本文關(guān)鍵詞：PBO纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的制備及性能研究

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【摘要】：研究背景 理想的齒科樁材料必須具備良好的美學(xué)性能和生物相容性能,同時(shí),優(yōu)良的力學(xué)性能也是必不可少的。金屬樁和陶瓷樁因彈性模量遠(yuǎn)大于牙本質(zhì),易造成牙根折裂；纖維樁彈性模量與牙本質(zhì)相似,有效避免了牙折,但現(xiàn)有纖維樁撓曲強(qiáng)度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)金屬樁,在修復(fù)缺損較大的患牙時(shí)易出現(xiàn)樁自身斷裂,同樣導(dǎo)致臨床修復(fù)的失敗。因此,理想的齒科纖維樁材料應(yīng)在保證美學(xué)和生物學(xué)性能的同時(shí),兼?zhèn)渑c牙體匹配的彈性模量及較高的撓曲強(qiáng)度；而改良齒科樁材料的撓曲強(qiáng)度是迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。 通過(guò)改變現(xiàn)有纖維樁中的纖維種類,引入自身性能優(yōu)良的高性能纖維,可有望獲得力學(xué)性能更為優(yōu)良的新型纖維樁材料。臨床上選用的纖維增強(qiáng)相多為碳纖維、玻璃纖維和石英纖維,這幾種纖維自身性能均較普通,一定程度上限制了復(fù)合材料的綜合性能。 高性能聚對(duì)苯撐苯并二嗯唑纖維(PBO纖維)被稱為21世紀(jì)的超級(jí)纖維,其強(qiáng)度和模量在所有有機(jī)纖維中是最優(yōu)秀的。而PBO纖維增強(qiáng)材料也因其綜合性能出色而被廣泛應(yīng)用于航天、國(guó)防及工業(yè)等領(lǐng)域,但目前國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)將PBO纖維用于齒科生物材料的報(bào)道。 研究目的 本研究擬采用高性能PBO纖維作為增強(qiáng)材料,環(huán)氧樹(shù)脂為基體,研制開(kāi)發(fā)齒科用復(fù)合材料；考察PBO纖維不同表面改性方法對(duì)微觀界面及宏觀性能的影響及相應(yīng)機(jī)理；測(cè)定新型材料的生物安全性能及撓曲性能,初步探討PBO纖維作為一種新型纖維增強(qiáng)相被引入齒科領(lǐng)域的可行性。 材料與方法 第一部分 選擇雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂(E-51)作為復(fù)合材料的樹(shù)脂基體,甲基四氫苯酐(MeTHPA)作為固化劑,分別加入兩種不同的固化促進(jìn)劑,即2-乙基-4-甲基咪唑(2,4-EMI)和2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚(DMP-30),得到兩組樹(shù)脂樣品。采用平板凝膠測(cè)試結(jié)合差示掃描量熱法(DSC),對(duì)樹(shù)脂體系的固化工藝進(jìn)行研究,并通過(guò)對(duì)樹(shù)脂澆鑄體力學(xué)及光學(xué)性能的比較確定合適的基體樹(shù)脂體系： 平板凝膠測(cè)試：測(cè)定兩組樹(shù)脂在不同溫度點(diǎn)(80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃)的凝膠化時(shí)間； 差示掃描量熱法(DSC)：在N2氛圍下測(cè)定不同升溫速率(5℃/min、10℃/min、15℃/min)下的DSC曲線； 撓曲性能測(cè)試：參照GB/T2570-1995標(biāo)準(zhǔn),電子力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試樹(shù)脂澆灌體的撓曲性能； 透光率測(cè)定：參照GB/T2410-2008標(biāo)準(zhǔn),透光率霧度儀測(cè)定透光率。 