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
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
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
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
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
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
4/34
Celuloza & amidonul
Celuloza
75-80% Amilopectina + 20-25% amiloza = amidon
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
5/34
Chitina & chitosanul
Chitina
Achirurgical
Ajutvindecarea rnilorObinerea materialelorcompozite
Chitosanul
Agent hemostaticHipoalergicAntibacterial
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
6/34
Colagen
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
7/34
Fibrele KEVLAR
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
8/34
Alcool polivinilic
PVAc PVA
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
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
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
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
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
11/34
MC ranforsate cu particule
Proprietile materialelor sunt date de: dimensiunea particulelor;
fracia volumetrica nanoparticulelor distribuia granulometrica a particulelor
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
12/34
MC de tip matrice polimerica ranforsatacu fulerene C60
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
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
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
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
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
15/34
MC Fibroase
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
16/34
MC Fibroase
Utilizarea materialelor compozite de tip material plastic ranforsat
cu fibre la nivelul anului 2002
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
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)
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
18/34
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
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
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
20/34
Aplicaii poteniale ale diverselorbiocompozite
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
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
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
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
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
23/34
Proprietile mecanice ale unormateriale sintetice
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
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
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
25/34
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
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.
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
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
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
28/34
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-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
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
29/34
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-Deosebit de importanta in conditiilesintezei unor compozite de tip polimer-ceramica sau ceramica-ceramica-Se obtin compozite omogene
Dezavantaje-Implica uneori utilizarea unor solventitoxici
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
30/34
Metode generale de sinteza a MC
Amestecare directa Co-precipitare Sinteza sol-gel Sinteza in situu a
nanoparticulelor metalice(NPM) prin reducere
Sinteza in situu a polimeruluiprin reticulare
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
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
31/34
Metode generale de sinteza a MC
Amestecare directa Co-precipitare Sinteza sol-gel Sinteza in situu a
nanoparticulelor metalice prinreducere
Sinteza in situu apolimerului prin reticulare
Depunerea layer by layer Inversia de faza .
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
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
32/34
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-Structura asimetrica, neomogena-Fiecare strat confera anumite proprietati-Grosimea straturilor poate fi indusa prinsinteza
Dezavantaje-Compatibilizarea straturilor
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
33/34
Metode de obtinere ale MC
8/11/2019 Curs 2 - MC Polimer-ceramica
34/34