Полимерные композиционные материалы.

Композиты , в которых матрицы служат полимерным материалам.

· Стеклопластики - ПКМ армированные стеклянными волокнами, стеклянные волокна формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы применяют как термоактивные синтетические смолы (фенольные, полиэфирные), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен и т.д.

Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того стеклопластики прозрачны для радиоволн.

Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.

Стеклопластика, достаточно дешевый материал и в следствие этого они нашли очень широкое применение в различных отраслях.

· Углепластики - ПКМ, наполнителем в которых служат углеродные волокна. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков (термореактивные и термопластичные полимеры).

Основными преимуществами углепластиков являются их низкая плотность и более высокий модуль упругости. Имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Хорошо проводит электричество.

Используются в авиации, в ракетостроении, в машиностроении, при производстве медицинской техники, в протезах, спортивного инвентаря.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы - наиболее термостойкие композиты (такие материалы способны выдерживать до 3 тыс. градусов). Углеуглепластики нашил применение при изготовлении высокотемпературных узлов ракетной техники, истребителей, электротермическое оборудование или же в тормозных колодках на самолетах.

· Боропластики - композиты, содержащие .... внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью. Благодаря большой прочности нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (максимальная прочность при сжатии по сравнению с другими волокнами) и большой стойкостью к агрессивным условиям. Но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывают ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того стоимость борных волокон очень высока, это связано с особенностью получения бора. Рабочие температуры для применения как правило не велики, используются в авиационной и космической технике в деталях, подвергающимся длительным нагрузка в условиях агрессивных сред.

· Органопластики - композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические реже - природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат как правило эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а так же полиамиды. Материал содержит 40-70% наполнителя. Органопластики на основе термопластичных полимеров (полиэтилен, поливенилхлорид, полиуретан и т.д.) - содержание наполнителя варьируется более широких пределах от 2-70%.

· Органопластики обладают низкой плотностью (легче стекло- и углепластика), высокой прочностью при растяжении, высоким сопротивлением к удару и динамическим нагрузкам, но в то же время низкой прочностью при сжатии и изгибе. Важную роль в улучшении механических свойств органопластиков играет степень ориентации макромолекул наполнителя.

· Полипарафенилтерефталамин (кевлар). Из него изготавливают бронежилеты и т.п.

· Органопластики находят широкое применение во многих отраслях (авто- и судостроение, электроника, спортинвентарь).

· Полимеры, наполненные порошками.

· Наполнители используют для снижения стоимости, для придания специальных свойств.

· Бекерит - начало XX века (смола бекер + мука). Сейчас применяется разнообразные наполнители как термореактивных, так и термопластичных полимеров, например, карбонад кальция и каолин (белая глина) - дешевые и доступные, используются при изготовлении пластиковых труб, облицовочные плиты.

· Добавление талька в полипропилен. Существенно увеличивает модуль упругости и теплостойкость.\

· Сажа добавляется в резину, в полиэтилен и т.п.

· По-прежнему широко применяется и органические наполнители - древесная мука, молотая скорлупа орехов.

· Текстолиты - слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон.

· Разработан в начале XX века. Обычно ткани пропитывают термореактивным полимером и пресуют под высокой температурой.

· В качестве наполнителя используется ткани из самых разнообразных волокон - хлопковых, синтетических, стекловолокнистых, углеродных, азбестовых и т.д.

· Сейчас из текстолитов формируют не только пластины, но и фигурные изделия.

КМ с металлической матрицей:

· В качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, купрум и т.д.

· Наполнителями служат или высокопрочные волокна, или тугоплавкие, не растворяющиеся в основном металле частицы разных дисперсностей.

· Свойства дисперсно-упрочненных металлических КМ изотропны.

· Добавление 5-10% армирующих наполнителей (тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов) приводит к повышению сопротивляемости матрицы нагрузкам.

