curs 2 - mc polimer-ceramica

8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica

1/34

Materiale compozite pentru medicina

Materiale compozite de tip polimer-ceramic

Sl.dr.ing. Anton FICAI

Universitatea POLITEHNICA din BucurestiFacultatea de Chimie Aplicata si Stiinta Materialelor

Catedra Stiinta si Ingineria Materialelor Oxidice si Nanomateriale

2011-2012


2/34

Clasificarea MC

In funcie de aplicaii:

In funcie de proveniena:

In funcie de natura componentelor:

In funcie de dimensiunea componentelor:

BiomedicaleIndustriale

NaturaleSintetice

M.C. POLIMER/CERAMICAM.C. POLIMER/POLIMERM.C. CERAMICA/CERAMICAM.C. METAL/CERAMICA

M.C. METAL/POLIMER

M.C. nanometriceM.C. micrometrice


3/34

Polimeri uzuali utilizai in obinerea MC

1. polietilena2. poliamide3. polianhidride4. poliamide-enamine5. alcoolul polivinilic6. poliacetatul de vinil7. poliesterii8. acidul poliglicolic

9. acidul polilactic10.-polilactona11. poliortoesteri12. polietilenoxid13. Polifosfazene

1. PolizaharideAmidonulCelulozaChitina2. Proteine

Colagen/gelatinaCazeina, albumina, fibrogenul,

mtasea3. Poliesteri

Esteri ai alcoolilor polihidroxilici4. Ali polimeri

LigninLipideleCauciucul natural

SinteticeNaturale

Polimeri biodegradabili


4/34

Celuloza & amidonul

Celuloza

75-80% Amilopectina + 20-25% amiloza = amidon


5/34

Chitina & chitosanul

Chitina

Achirurgical

Ajutvindecarea rnilorObinerea materialelorcompozite

Chitosanul

Agent hemostaticHipoalergicAntibacterial


6/34

Colagen


7/34

Fibrele KEVLAR


8/34

Alcool polivinilic

PVAc PVA


9/34

In funcie de natura matricei si respectiv faza dispersata(agentul de ranforsare):

Dupnatura matricii:

MC cu matrice metalica (Metal Matrix Composites -MMC): matrice metalica (aluminiu, magneziu, fier, cobalt,cupru) si faza dispersata ceramica (oxizi, carburi) saumetalic (tungsten, molibden).

MC cu matrice Ceramica (Ceramic Matrix Composites- CMC): matrice ceramica si fibre sau pulbere ceramica.

MC cu matrice polimerica (Polymer MatrixComposites - PMC): matrice ceramica termoset

(Poliester nesaturat (UP), Epoxi (EP)) sau termoplastica(Policarbonate (PC), Policlorura de vinil (PVC), Nylon,Polisteren) si faza dispersata sticle, carbon, otel, fibreKevlar.

Clasificarea MC


10/34

Dupnatura agentului de ranforsare MC cu agent de ranforsare pulverulent

MC cu particule dezordonate

MC cu particule lamelare dispuse orientat MC Fibroase

MC ranforsate cu fibre scurte (lungimea fibrelor 100*diametru).

Cu fibre orientate unidirecional. Cu fibre orientate bi- (estura) sau tridimensional.

MC laminate: materialul este stratificat cu orientri diferite intre straturi(multistrat).

Clasificarea MC


11/34

MC ranforsate cu particule

Proprietile materialelor sunt date de: dimensiunea particulelor;

fracia volumetrica nanoparticulelor distribuia granulometrica a particulelor


12/34

MC de tip matrice polimerica ranforsatacu fulerene C60


13/34

MC ranforsate cu particule

MC de tip nanoparticule

SiO2-matrice de aliaj LM6

Imagine SEM nregistrata duptestarea mecanica M.C.

