CC BY
46
УДК 666.3:546'41
Н. С. Петрейкина, Е. С. Полутина, О. В. Яровая, М. А. Вартанян*, А. В. Беляков
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 , корп. 1 * е-таП:соипсП@тис1х.ги
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ВОДНЫХ СУСПЕНЗИЙ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ КАЛЬЦИЙФОСФАТНЫХ ПОРОШКОВ
В работе представлены результаты исследований по получению водных шликеров для изготовления высокопористой ячеистой кальций-фосфатной биокерамики методом дублирования полимерной матрицы. Определено влияние на реологические свойства шликеров вида и концентрации пластификатора, а также содержания твердой фазы. Установлено, что наибольшее влияние на реологические свойства шликеров оказывает содержание пластификатора.
Ключевые слова: пластификатор; реологические свойства; литьевые шликеры.
Современная медицина немыслима без применения искусственных биоматериалов для замены поврежденных тканей и органов. В современном мире возрастает потребность в новых биоматериалах, особенно на основе фосфатов кальция, которые обладают совместимостью с организмом человека и биологической активностью. Для ускорения регенерации необходимо, чтобы структура имплантата максимально соответствовала структуре и текстуре естественной костной ткани [1, 2]. Подобные материалы получают различными способами, одним из наиболее
перспективныхявляется метод дублирования ячеистой полимерной матрицы [3].
Цель работы состояла в том, чтобы разработать состав шликера на основе гидроксиапатита и кальций-фосфатного связующего для изготовления биокерамики методом дублирования матрицы из пенополиуретана (ППУ). Основные задачи, решаемые в работе, включали подбор пластификатора и изучение реологических свойств шликеров с его использованием, а также изучение реологических свойств шликеров с различным содержанием твердой фазы.
Решая проблему подбора пластификатора в работе оценивали действие двух наиболее широко используемых в практике водорастворимых полимеров - поливинилового спирта (ПВС) и натриевой соли карбоксиметилцкллюлозы (Ка-КМЦ). Первоначально в работе использовали раствор ПВС, однако на основании литературных данных [4] и проведенных экспериментов было установлено, что при введении раствора ПВС образуются нерастворимые сгустки, отрицательно сказывающие на шликерообразовании. При этом раствор ПВС коагулировал и утрачивал свойства клеящей добавки. В связи с этим дальнейшие исследования проводили с Ка-КМЦ.
Для определения реологических
характеристик приготовленных растворов полимера были построены кривые течения, представленные на рис. 1. Из полученных данных следует, что растворы Ка-КМЦ с концентрацией 2, 3 и 4 мас. % относятся к тиксотропным системам, а с концентрацией 5 и 6 % - к дилатантным системам с равновесной вязкостью.
1400
0 5 10 15 20 25 30 35
Напряжение на сдвиг, Па
Рис. 1. Кривые течения водных растворов №-КМЦ различной концентрации
Для приготовления шликеров лучше использовать тиксотропные системы, так как в процессе формования тиксотропная суспензия имеет низкую вязкость и высокую текучесть, что позволяет равномерно наносить ее на структурные элементы сетчато-ячеистой заготовки. Кроме того, использование тиксотропных шликеров является характерной особенностью метода дублирования полимерной матрицы [5]. Поэтому растворы Ка-КМЦ с концентрацией 5 и 6 мас. % были исключены из дальнейшего исследования.
На основании полученных данных о характере течения водных растворов полимера были приготовлены образцы шликера. Относительная
влажность всех образцов была одинаковой и составляла порядка 55 %. Анализ кривых течения и вязкости образцов шликера свидетельствует о том, что при использовании 2%-ного раствора КМЦ структурообразование выражено слабо (вязкость практически не зависит от величины напряжения на сдвиг, см. рис. 2). Поэтому для дальнейшей работы выбраны растворы Ка-КМЦ с концентрацией 3 и 4 мае. %.
-*-2% -К-ЗЯ -»-4%
Рис. 2. Вязкость шликеров на основе растворов КМЦ различной концентрации
Определив таким образом рабочую концентрацию полимера, изучали реологические свойства шликеров с различным содержанием твердой фазы, приготовленных на основе 3 и 4%-ного раствора Ка-КМЦ. Относительную влажность шликеров изменяли в интервале 45 -55 %. Из полученных зависимостей можно сделать вывод, что шликеры на 3%-ном растворе №-КМЦ при одинаковом содержании твердой фазы имеют меньший по сравнению с 4 % предел текучести (см. рис. 3, а и б). Такие шликеры при одинаковом содержании твердой фазы и напряжении на сдвиг имеют примерно на порядок меньшую вязкость, что делает их более перспективными для дальнейших исследований.
