CC BY
43
УДК 542.06
Нечаева А.В., Лукин Е.С., Попова Н.А.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДОБАВОК ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ И ГИДРОФОСФАТА НАТРИЯ НА СВОЙСТВА КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ГИДРОКСИАПАТИТА
Нечаева Анастасия Владимировна, магистрантка 1 курса факультета химической технологии, e-mail: nastya26.10@mail.ru;
Лукин Евгений Степанович, д.т.н., профессор кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д.И. Менделеева, e-mail: lukin.1938@mail.ru
Попова Нелля Александровна к.т.н., ст.преп. кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В результате работы была проведена термообработка образцов керамики на основе гидроксиапатита с разным содержанием диоксида циркония и гидрофосфата натрия. Процесс обжига происходил при разных температурах. Было выявлено влияние количества спекающей добавки и температуры обжига на механические свойства образцов.
Ключевые слова: биокерамика, гидроксиапатит, диоксид циркония, гидрофосфат натрия.
INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF ADDITION OF ZIRCONIUM DIOXIDE AND SODIUM HYDROPOSPHATE ON THE PROPERTIES OF CERAMICS BASED ON HYDROXYAPATITE
Nechaeva Anastasiia Vladimirovna *, Lukin Evgeniy Stepanovich D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Mosow, Russia. * e-mai l: nastya26.10@mail.ru
As a result of work, heat treatment of ceramics samples based on hydroxyapatite with different content of zirconia and sodium hydrogen phosphate was carried out. The firing process took place at different temperatures. The influence of the amount of the sintering additive and the firing temperature on the mechanical properties of the samples was revealed. Key words: bioceramics, hydroxyapatite, zirconium dioxide, sodium hydroposphate.
Среди синтетических материалов наиболее приближен к натуральной ткани гидроксилапатит. Материалы на его основе изготавливаются уже давно ввиду его положительных биологических свойств. Но механические свойства синтетического ГА далеки от биологической кости, поэтому для увеличения прочности в состав керамики из ГА вводят армирующие добавки.
Наиболее часто в качестве последних используются оксиды титана и циркония. Упрочняющие добавки значительно улучшают свойства полученного композита, который, с одной стороны является биологически совместимым, а с другой - имеет повышенные значения механической прочности [1,2].
Известны работы [3], подтверждающие улучшенные прочностные характеристики композита ГА-2г02 по сравнению с керамикой из ГА без армирующих добавок. А также исследовано влияние концентрации 2г02 на свойства данного композита. Результатом этих работ является
определение требуемого количества диоксида циркония для получения максимальной прочности изделия. Но малоизученным остается вопрос о роли спекающей добавки в процессе изготовления материала: ее необходимое количество и подходящие параметры обжига.
Целью данной работы является изучение влияния концентрации спекающей добавки и температуры обжига на свойства плотной керамики из гидкоксилапатита, дисперсионно-упрочненной ЧСДЦ.
Гидроксилапатит получали методом
соосаждения из водных растворов 4-х водного нитрата кальция и фосфорнокислого аммония 2-замещенного с поддержанием рН > 11-12 при введении 25%-ного водного раствора аммиака. Осадок подвергали старению в маточном растворе в течение 72 часов, затем фильтровали и протирали через сито с размерами ячейки 100 мкм. Полученный порошок анализировали с помощью метода рентгенофазового анализа (рис.1)
и
I РБЕ 09-0077 СаРОЭСОУ^ШО
УхЫшУ^
Рисунок 1. Рентгенограмма и микроструктура порошков ГА
Для получения композита ГА-2г02 использовали гидроксилапатит, синтезированный методом соосаждения, и коммерческий порошок частично стабилизированного диоксида циркония, состоящий из 100%-ной тетрагональной фазы, в качестве спекающей добавки использовали гидрофосфат натрия №2НР04. Диоксид циркония вводили в количестве 15 масс.%, содержание гидрофосфата натрия составляло 10 масс.% и 15 масс.%. Формование балочек осуществлялось методом одноосного двустороннего прессования при удельном давлении 200 МПа. Обжиг для каждого состава проводился при температурах 950 °С, 1000 °С, 1100 °С, 1200 °С с 2-хчасовой изотермической выдержкой.
