研发出来的钛合金仍存在许多缺陷，所以需要进一步完善。总体来说，钛合金的不足之处可以概括为下面三个方面：（1）耐磨性差。与不锈钢等其他金属材料相比，由于钛合金的摩擦系数大，植入人体后发生的磨损现象会在关节附近产生大量黑色磨屑。磨屑的集聚容易引起无菌松动，继而加速人工关节的失效。（2）生物活性有待提高。钛合金的结构与骨关节相差较大，相对于生物活性材料与骨组织形成的化学结合，通常它是直接在种植体表面形成，因此结合不足够牢固。除此之外，骨组织与钛合金的弹性模量差别悬殊。在人体环境中，钛合金的生物相容性不高，易产生应力集中和骨吸收不良的现象，从而造成人体不适。（3）耐腐蚀性需要提高。尽管在钛合金表面会生成结合牢固、致密的氧化物膜，但在人体环境中，氧化膜有可能溶解，腐蚀的产物进而引起严重的生理病害。以上钛合金的不足之处阻碍了其在生物医学领域的进一步发展和应用。为了提高其与人体关节组织的结合能力、耐蚀性和生物摩擦学性能，对其进行表面改性就显得尤为必要。 钛合金表面超高分子量聚乙烯润滑膜的制备及其摩擦学性能研究:http://www.751com.cn/cailiao/lunwen_26693.html