羟基磷灰石纳米粒子表面改性及其增强HIPS、PP复合材料研究

论文摘要

羟基磷灰石（HAP）具有良好的组织相容性及骨诱导作用,其与聚合物材料有效结合的纳米复合材料作为高承载用移植材料,目前已经广泛应用于生物医用材料等领域。但是,HAP纳米粒子本身极性大且表面能高,容易团聚且与聚合物基体之间的相容性差,这极大地限制了其与生物惰性高分子材料的有机结合。为了有效解决这个问题,可以通过对HAP粒子表面进行改性处理,在其与聚合物之间形成一个过渡相以增加两者之间的界面结合能力与相容性。当前来说,比较低的接枝效率和接枝数量导致改性效果不理想又进一步制约了其进一步发展与应用。表面引发的原子转移自由基聚合（SI-ATRP）反应通过在材料表面形成反应引发点,然后材料的原位引发合适的单体聚合,从而制备成具有活性可控的仅限于材料表面的聚合物膜,并且可以通过调整聚合条件成功调节表面成膜聚合物结构与质量来改善其表面物理化学性能,所以在制备聚合物基纳米复合材料领域得到了广泛的应用。高抗冲聚苯乙烯（HIPS）是一种具有优良力学性能的通用塑料之一,添加有HAP纳米无机粒子能后使其由一种生物惰性材料转变为生物活性材料。聚丙烯（PP）是价格低廉、无毒性、原料来源方便且应用很广泛的常见热塑性树脂之一。但是PP材料由于结晶度比较高而导致其韧性不太好,成型加工时精确度也不高,这都在一定程度上限制了聚丙烯的应用进程。本文中,我们通过表面引发的原子转移自由基聚合反应成功处理纳米羟基磷灰石粒子,该方法可以通过调节投入引发剂与单体的质量比来控制接枝聚合物的数量,然后将化学改性后的粒子与高抗冲聚苯乙烯和聚丙烯聚合物材料溶液共混制备成纳米复合材料,有效地增强了有机相与无机相之间的界面结合能力,并起到了纳米增强增韧的效果。论文开展工作主要如下：首先,采用共沉淀法成功合成纳米HAP粒子,然后通过表面羟基与α-溴代异丁酰溴反应,得到可以表面引发ATRP的引发剂（HAP-Br）。通过傅里叶红外光谱仪（FT-IR）、热失重分析仪（TGA）及透射电子显微镜（TEM）等方法对其进行了初步表征。其次,,将HAP-Br引发苯乙烯（St）的SI-ATRP聚合,成功在粒子表面接枝聚合物柔性链分子,制备出可以有效控制接枝聚合物效率和数量的改性HAP粒子（HAP-PS）,并通过FT-IR、TGA和TEM等对HAP-PS进行测试表征。第三,通过溶液共混的方法实现改性纳米HAP粒子在HIPS的均匀分散,制备成为综合性能优良的纳米复合材料（HAP-PS/HIPS）,并通过差示扫描量热仪（DSC）、扫描电子显微镜（SEM）以及其他测试等方法进行表征。最后,通过溶液共混将HAP-PS纳米粒子与PP混合制备成HAP-PS/PP纳米复合材料,实现了改性纳米HAP粒子在PP的均匀分散,并采用SEM、DSC、偏光显微镜（POM）、先进流变扩展系统（ARES）以及其他测试方法对材料性能进行了测试表征。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米羟基磷灰石概述
• 1.2.1 纳米羟基磷灰石
• 1.2.2 纳米羟基磷灰石的制备
• 1.2.3 纳米羟基磷灰石/聚合物纳米复合材料
• 1.2.4 纳米羟基磷灰石的表面改性研究
• 1.3 原子转移自由基聚合
• 1.3.1 原子转移自由基聚合的概况
• 1.3.2 原子转移自由基聚合的机理
• 1.3.3 原子转移自由基聚合的反应体系
• 1.3.4 原子转移自由基聚合制备纳米复合材料
• 1.3.5 表面引发的原子转移自由基聚合
• 1.4 表面改性的HAP制备纳米复合材料的研究进展
• 1.4.1 高抗冲聚苯乙烯及其改性研究进展
• 1.4.2 聚丙烯及其改性研究进展
• 1.4.3 改性HAP在纳米复合材料领域的应用
• 1.5 本课题研究的主要内容
• 1.5.1 本课题提出的背景及主要意义
• 1.5.2 本课题开展的主要工作
• 第2章 纳米羟基磷灰石粒子的制备及其表面功能化
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原料及试剂
• 2.2.2 实验试剂与原料的纯化及制备
• 2.2.3 共沉淀法制备羟基磷灰石纳米粒了
• 2.2.4 纳米羟基磷灰石粒子表面化学键接ATRP引发剂
• 2.2.5 纳米羟基磷灰石粒子表面官能团化
• 2.2.6 祛除ATRP催化剂及铜离子的污染
• 2.2.7 表征手段
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 溴化羟基磷灰石纳米粒子及官能团化纳米羟基磷灰石的表征
• 2.3.2 羟基磷灰石纳米粒子及官能团化纳米羟基磷灰石的热失重分析
• 2.3.3 羟基磷灰石纳米粒子及官能团化纳米羟基磷灰石的形貌表征
• 2.4 本章小结
• 第3章 官能团化HAP增强HIPS复合材料的制备及其性能测试
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料及试剂
• 3.2.2 HAP/HIPS纳米复合材料的制备
• 3.2.3 HAP/HIPS纳米复合材料的成型工艺
• 3.2.4 HAP/HIPS纳米复合材料的测试方法及其性能表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 HAP/HIPS纳米复合材料的热性能分析
• 3.3.2 HAP/HIPS纳米复合材料的拉伸性能测试
• 3.3.3 HAP/HIPS纳米复合材料的抗弯曲性能测试
• 3.3.4 HAP/HIPS纳米复合材料的表面扫描电镜观察与分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 官能团化HAP增强PP纳米复合材料的制备及其性能测试
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验原料及试剂
• 4.2.2 HAP/PP纳米复合材料的制备
• 4.2.3 HAP/PP纳米复合材料的成型工艺
• 4.2.4 HAP/PP纳米复合材料测试所用仪器及其表征方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 HAP/PP纳米复合材料的热性能分析
• 4.3.2 HAP/PP纳米复合材料的拉伸性能测试
• 4.3.3 HAP/PP纳米复合材料的抗弯曲性能测试
• 4.3.4 HAP/PP纳米复合材料的流变学性能测试
• 4.3.5 HAP/PP纳米复合材料的表面扫描电镜观察与分析
• 4.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士学位期间发表论文情况