fMWCNT（碳纤维）与nHA（纳米羟基铝酸钙）的混合增强对超高分子量聚乙烯（UHMWPE）力学性能和摩擦学性能的影响

《Scientific Reports》：The effect of hybrid reinforcement of fMWCNT and nHA to UHMWPE mechanical and tribological properties

　　

摘要

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）因其优异的耐磨性和生物相容性而被广泛用于人工关节。然而，其有限的机械强度和表面硬度仍然是一个挑战，且磨损碎片的产生会缩短植入物的使用寿命。在这项研究中，通过将功能化的多壁碳纳米管（fMWCNTs）与纳米羟基磷灰石（nHA）结合使用作为混合纳米填料（HNF），来增强UHMWPE的机械性能和摩擦学性能。fMWCNTs通过氧化-氨解法制备，FT-IR分析证实其含有羟基、羰基和胺基官能团，这些官能团提高了其与聚合物基体的相容性和结合强度。制备了HNF含量为0.5%至5.0%（重量百分比）的纳米复合材料，并对其拉伸强度、弯曲强度、硬度和耐磨性能进行了表征。实验结果表明，在低至中等载荷下，添加HNF（重量比为1:1）显著改善了所有机械性能，其中3.0%的添加量效果最佳。与纯聚合物相比，该复合材料的拉伸强度、弯曲强度和硬度分别提高了11.6%、12.4%和9.6%。此外，由于填料分布均匀且摩擦膜形成稳定，其比磨损率降低了63.0%，表现出优异的耐磨性。然而，当HNF含量达到5.0%时，由于纳米颗粒聚集，机械性能有所下降，这一点通过FE-SEM图像得到了验证。这些发现表明，fMWCNTs与nHA的混合使用能够协同增强基体的强度、硬度和耐磨性，使这种混合材料成为骨科植入物的潜在候选材料。