Изучение свойств рентгенопрозрачности композиционных материалов

Язык труда и переводы:
УДК:
677.494.675.4
Дата публикации:
01 сентября 2021, 15:54
Категория:
В6. Композиционные материалы
Аннотация:
Для наблюдения процесса срастания костной ткани или устранения каких-либо дефектов посредством аппарата для осуществления остеосинтеза используют рентген — аппарат, работа которого не дает необходимого результата из-за высокой электронной плотности элементов, входящих в состав используемых материалов. Рассмотрены возможные варианты устранения этой проблемы и предложено решение поставленной задачи: был создан слоистый композиционный материал, армированный волокнами, матрицей которого является термопластичный полимер. Композиция обладает механическими характеристиками, не уступающими титану, имеет меньшую плотность, высокую рентгенопрозрачность, способна подвергаться термической и химической обработкам.
Ключевые слова:
высокая рентгенопрозрачность (низкая электронная плотность), композиционный материал, волокнистый композиционный материал, металл, полимер, термопласт, полиамид, углеродное волокно, плотность композиционного материала, прочность композиционного материала
Основной текст труда

В настоящее время для предупреждения, диагностики, наблюдения развития заболеваний, а также для разработки плана лечения активно применяется рентген — аппарат, принцип работы которого основан на поглощении внутренними тканями проникающих лучей. Основным элементом оборудования является трубка излучатель, генерирующая рентгеновские лучи. На основании степени поглощения формируется изображение.

Яркость (степень блокировки рентгеновских лучей) объекта, отображаемого на снимке, зависит от электронной плотности материала, его атомного номера. Следовательно, чем больше значение данной характеристики для исследуемого объекта, тем заметнее он на получившемся изображении.

В случае применения специального оборудования для осуществления остеосинтеза, изготовленного, как правило, из нержавеющей стали или титана, возникает проблема засвечивания им поврежденных участков, что связано с высокой электронной плотностью используемых материалов, их низкой рентгенопрозрачностью. Это не позволяет получить достоверную картину.

Данная проблема имеет два решения:

1) увеличение энергии фотона и частоты излучения;

2) уменьшение значения электронной плотности применяемого материала.

Применение первого метода влечет за собой последствия, губительные для человека, так как высокая доза излучения пагубно сказывается на его состоянии: она может нарушить функционирование тканей, органов, вызвать острые реакции: покраснение кожи, радиационные ожоги, выпадение волос, острый лучевой синдром, дородовое воздействие ионизирующего излучения может вызвать повреждение мозга плода, повышаются риски возникновения онкологических заболеваний [1].

Таким образом, для решения данной проблемы необходимо подобрать материал, обладающий низкой электронной плотностью (высокой рентгенопрозрачностью), но при этом не уступающий раннее применяемым по механическим характеристикам, таким как модуль упругости, модуль сдвига, прочность при растяжении, сжатии, максимальное напряжение (предел текучести), предел прочности на разрыве.

Для уменьшения нагрузки на поврежденные участки также необходимо уменьшить плотность будущего материала. Так как стоимость оборудования, изготовленного, например, из титана, является очень высокой, что делает его недоступным для большего числа потребителей, то создаваемый материал должен стать более пригодным для массового применения. Для решения данной проблемы немаловажным фактором является возможность вторичного использования. Исходя из этого, материал должен обладать высокой термической и химической стойкостями. Это даст возможность подвергать изготовленный аппарат дезинфекции.

Важным фактором для применения материала в медицинских целях является его биологическая инертность — отсутствие влияния биологической и химической сред на используемый объект. В противном случае могут образовываться нагноения, раздражения, заражения, усложняющие дальнейший ход лечения.

Цель настоящего исследования — рассмотреть возможность создания материала, обладающего высокими механическими и физическими характеристиками, более низкой стоимостью, возможностью подвергаться термической и химической обработкам, он должен быть биологически инертным, обладать высокой рентгенопрозрачностью (низкой электронной плотностью).

В рамках описанной проблемы было начато исследование свойств различных элементов. Так как на данный момент материалом, удовлетворяющим большему числу запросов, из которого изготавливают оборудование для осуществления остеосинтеза, является титан, то сравнительный анализ производился именно с его физическими и механическими характеристиками.  Первоначально были изучены свойства металлов (благородные: осмий, медь; легкоплавкие: цинк, олово; тугоплавкие: цирконий, титан; легкие: магний, алюминий, железные: железо) и сплавов на их основе (латунь, дюралюминий, силумины). В ходе исследования ориентировались на следующие значения: плотность, прочность при растяжении/сжатии, максимальное напряжение, биологическая инертность, термическая и химическая стойкости.

Несмотря на то, что многие из изученных металлов обладают высокими механическими свойствами, оптимальными значениями термической и химической стойкостей, а некоторые являются и биологически инертными (цирконий, цинк), нерешенной остается основная проблема низкой рентгенопрозрачности, а также из-за высокой плотности элементов увеличивается масса конечного изделия.

