اثر اصلاح شيميايي سطح بر چسبندگي آلياژ NiTi براي ساخت بيوكامپوزيت
فلز/ پليمر هوشمند

ناهيد حسنزاده نعمتي1*، سيد خطيبالاسلام صدرنژاد2 و محمدتقي خراساني3
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد علوم و تحقيقات، دانشكده مهندسي پزشكي، تهران، ايران
استاد، دانشگاه صنعتي شريف، دانشكده مهندسي و علم مواد، تهران، ايران
دانشيار، پژوهشگاه پليمر و پتروشيمي، تهران، ايران
*hasanzadeh@srbiau.ac.ir
(تاريخ دريافت: 19/12/1389، تاريخ پذيرش: 27/03/1390)

چكيده
اخيراً با توجه به روند رو به رشد استفاده از كامپوزيتهاي هوشمندNiTi / پليمر در كاربردهاي صنعتي و پزشكي، بهبـود اسـتحكام چـسبندگيدر فصل مشترك دو جزء سازنده توجه محققين زيادي را به خود جلب نموده است. اصـلاح شـيميايي سـطح يكـي از راه حـلهـاي پيـشنهادياست كه در پژوهش حاضر در مورد كامپوزيتNiTi / سيليكون بررسي شده اسـت. نتـايج آزمـايش Pull-Out انجـام شـده بـر نمونـههـا نـشانميدهد كه استفاده از محلولهاي اسيدي و بازي 2H2O وNaOH مي تواند اتصال بين زمينه پليمري و نوارهاي فلـزي را بـه ميـزان 11% افـزايشدهد. تصاويرSEM و آناليزEDS گرفته شده از سطح آلياژ نشان ميدهد حضور لايه تيتانات سديم عامـل افـزايش اسـتحكام چـسبندگي بـودهاست. ايجاد لايه اكسيدي روي سطح هم اثري مشابه دارد و موجب افـزايش اسـتحكام چـسبندگي از 90/332 بـه 58/625 كيلـو پاسـكال شـدهاست. افزايش زبري سطح و اصطكاك در فصل مشترك در اثـر اصـلاح شـيميايي سـطح فلـز مـيتوانـد در سـاخت كامپوزيـتهـاي هوشـمند NiTi/ سيليكون براي استفاده در ماهيچههاي مصنوعي مورد بهرهبرداري قرار بگيرد.

واژه هاي كليدي:
اصلاح شيميايي سطح، كامپوزيت هوشمند، سيليكون، آلياژ نيكل- تيتانيم.