SiO2(20%)-matrice de aliajLM6la 100X mrire

Compoziia chimica aliajului LM6


14/34

MC cu particule (lamelare) dispuse orientat

Imagini SEM ale M.C. 2080Al/SiC10% a) seciune in planul ce conine axa deextrudare si b) perpendicular cu axa extrudrii


15/34

MC Fibroase


16/34

MC Fibroase

Utilizarea materialelor compozite de tip material plastic ranforsat

cu fibre la nivelul anului 2002


17/34

MC Fibroase de tip fibre de

carbon/rina epoxi

a) Imagine SEM caracteristic

compozitelor de tip fibrde carbon/r

ina epoxi si b)

imagine obinutdupruperea datorat uzurii (solicitrilor mecanice)


18/34


19/34

Avantaje/dezavantaje

Costuri: Prototip Producia industriala, de masa

Consolidri pariale Mentenan Durabilitate in timp Timpul de producie Maturitatea tehnologiei

Greutate: Greutate specificmic Distribuia masei

Rezistena mecanicsi tenacitatea:

Rezistena mecanicspecificmare Rezistensi tenacitate anizotrop Rezistena (electro)chimica:

Superioara metalelor si aliajelor Rezistenla coroziune superioara

Dimensiuni: Dimensiunea scalabil funcie de

necesiti

Geometrie special Proprieti de suprafa: Rezistenla mbtrnire Prelucrarea suprafeei ajustata la

necesiti

Proprieti termice: Conductivitate termicsczut Coeficient de expansiune termic

sczut Propriet

i electrice/magnetice:

Rezistenta dielectric mare Nu sunt magnetice Transparente la radar

Proprietile biologice.

Proprietile MC depind foarte mult de modul de procesare


20/34

Aplicaii poteniale ale diverselorbiocompozite


21/34

Cost

Procedura medicala, perioada de aplicare/funcionare

Caracteristicile gazdei: esut, specie, sex, rasa; activitate,

Procesare/fabricare: Reproductibilitate, calitate; sterilizabil; procesabilitate secundara

Tenacitatea; Rezistenta larupere, oboseala,

fisurare, uzura, ocuri,

abraziune

Forma si geometrieCoeficient de dilatare

termica; conductivitatea

electrica; Culoare; Aspect

(estetic); Indice de refracie;

Opacitate si transluciditate

Biofuncionalita-te; Bioineria;

Bioactivitatea;

Biostabilitatea

Comportamentul

la biodegradare

Cerinefuncionale

specifice induse

de aplicaie

Tria interaciilor de

adeziune; Modulul de

ncovoiere; Rezistenta la

ncovoiere

Topologia suprafeei;

Textura; Rugozitatea

AdeziuneAl doilea nivel

interaciile cu

esutul

Modulul de elasticitate;

Raportul POISSON;

Limita de curgere;

Rezistenta la traciune;

Rezistenta la compresiune

Densitate, porozitateCompoziie

chimica (in masa

si de suprafaa)

Primul nivel

proprietile

materialului

Mecanice/structuralefiziceChim/biolog

CaracteristiciFactori


22/34

Proprietile mecanice ale unor esuturi naturale

2.35.6Lentila intraoculara

1.1esut arterial (in direcie transversala)

0.1esut arterial (in direcie longitudinala)

7.60.1-0.2Piele46.5401Tendon

29.5303Ligament

10.4159Fibrocartilaj

27.510.5Cartilaj articularesut

moale

soft

39.311.0Dentina

1084.3Smalt

7.40.4Os spongios5212.8Os cortical (in direcie transversala)

13317.7Os cortical (in direcie longitudinala)esut

tare

hard

Rezistenta la

traciune MPa)

Modulul lui

Young GPa)

esutTip

esut


23/34

Proprietile mecanice ale unormateriale sintetice


24/34

35

35

27.5

6759

61

110

7.675

0.88

0.02

0.5

2.12.55

2.85

3.3

.0082.65

Polimeri

Polietilena (PE)

Poliuretan (PU)

Politetrafluoroetilena (PTFE)

Poliacetal (PA)Polimetilmetacrilat (PMMA)