Были исследованы следующие свойства обожженных образцов: усадка, открытая пористость, средняя плотность, прочность при изгибе (таблица 1).
Исследования свойств образцов показали, что оптимальная температура обжига керамики на
основе ГА, содержащей спекающую добавку №2НР04, составила 1000 °С. Образцы имеют плотность рс=2,74 г/см3 и пористость П0 = 8,3%, оиз = 55,9 МПа.
Установлено, что увеличение концентрации спекающей добавки №2НР04 уменьшает пористость, что связано с образованием жидкой фазы в процессе обжига и соответственно уплотнением материала. Минимальная пористость была выявлена у образца состава ГА+Zr02(15%)+Na2HP04(15%) при температуре обжига 1000 °С. Были проведены исследования по определению скорости растворения образцов в дистиллированной воде (таблица 2, рис.2,3). В начальный момент времени прослеживается тенденция резкого увеличения скорости растворения, затем (после 12 часов выдержки) скорость значительно не меняется, растворение идет плавно с выходом на плато.
Состав смеси Д1, % По, % рс, г/см3 оиз, МПа
Температура обжига 1000°С
ГА+ZrO2(15%)+Na2HP04(10%) 11,43 10,4 2,92 60,8±5
ГА+Zr02(15%)+Na2HP04(15%) 13,45 4,2 3,0 110±5
ГА+ №2НР04(10%) 17,46 9,1 2,68 45,6±5
ГА+ №2НР04(15%) 17,73 8,3 2,74 55,9±5
Температура обжига 1100°С
ГА+Zr02(15%)+Na2HP04(10%) 12,95 9,2 2,68 100±5
ГА+Zr02(15%)+Na2HP04(15%) 14,73 8,5 2,86 60±5
Температура обжига 1200°С
ГА+Zr02(15%)+Na2HP04(10%) 12,98 8,5 2,85 80,4±5
ГА+Zr02(15%)+Na2HP04(15%) 14,81 8,6 2,84 40,4±5
Таблица 2. Скорость растворения образцов в дистиллированной воде
Составы Потеря массы, %
3ч 6ч 12ч 24ч 48ч
1000°С
ГА+Zr02(15%)+Na2HP04(10%) 6 10 14 15 15
ГА+Zr02(15%)+Na2HP04(15%) 8 12 18 20 21
ГА+ Ка2НР04(10%) 11 17 25 27 29
ГА+ Ка2НР04(15%) 13 19 27 30 32
1100°С
ГА+Zr02(15%)+Na2HP04(10%) 12 18 26 29 32
ГА+Zr02(15%)+Na2HP04(15%) 15 22 30 33 35
Рисунок 2. Зависимость скорости растворения от времени выдержки в воде образцов, обожженных при 1000°С
■rA+Zr02(15%)+Na2HP04 (10%)
■rA+Zr02(15%)+Na2HP04 (15%)
0 3 6 9 12151821242730333639424548 Время выдержки, ч
Рисунок 3. Зависимость скорости растворения от времени выдержки в воде образцов, обожженных при 1100°С
Неоднородное растворение композитов приводит, по-видимому, к возникновению внутридиффузионных затруднений, в результате чего увеличивается скорость растворения образцов, содержащих большее количество спекающей добавки. В связи с этим был выстроен следующий ряд увеличения скорости растворения: ГА+ZrO2(15%)+Na2HPO4(10%)<ГА+ZrO2(15%)+Na 2НР04(15%)<ГА+№2НР04(10%) <
ГА+№2НР04(15%). В результате работы был выявлен состав ГА+2г02(15%)+Ка2НР04(15%) с наилучшими значениями свойств: р= 3,0 г/см3, П0 = 4,2% , оиз = 110 МПа.
Список литературы
1. Баринов С.М., Комлев В.С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М.: Наука, 2005. 204 с.
2. Петракова Н.В. Влияние условий синтеза и спекания нанопорошков гидроксилапатита на формирование микроструктуры и свойств керамики: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 2014. 143 с.
3. Оковитый В.А., Пантелеенко Ф.И. Процесс получения композиционного порошка на основе гидроксиапатита и диоксида циркония для нанесения плазменных биокерамических покрытий // Наука и техника. 2013. № 1. С. 31-38.