1- مقدمه فصل مشترك بينSMA 1 (آلياژ حافظـهدار) و زمينـه و در نتيجـهكامپوزيتهاي زمينه پليمري فلز/ پليمر هوشمند عمدتاً بـه وسـيلهاستحكام چسبندگي در ساختارهاي كامپوزيتي تـأثير بـسزايي درعملگره اي حافظ هدار س يمي [1] ي ا ن واري [2] ش كل تقوي ت كارآيي آنها دارد . يكي از مهمترين مسائلي كه ميتواند كاربرد
ميشوند. همراه شـدن خاصـيت حافظـهداري تقويـتكننـده هـايفلزي با خاصيت ويسكوالاستيسيته زمينه پليمري اين مواد مركـبرا براي جايگزين شدن بافتهاي بيولوژيكي آسـيب ديـده ماننـدماهيچهها مستعد ميسازد.
اي ن كامپوزي ته ا را مح دود كن د، گس ستگي پيون د در ف صل مشترك مي باشد [3]. مطالعات نشان داده است بـراي رسـيدن بـهكامپوزيتي با كيفيت مناسب بايـد اتـصالات شـيميايي و فيزيكـيمناسبي در طول فصل مشترك بين زمينـه وSMA برقـرار گـردد[3]. اين اتصالات بايـد بـه انـدازهاي محكـم باشـد تـا تـنشهـا وكرنشهاي ايجاد شده درSMA به زمينه محاط منتقل گردد [4]. در غير اين صورت چسبندگي ضعيف بين آلياژ و زمينـه موجـب ع دم انتق ال ت نش و گس ستگي جزئ ي ي ا كام ل آلي اژ از زمين ه ميشود كه نهايتاً به ناكارآمدي كامپوزيت ميانجامد [5]. اما اگرميزان چسبندگي هم خيلي بالا باشد تـرك ايجـاد شـده در خـودرشتههاي تقويت كننده (SMA) رشد كـرده و شكـست ناگهـانيدر قطعه به وجود مي آورد. لذا اگر اسـتحكام چـسبندگي قـدريكاهش يابد انتشار ترك در زمينه با سـرعت كمتـري رخ خواهـدداد [6].
يكي از عوامل مؤثر بـر چـسبندگي زمينـه بـه تقويـتكننـده هـايSMA آم ادهس ازي س طح م يباش د. اچ ك ردن ب ا اس يد، ايج اد پوشش پليمري و ماسه پاشي از جمله اين روشها است . پين 2 [7] نشان داده است كه سيمهايNiTi ماسه پاشي شده در مقايـسه بـاسيمهاي آماده شده با روشهاي ديگر چسبندگي بهتري به زمينـهاپوكسي/ گرافيت ايجاد ميكند. چـرا كـه كنـدگي مكـانيكي بـاايجاد زبري ميتواند باعث افزايش چسبندگي شـو د [5]. امـا ايـن روش آماده سازي در مورد ذرات ميكرو ني يا نانويي NiTi روشمناس بي نم يباش د. اضـافه نم ودن عام ل ه اي ش يميايي مانن د گروههاي سيلان به هنگام پليمريزاسيون در اين مورد ميتوانـد راهحل مناسب تري باشد [4]. همينطور مطالعات نـشان داده اسـت كـهعلاوه بـر مـوارد مـذكور بـه كـارگيري عوامـل فعـالكننـده ماننـدسيلانها و تيتاناتها در سطح، انجام عملياتهـاي تركيبـي پايـانيمثل تابش ليزر، پلاسما، كاشـت يـون، ايجـاد سـختي توسـط گـازنيت روژن و فرآين دهاي غيرفع الس ازي ش يميايي از ديگ ر عوام ل افزاينده چسبندگي آلياژ به زمينه ميباشد [5].
تركيب نمودن آلياژNiTi با پليمر علاوه بر ايجـاد يـك كامپوزيـتهوشمند از رها شدن نيكل كه عنـصري سـمي و سـرطانزاسـت [8] نيز جلوگيري ميكند. كامپوزيتهاي ساخته شده از ايـن طريـق بـهشرط تهيه شدن از پليمرهاي منعطف و نرمي ماننـد سـيليكون كـه اززيستسازگاري مناسبي نيز برخوردار است [9] قابليـت اسـتفاده درس اخت ماهيچ ه م صنوعي [10] مانن د اس فنكترهاي م صنوعي راداراست. همچنين ايجاد روكشهـاي سـيليكوني بـر آليـاژNiTi دركاربردهايي مانند سيمهاي راهنما، ابزار آندوسكوپي و استنتها نيزمورد توجه قرار گرفته است.
اصلاح شيميايي سطح با استفاده از محلولهـاي اسـيدي، بـازي ونيز ايجاد لايه اكسيدي سطحي با اسـتفاده از حـرارت دادن آليـاژدر اتمسفر كنترل نشده به منظور افزايش چسبندگي آلياژ NiTi به زمينه سيليكوني براي تهيه يك بيوكامپوزيت هوشمند فلز/ پليمـردر پژوهش حاضر مورد توجه قرار گرفتـه اسـت. انتظـار مـيرود ايـ ن كامپوزيـ تهـ ا بـ ه دليـ ل برخـ وردار بـ ودن از خاصـ يت فعالكنندگي مربوط به بخش فلـزي و ويسكوالاستيـسيته مربـوطبه قسمت پليمري بيشترين كارآيي را در جايگزيني ماهيچـههـايآسيب ديده داشته باشند.