第二部分 采用不同工藝對(duì)PBO纖維進(jìn)行表面改性處理,通過(guò)不同測(cè)試手段(包括SFTS、SEM、IR、XPS、TG和IFSS)對(duì)改性前后纖維的拉伸強(qiáng)度、形貌、成分及表面活性進(jìn)行對(duì)比分析,目的在于尋找合適的表面處理工藝,以獲得如下平衡點(diǎn)：即可以在基本保持PBO纖維自身強(qiáng)度的前提下,改善纖維表面活性及纖維-樹(shù)脂界面結(jié)合力,從而可以更好地指導(dǎo)后期纖維-樹(shù)脂復(fù)合材料的制備： SFTS:參照ASTM D3379-75(R89)標(biāo)準(zhǔn),單纖維電子強(qiáng)力儀上行纖維單絲拉伸強(qiáng)度測(cè)試； SEM：掃描電鏡觀測(cè)纖維表面形貌； IR：紅外光譜儀測(cè)定其表面官能團(tuán)組成； XPS:X射線光電子能譜儀對(duì)試樣表面元素組成進(jìn)行分析； TG：熱重分析儀分析樣品的分解溫度； IFSS:單纖維電子強(qiáng)力儀上測(cè)定單纖維拔出強(qiáng)度。 第三部分 選取第一部分確定的樹(shù)脂體系,采用第二部分的不同表面處理后PBO纖維進(jìn)行復(fù)合材料制備,并對(duì)其撓曲強(qiáng)度及彈性模量進(jìn)行對(duì)比測(cè)定,研究PBO纖維不同表面改性方法對(duì)復(fù)合材料撓曲性能的影響,并探討微觀界面結(jié)合表現(xiàn)與宏觀性能間的聯(lián)系： 撓曲性能測(cè)試：參照GB3356-82標(biāo)準(zhǔn),電子力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試復(fù)合材料的撓曲性能。 第四部分 通過(guò)體外細(xì)胞毒性試驗(yàn)(MTT法),根據(jù)GB/T16886.12-2005標(biāo)準(zhǔn),對(duì)PBO纖維-環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的生物安全性進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。 所有數(shù)據(jù)采用SPSS13.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,檢驗(yàn)水準(zhǔn)a=0.05。 結(jié)果 1.選用2,4-EMI和DMP-30獲得兩組樹(shù)脂澆鑄體,撓曲強(qiáng)度分別為98.09±17.87MPa和102.26±18.14MPa,彎曲模量分別為3.37±0.13GPa和3.42±0.21GPa,組間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P＞0.05)。DMP-30組固化溫度較低,固化工藝更簡(jiǎn)單,黃變程度更小。 2.對(duì)PBO采用不同表面改性處理后,單絲纖維的拉伸強(qiáng)度結(jié)果顯示：組間并無(wú)顯著性差異(P＞0.05)。 3.對(duì)PBO采用不同表面改性處理后,紅外譜圖結(jié)果顯示：?jiǎn)渭冾A(yù)處理前后譜圖無(wú)明顯差別；經(jīng)過(guò)等離子處理后纖維譜圖與未處理纖維的譜圖最大的差別在3400～3500cm-1間有強(qiáng)吸收峰,而且該峰值非常強(qiáng),成為譜圖上得第一強(qiáng)吸收；相比于未處理譜圖,可以發(fā)現(xiàn)在聯(lián)用等離子和偶聯(lián)劑處理后譜圖上,波數(shù)為2846.50cm-1、1404.98cm-1及1105.52cm-1的吸收峰更為明顯,但單純經(jīng)等離子處理后纖維在相應(yīng)部位的吸收峰較弱,峰值較小。 4.對(duì)PBO采用不同表面改性處理后,熱重分析結(jié)果顯示：預(yù)處理而未經(jīng)表面處理后的PBO纖維在606℃左右開(kāi)始分解；經(jīng)過(guò)Z-6040處理后的PBO纖維分解的溫度沒(méi)有明顯改變；而經(jīng)過(guò)等離子處理及等離子結(jié)合偶聯(lián)劑處理后的PBO纖維,分解溫度提高至622℃左右。 5.對(duì)PBO采用不同表面改性處理后,IFSS結(jié)果顯示：六組總體均數(shù)的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)；q檢驗(yàn)顯示：偶聯(lián)劑+等離子處理組獲得的纖維單絲拔出強(qiáng)度值高于其它組(P＜0.05),為11.19±0.59MPa；其次為等離子+偶聯(lián)劑處理組,強(qiáng)度值為9.01±0.56MPa；其余四組組間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P＞0.05)。 6.