Polietilen tereftalat

Polieter eter cetona

Cauciuc siliconicPolisulfona

300

820

42

50

380

220

35

95

CeramiceAlumina

Zircona

Biosticla

Hidroxiapatit

586 (MPa)1085

965

58

190 (GPa)280

116

30

Aliaje metalice

Otel inoxidabilAliaj Co-Cr

Aliaj Ti

Amalgam

Rezistenta la tractiuneModulul lui YoungTip material


25/34


26/34

CF-fibre de carbon; C-carbon; GF fibre desticla; KF fibre de

kevlar; PMMA-polimetilmetacrilat; PS-

polisulfona; PP-polipropilena; UHMWPE-

polietilema de masainalta; PLDLA-acid poli-DL-lactic; PLLA acid

poli-L-Lactic; PGA-acidpoliglicolic; PC-

policarbonat; PEEK-polieter eter cetona; HA-

hidroxiapatita; PMA-polimetacrilat; Bis-GMA

bis-fenol A glicidilmetacrilat; PU-poliuretan; PTFE-

politetrafluoroetilena;PET-polietilen tereftalat;PEA-polietilacrilat; SR-

cauciuc siliconic; PELA-bloc copolimer ac lactic-polietilen glicol; LCP-polimer cristal lichid;

PHB-polihidroxubutirate;PEG-polietilecglicol;

PHEMA-poli 2hidroxietilmetacrilat.


27/34

Metode generale de sinteza a MC

Amestecare directa Co-precipitare Sinteza sol-gel Sinteza in situu a

nanoparticulelor metalice prinreducere

Sinteza in situu a polimeruluiprin reticulare

Depunerea layer by layer Inversia de faza

.

Avantaje-Posibilitatea de a lucra cu componentegata sintetizate, prin metode adecvate,la care una dintre componente estelabila;

-Posibilitatea utilizrii fraciei de interes;

-Uurina de a doza componentele

Dezavantaje

-Greuti in dispersare-Exista riscul dezvoltrii unor interacii

slabe intre componente


28/34






.

Avantaje-Sinteza decurge intr-o singura etapa-De obicei se dezvolta interacii maiputernice intre componente dect in

cazul sintezei prin amestecare directa-Avantajoasa in cazul in care condiiilede precipitare nu induc reacii secundarenedorite ale celuilalt/ celorlalicomponeni

-Dispersia este relativ Buna-Compoziia masica poate fi relativ uorindusa de raportul masic alcomponenilor

Dezavantaje-Relativ greu de realizat structuriorientate-Exista riscul de a nu putea dizolvapolimerul in solventul din care trebuie

efectuata precipitarea


29/34






.

Avantaje-Deosebit de importanta in conditiilesintezei unor compozite de tip polimer-ceramica sau ceramica-ceramica-Se obtin compozite omogene

Dezavantaje-Implica uneori utilizarea unor solventitoxici


30/34



nanoparticulelor metalice(NPM) prin reducere


Depunerea layer by layer Inversia de faza .

Avantaje-Sinteza unor particule fine de NPM,matricea actionand ca un inhibitor decrestere;-Posibilitatea obtinerii unor MC cu

continut variabil de NPM;

Dezavantaje-Limitat de stabilitatea chimica acelorlalte componente


31/34




Sinteza in situu apolimerului prin reticulare


Avantaje-nglobarea foarte buna a particulelorceramice/metalice in matricea polimera-Uurina de a doza componentele-Uurina de a obine anumite forme

specifice-Sinteza rapida

Dezavantaje-Greuti in dispersare-Utilizarea unor initiatori de polimerizare-Aplicarea unor campurielectromagnetice; polimerizarea termica


32/34






Avantaje-Structura asimetrica, neomogena-Fiecare strat confera anumite proprietati-Grosimea straturilor poate fi indusa prinsinteza

Dezavantaje-Compatibilizarea straturilor


33/34

Metode de obtinere ale MC


34/34

curs 2 - mc polimer-ceramica

Documents