2- مواد و روش تحقيق
قطعــ اتي بــ ه ابعــ اد 3mm 77/0×2×40 از آليــ اژ صــ فحهاي سوپرالاستيكNiTi ساخت شـركتMemory-Metalle آلمـانبه وسيله واير كات بريده شدند. سطح تمام نمونهها با اسـتن تميـزشدند تا از هر گونه آلودگيهاي آلي عاري گردند. ايـن قطعـاتبعد از آنيل انحلالي به مدت h1 در دماي 850 درجه سانتيگراد در خلاء torr6-10 به چهار گروه تقسيم شدند. هيچگونه عمليات س طحي ب ر روي گ روه اول نمون هه ا انج ام ن شد (نمونـهه اي خريداري شده از كارخانه سازنده كـه فقـط تحـت فرآينـد آنيـلانحلالي قرار گرفته بود). اين نمونه ها با كـد 1 نامگـذاري شـدند.
گروه دوم و سوم نمونهها بـه مـدت min 10 بـا محلـول شـيمياييكرول ( ml2 اسيد فلوئوريدريك 40%، ml4 اسيد نيتريـك 40% و ml994 آب ديونيزه) [11] پـوليش شـيميايي گرديدنـد. سـپسگ روه دوم نمون هه ا در محل ول 2H2O 30% ب ا دم اي 60 درج ه س انتيگ راد و گ روه س وم در محل ول 3HNO 30% ب ا دم اي 60 درجه سانتيگراد هر دو به مدت h20 غوطهور شـدند . سـپس بـهمدت min5 با آب شستشو و در آون خشك شـدند. نمونـه هـايهر دو گروه در مرحله دوم بعـد از قرار گيـري در سـود ( M2/1) در حال جوش به مدتh 2، با آب شـسته شـده و سـپس خـشكشدند. نمونههاي اخير به ترتيب كد 2 و 3 ناميده شدند. نمونههاي گروه چهارم (كد 4) به مدتh 2 در دماي 350 درجه سانتي گراد در كوره تحت اتمسفر كنترل نـشده حـرارت ديدنـد و در دمـايمحيط سرد شدند تا سطحشان اكسيدي شود.
تــصاوير ميكروســكوپ الكتر ونــي SEM3 نمونــههــا بــ ه وســيله ميكروســكوپ مــدلVEGA/TESCAN تهيــه شــدند . آنــاليز عنصري زمينه و رسوبات موجود در نمونهها نيـز توسـط دسـتگاه
EDS4 س اخت ش ركت RONTEC آلم ان م ورد ارزي ابي ق رار گرفت.
تمام قطعـات گـروههـاي چهارگانـه در پليمـر سـيليكون 60/401 ®ELASTOSIL سـاخت شـركت WACKER آلمـان (حـاوي
7/0% وزني دي كوميل پروكسيد ) داخـل قالـب تهيـه شـده جـايگرفتند تا در دماي 170 درجه سانتيگراد و فـشار 2 kgf/cm150 به مدت min15 تحـت فرآينـد پـرس داغ قـرار بگيرنـد. بلـوكپليمري حـاوي قطعـاتNiTi (شـكل 1) بعـد از خـارج شـدن ازقالب به مدت h4 در آون دمـاي 200 درجـه سـانتيگـراد پخـتنهايي شدند. سپس قطعاتي به عـرض mm 10 از بلـوك پليمـريبا همان ضخامت كه در وسط آنها نمونههاي فلـزي قـرار گرفتـهبودند، جدا شدند تا با اسـتفاده از دسـتگاه كـشش Gotech مـدل2000 TCS-ساخت تايوان تحت آزمون Pull-Out قرار بگيرنـد .
براي جلوگيري از اعمال هر گونه فشار به سطح پليمر، نمونهها بـااستفاده از يك قلاب فولادي به فك بالاي دستگاه متصل شـدند(شكل 2) و سر فلـزي بيـرون مانـده از بلـوك سـيليكوني نيـز بـهوسيله فك ديگر با سرعت mm/min5 از بلوك بيـرون كـشانده شد.

3- نتايج و بحث
تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي از كـد 4-1 نمونـههـا درشكل (3) آورده شده است. خراشهاي نمايان بر سطح نمونـه درتصويرSEM از نمونه كد 1 (شكل 3- الـف ) در هنگـام سـاختصفحههاي آلياژي توسط شركت سازنده ايجاد شده است.

شكل (1): بلوك پليمري حاوي نوارهاي فلزي.

شكل (2): نحوه بستن نمونه به فك دستگاه براي انجام
.Pull-Out آزمون

سطح تيتانيم و آلياژهاي آن بعد از قرارگيري در معرض پراكسيدهيدروژن و سود، اكسيدي شده و ظاهري پوسته پوسته و طوسـيرنگ پيدا ميكند [12]. اين موضوع در شكل (3- ب) كه متعلـقبه نمونه كد 2 مي باشد، كاملاً نمايـان اسـت. لايـه پـولكي ايجـادشده لايه اي تركننده و چسبنده است [12] كـه مـيتوانـد افـزايشچسبندگي تركيبات كلسيم فـسفاتي [13] و پليمـري را بـه همـراهداشته باشد . نتايج آناليزEDS انجـام شـده بـر روي آليـاژ كـه درجدول (1) آمده است اكسيدي بـودن پوسـته هـاي روي سـطح راتأييد مي نمايد و همينطور نشان ميدهد كه از ميـزان نيكـل سـطحنسبت به حالت اصلاح نشده به شدت كاسته شده است.
غوطهوري آلياژ در اسيد نيتريـك و سـپس در سـود باعـث شـدهاست تا در سطح آن خلل و فرجهـايي ايجـاد شـود كـه سـطح را ناهموار و اسفنجي نموده اسـت (شـكل 3- ج). تخلخـل هـاي بـه وج ود آم ده ميكرون ي ب وده و ب ين 2 ت ا µm6 در ش كل قاب ل شناسايي و تخمين است. اين فرورفتگي هـا كـه حاصـل از پديـدهخ وردگي اس ت م يتوان د باع ث اف زايش چ سبن دگي عوام ل بيولوژيكي و شيميايي گردد [14].
وقتي آلياژ در اسيد نيتريك 5/32 درصد فرو بـرده مـيشـود ايـننوع واكنش باعث حل شدنNi در سطحNiTi وتـشكيل اكـسيدتيتانيم توسط واكنشهاي زير در سطح ميگردد:
3Ni + 8HNO3 = 3Ni (NO3)2 + 2No↑ + H2O

)
ب
(

)
الف
(

)

ب

(

)

الف

(



قیمت: تومان


پاسخ دهید