對(duì)PBO采用不同表面改性處理后,SEM觀察發(fā)現(xiàn)：(A)原始末處理的PBO纖維表面光滑；(B)經(jīng)過(guò)丙酮清洗過(guò)的PBO纖維,偶爾可見(jiàn)縱向裂紋分布；(C)偶聯(lián)劑處理后,PBO纖維表面可見(jiàn)明顯的、附著的小凸起,纖維表面粗糙度增大；(D)等離子處理后的PBO纖維表面未見(jiàn)明顯的粗糙度改變,偶爾可見(jiàn)吸附的雜質(zhì)；(E)偶聯(lián)劑處理+等離子處理,纖維表面可見(jiàn)均勻分布的附著物,粗糙度增大；(F)等離子處理+偶聯(lián)劑處理后纖維,纖維表面粗糙度增大,可見(jiàn)纖維間出現(xiàn)無(wú)縫連接。 7.經(jīng)不同表面處理后,所得復(fù)合材料的彈性模量總體均數(shù)的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)；撓曲強(qiáng)度總體均數(shù)的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。對(duì)組間撓曲強(qiáng)度值進(jìn)行q檢驗(yàn),結(jié)果顯示：等離子+偶聯(lián)劑處理組與偶聯(lián)劑+等離子處理組的撓曲強(qiáng)度分別為531.636±34.880MPa和531.678±47.145MPa,組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05),均顯著高于其他組(P＜0.05)。其余四組組間的差異亦無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P0.05)。 8.體外細(xì)胞毒性試驗(yàn)顯示：PBO纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料細(xì)胞毒級(jí)為1級(jí),為臨床可接受范圍。 結(jié)論 1.不同PBO纖維表面改性方法可獲得表面形貌及化學(xué)成分的改變,改性機(jī)理與物理及化學(xué)結(jié)合的改善均具有相關(guān)性。針對(duì)齒科用雙酚A環(huán)氧-酸酐樹(shù)脂體系,確定PBO纖維的表面改性工藝為：預(yù)處理后,先用Z-6040偶聯(lián)劑改性,然后進(jìn)行等離子改性。 2.復(fù)合材料的微觀界面性能較好時(shí),其相應(yīng)撓曲性能亦表現(xiàn)較好。通過(guò)對(duì)PBO纖維表面進(jìn)行改性,復(fù)合材料的撓曲強(qiáng)度可獲得一定程度地提高,基本可以滿足根管樁材料的強(qiáng)度要求(400MPa),且彈性模量適宜。 3.體外細(xì)胞毒性試驗(yàn)表明,PBO纖維-環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料體外細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)毒級(jí)為1級(jí),屬于臨床可接受范圍,但長(zhǎng)期的生物安全性還需進(jìn)一步動(dòng)物學(xué)實(shí)驗(yàn)及臨床驗(yàn)證。 4.將高性能PBO纖維引入齒科材料的開(kāi)發(fā)具有一定的可行性,但有待進(jìn)一步探索。SEM分析表明,復(fù)合材料的界面結(jié)合改善尚不夠理想�？紤]到現(xiàn)有成型工藝及改性方法的局限性,其性能仍有很大的提高潛力。
【關(guān)鍵詞】：PBO纖維 環(huán)氧樹(shù)脂 復(fù)合材料 表面改性 撓曲強(qiáng)度 生物安全性
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：R783.1
【目錄】：

• 摘要3-8
• ABSTRACT8-14
• 前言14-16
• 第一章 基體樹(shù)脂體系的確定及性能研究16-27
• 第二章 PBO纖維的表面改性工藝確定27-43
• 第三章 PBO纖維樹(shù)脂復(fù)合材料的制備及撓曲性能研究43-53
• 第四章 PBO纖維樹(shù)脂復(fù)合材料的細(xì)胞毒性研究53-58
• 參考文獻(xiàn)58-62
• 全文總結(jié)62-63
• 綜述63-72
• 參考文獻(xiàn)68-72
• 成果72-75
• 附件75-81
• 致謝81-82

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：925476