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第5章医用高分子材料
5.8 几种重要的医用高分子材料 5.8.1 尼龙 尼龙是一类重要的高分子聚合物,一般用重复单元的碳原子数目表示不同类型的尼龙。 尼龙可以通过缩聚反应或开环聚合制得。尼龙分子链之间的氢键作用和高度的结晶性,使得尼龙便于制得性能优良的纤维,它在长度方向有很高的强度。 5.8.2 聚乙烯 聚乙烯是由乙烯(C2H4)构成,聚乙烯的化学式为-(C2H4)n-,其中n标示的是聚乙烯的聚合度。 图5-12 乙烯与聚乙烯化学结构图 乙烯根据分子量和链结构可以把聚乙烯分成: 低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯 性质 低密度 高密度 超高密度 比重/(g/cm3) 0.912-0.925 0.926-0.940 0.941-0.965 抗张强度/MPa 7.59-11.04 11.73-12.46 23.46-25.530 邵氏硬度 D41-D46 D50-D60 D60-D70 弹性模量/MPa 96.60-262.20 172.50-379.50 414.00-1242.00 表5-2 低、高、超高密度聚乙烯的性质 5.8.3 超高分子量聚乙烯(UHMWPE) 定义:平均分子量在150万以上的线性结构聚乙烯,是一种新型的热塑性工程塑料。UHMWPE是德国Hoechst公司于1958年作为商品最早在世界上出售的。 1. UHMWPE的结构与性能 1)结晶度 当UMHMWPE被降到液态温度以下时,聚乙烯分子链会在C-C结合处发生旋转从而形成链状折叠。链状的折叠使分子形成局部有序结构,这种片状的区域被称为结晶区。这些结晶区嵌在那些不定型的无序组织中,并通过一些连接分子相连。 图5-13 聚乙烯微观结构示意图 结晶区域的程度和取向由很多因素决定,包括分子量、成形过程和环境因素。 结晶区是极其微小的,肉眼不可见,这些结晶散射可见光,让UHMWPE在室温下有一个白色的、不透明的外表。在熔点以上(大约137℃),UHMWPE变得透明。结晶区域的厚度为10-50nm长度为10-50mm,结晶区之间大约为50nm。 UHWMPE的结晶组织可以使用透射电镜放大到16,000倍来观察。染色使无序区域在显微图中呈现灰色,而结晶区呈现带黑色轮廓的白色。可以把UHWMPE看作是无序区和结晶区的互联的网络结构。 图5-14 超高分子量聚乙烯透射电镜照片 2)热转变 聚合物有三个温度转变点:玻璃化转变温度、熔点、粘流温度。 对于UHMWPE玻璃化转变发生在-160℃。当温度升高到熔点以上时,不定型区流动性增加。当UHMWPE的温度升高到60-90℃时,聚合物中的结晶态开始熔化。 UHMWPE的差热分析线表征了UHMWPE的两个关键特征: 差热曲线反映的第一个特征是UHMWPE的熔点。 反映了样本的结晶区域发生熔化所需要的焓的变化。 图5-15 UHMWPE的差热分析结果 优点: ①耐磨损性能非常卓越,砂浆磨损试验表明,比一般碳钢和铜等金属要耐磨数倍、比尼龙耐磨4倍; ②冲击强度极高,比尼龙6和聚丙烯大10倍; ③能吸收震动冲击和防噪声; ④摩擦系数很低,远较尼龙及其他塑料小,具有自润滑作用; ⑤不易粘附异物,滑动时有极优良的抗粘着特性; ⑥耐化学腐蚀,并可屏蔽原子辐射; ⑦工作温度范围可自-265℃到100℃,低温到-195℃时,仍能保持很好的韧性和强度,不致脆裂; ⑧无毒性、无污染、可再循环回收利用,和其他塑料相比有良好的热稳定性和不吸水性,能保持尺寸精度不变形; ⑨成本低廉。 分子量 2.5×106 密度/g·cm-3 0.953 热变形温度/℃ 85 脆化温度/℃ -70 拉伸强度/MPa 34 断裂伸长率/% 350 冲击强度/KJ·m-2 130 热导率/[w/(m·k)] 8.5 表5-3 UHMWPE的物理力学性能 2.UHMWPE的应用 主要是作为工程材料和医用材料使用。 作为工程材料使用时,其在物料运输、设备衬里、各种机械零件等方面的应用具有独特的优势,适于制作农业和建筑机械的零部件。 由于UHMWPE具有优异的生理惰性和生理适应性,故令其成为理想的医用高分子材料。 5-17 由超高分子量聚乙烯生产的各类零件 1)超高分子量聚乙烯应用于关节替换材料 UHMWPE可制成人工心脏瓣膜、矫形外科零件、人工关节髋臼等 2)超高分子量聚乙烯应用于支架材料 UHMWPE 微粒已经被研究作为IL21 基因生长的支架材料。 3)UHMWPE 用于其它医疗领域 血液泵的材料、牙医用材料的填充材料 图5-18 超高分子量聚乙烯人工关节 3. UHMWPE改性与摩擦磨损性能 对UHMWPE的改性主要有化学方法(如共聚、接枝、交联等)及物理方法(如填充、共混、增强等)。 聚合物接枝是由两种不同的高分子以化学键连接而成。表面接枝,包括化
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