Чтобы определить рабочую влажность шликера, методом сидячей капли изучали неравновестный краевой угол смачивания шликеров на твердой полиуретановой поверхности. Из полученных зависимостей, можно сделать вывод, что шликеры, дисперсионной средой которых был 3%-ный раствор Ка-КМЦ, лучше смачивали полиуретановую поверхность, чем
приготовленные на 4%-ном растворе. Наилучшие рабочие характеристики имел шликер с относительной влажностью 53 - 55 %, динамическая вязкость которого составила 150 -200 мПас, а предел текучести (Рт) - 18 - 24 Па. Полученные результаты сохранялись при пропитке матрицы из ППУ.
Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1400
0 50 100 150 200 250 ЭТО
Ншряапм Н1 «дм«, (Ь
-♦-«.22* -§-51.56* -»-5157* -*-5}13*
а
" /
НО I
I150 / Г
X
о »
-♦-«да* -а-до« -«-пин -*-ня
6
Рис. 3. Кривые течения шликеров с различной относительной влажностью на основе 3 (а) и 4%-ного (б) раствора №-КМЦ
1. Для приготовления шликеров лучше использовать тиксотропные системы, так как в процессе формования тиксотропная суспензия имеет низкую вязкость и высокую текучесть, что позволяет равномерно наносить ее на структурные элементы сетчато-ячеистой заготовки.
2. Вводимый пластификатор должен удовлетворять следующим требованиям: наилучшая текучесть шликера и максимально возможное содержание в нем твердой фазы при минимальном содержании полимера. Наиболее полно из рассмотренных этому условию отвечает
Ш-КМЦ.
4. На реологические характеристики шликеров оказывает влияние как содержание твердой фазы, так и концентрация полимера, при этом более значимым фактором является именно концентрация полимера.
5. Для дальнейших работ целесообразно использовать шликер на основе 3% раствора КМЦ с относительной влажностью 53 - 55 %.
«о
Петрейкина Надежда Сергеевна студент кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Полутина Екатерина Сергеевна аспирант кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Яровая Оксана Викторовна к.х.н., доцент кафедры коллоидной химии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Вартанян Мария Александровна к.т.н., доцент кафедры химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Беляков Алексей Васильевич д.х.н., заведующий кафедрой химической технологии керамики и огнеупоров РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
5. Баринов С. М., Комлев В. С. Костные ткани «ремонтирует» керамика // Наука в России. 2005. № 1. С. 27 - 31.
6. Chen Q., Roether J. A., Boccacini A. R. Tissue engineering scaffolds from bioactive glass and composite materials // Topics in Tissue Engineering. Vol. 4. Eds.N Ashammakhi, R Reis, F Chiellini. 2008.
7. Гузман И. Я. Некоторые принципы образования пористых керамических структур. Свойства и применение (обзор) // Стекло и керамика. 2003. №9. С.28 - 31.
8. Егоров А. А. Высокопористые ячеистые стекловидные и стеклокристаллические материалы для каталитическихимассообменныхпроцессов: Автореф. дис. ... к.т.н. - М., 2008. - 16 с.
9. Анциферов В. Н., Порозова С. Е. Высокопористые проницаемые материалы на основе алюмосиликатов. Пермь, 1996. - 207 с.
Petreykina Nadezhda Sergeevna, Poluina Ekaterina Sergeevna, Yarovaya Oksana Viktorovna, Vartanyan Maria Alexandrovna*, Belyakov Alexey Vasil'evich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: council@muctr.ru
RHEOLOGICAL BEHAVIOUR OF CONCENTRATED WATER DISPERSIONS BASED ON FINE CALCIUM-PHOSPHATE POWDERS
Abstract
The paper presents a study in producing of water casting slurries fabricating porous cellular bioceramics by polymer matrix duplicating. The effect of a plasticising agent type and concentration as well as a solid phase content on the rheological behaviour of slurries is discussed. Of all parameters investigated the rheology of slurries is shown to be most influenced by a plasticising agent concentration.
Key words: plasticising agent; rheological behaviour; casting slurries