· Например, введение хромникелевый сплав тонкодисперсных порошков оксида тория или оксида циркония позволяет увеличить температуру, при которой изделия из этого сплава способны к дисперсной работе (1000-1200⁰С).

· Сплавы алюминия, армирующие волокнами бора, можно эксплуатировать около 500⁰С вместо 250⁰С.

· Керамические и оксидные волокна из-за своей хрупкости не допускают пластмассовую деформацию металла (трудности при изготовлении изделий).

· Такие материалы получают вводя порошок наполнителя в расплавленный металл, пропитыванием пучков волокон расплавленных металлов, электроосаждением, смешиванием с порошком металла и последующим спеканием.

КМ на основе керамики:

Армирование керамических материалов волокнами, а так же металлами и керамическими дисперсными частицами позволяет получить высокопрочные КМ.

Чаще всего используют металлические волокна - сопротивление растяжению растет незначительно, но зато повышается сопротивление тепловым ударам (меньше трескаются при нагреве).

Армирование керамики дисперсными металлическими частицами приводит к новым материалам - керметам - повышается стойкость, устойчивость к тепловым ударам, повышается теплопроводность.

Из керметов изготавливают детали для газовых турбин, арматуру для электропечей, детали для реактивной и ракетной техники, элементы атомных реакторов и т.д.

Керамические КМ получают металлами горячего прессования (таблетирование с последующим спеканием под давлением) или волокна заливаются суспензией матричного материала.

 

Тема №4: "Применение полимеров в сердечно-сосудистой хирургии"

 

Помимо общих требований к полимерным материалам, при использовании их для протезирования клапанов сердца и кровяных сосудов предъявляются специфические требования - они не должны вызывать гематому крови и образование тромбов.

Необходимо прежде всего составить четкое представление о том, какие компоненты крови, каким образом и в какой степени взаимодействуют с полимерным материалом.

Главным вопросом здесь остается процесс гоаголулоляции крови и тромбообразования на поверхности полимеров.

В процессе образования сгустков, основную роль играют тромбоциты.

Для исследований могут быть испытаны разного рода полимеры в виде пленок, листов или даже растворов для образования покрытий.

Биосубстанция, содержатся тромбоциты, может представлять собой свежую кровь или плазму крови.

В 1-ом случае в свежую кровь добавляют гепарин или кислоту. Во 2-ом - плазму получают путем удаления из крови эритроцитов и лейкоцитов.

Взаимодействие эритроцитов с полимером влечет за собой их морфологические изменения, меняется и проницаемость эритроцитарных мембран. Изменение морфологии обнаруживается при помощи микроскопии.

Реакции, протекающие только при участии группы факторов, находящихся внутри кровяных сосудов, называется внутренней коагуляцией, в отличие от свертывания крови, которая происходит при участии тканей вне кровяных сосудов и носит название внешней (тканевой) коагуляцией.

Антикоагулянтные свойства разных материалов оцениваются в серии экспериментов: методом шунтирования артерий и вен, методом введения в вены колец из исследуемого материала.

Для протезирования сосудов применяют полиэфирные волокна (лавсан), волокна из фторированных полимеров, полипропилена. Для протезирования клапанов сердца - кремниеорганические каучуки, полиуретаны, фторопласт-4 и полипропилен.

Проводится большой объем работ по приданию антитромбогенности различным группам полимеров.

Силиконовая резина, полиуретан - наиболее антитромбогенны.

Операции на сердце получили большое распространение. Наиболее сложные из них - восстановительные (для исправления дефектов между полостями сердца с целью восстановления нормального кровообращения).

Часто приходится закрывать отверстия в межпредсердной и межжелудочковой перегородках.

Через 2-3 недели после операции на поверхности полимера, омываемого кровью, происходит эндотелизация - покрытие полимера эндотелием.

Замещение половины правого желудочка полимерным материалом не вызвано замеченного нарушения функции сердца.

Применение "заплат" из терлона в клинической практике привело к пложительным результатам.