В отличие от рассмотренных материалов в своем строении преобладающее число полимеров (например, фторопласты, полиамиды) имеет элементы, обладающие низкой электронной плотностью (высокой рентгенопрозрачностью), такие как углерод, азот, фтор и другие. Так, например, согласно таблице [2], массовый коэффициент ослабления рентгеновских лучей для углерода составляет 152·10–6 м3/кг,  для азота — 154·10–6 м3/кг, фтора — 156·10–6 м3/кг, тогда как для железа значение данной характеристики — 370·10–6 м3/кг, что более чем в 2 раза больше раннее исследуемых элементов. Так как человеческая клетка на 98 % состоит из кислорода (155·10–6 м3/кг), углерода (152·10–6 м3/кг), азота (154·10–6 м3/кг) и водорода (294·10–6 м3/кг) и при просвечивании ткань не дает засвета поврежденного элемента, то рентгенопрозрачность полимеров можно считать оптимальной. Также в большинстве своем полимеры характеризуется низкими значениями физической плотности, что позволит значительно снизить массу конечного изделия. Таким образом, дальнейшие разработки велись в области изучения характеристик полимерных материалов. Звездочкой (*) в таблице обозначена интенсивность излучения 0,1022 МэВ.

Характеристика ослабления гамма-лучей рентгеновского диапазона (с интенсивностью излучения 0,1 МэВ) для различных веществ

Вещество

Обозначение

Атомный вес

Массовый коэффициент ослабления (µ/ρ)·10–6, м3/кг

Азот

N

14,007

154

Алюминий

Al

26,980

169

Водород

H

1,008

294

Железо

Fe

55,85

370

Калий

K

39,100

227,6*

Кальций

Ca

40,080

256

Кислород

O

16,000

155

Магний

Mg

24,320

162,6*

Молибден

Mo

95,95

1090

Натрий

Na

22,990

158

Сера

S

32,066

~185

Углерод

C

12,011

152

Фосфор

P

30,970

~180

Фтор

F

19,000

~156

Хлор

Cl

35,453

186,6

Их можно разделить на две группы: термопласты и реактопласты. Основное отличие между ними заключается в поведении при нагревании. Так, реактопласты под воздействием высоких температур приобретают сшитую структуру макромолекул, что является необратимым процессом, и при последующем нагревании разрушаются, не становясь пластичными. Термопласты при повышении температуры становятся более эластичными, далее имеют возможность многократно переходить в вязкотекучее состояние, а при ее понижении — отверждаться [3]. Данное свойство является значительным преимуществом перед реактопластами и обуславливает широкое применение термопластов в промышленности. Также для термопластов характерны более высокая производительность, интенсивные методы переработки, менее энергоемкое формование, возможность вторичной переработки, пониженная горючесть, дымовыделение при горении, высокая стойкость к излучению, сочетание высокой прочности и теплостойкости с высокой ударной прочностью и трещиностойкостью. Поэтому именно термопластичные полимеры являются более рациональной заменой титану.

Изучив классификацию термопластов (акрилы, нейлон (полиамид), полистирол, полиэтилен, полипропилен) и свойства входящих в данный класс материалов, было принято решение использовать полиамиды. Они обладают низкими показателями физической плотности и высоким уровнем адгезии, не являются токсичными, способны многократно переходить в вязкотекучее состояние. Их подходящий химический состав (содержание элементов с высокой рентгенопрозрачностью) позволяет решить основную проблему, связанную с засвечиванием поврежденных участков. Но при этом механические характеристики сильно уступают свойствам раннее используемых материалов, поэтому их применение в первоосновном виде не допустимо. Эта проблема может быть решена с помощью упрочняющих элементов, т. е. встает вопрос о создании композиционного материала, обладающего всеми раннее заданными свойствами.

Композиционный материал (КМ) — конструкционный материал, в котором имеются усиливающие его элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. По структуре их делят на несколько основных классов:

  • нанокомпозиты;
  • дисперсноупрочненные;
  • упрочненные частицами;
  • волокнистые.

Так как дисперсные частицы не дают явного прироста в прочности (механические характеристики обусловлены свойствами матрицы, основная нагрузка приходится именно на связующее вещество), рационально будет использовать упрочнение с помощью армирующих волокон (прочность и жесткость таких материалов определяется свойствами армирующих волокон, воспринимающих основную нагрузку).

Арматурой в волокнистых КМ могут быть волокна различной формы: нити, ленты, сетки разного плетения. На практике чаще всего используются следующие виды армирования:

  • одноосное;
  • двухосное;
  • трехосное. 

Для первого типа характерна анизотропия свойств. Эта проблема решается при использовании двухосного армирования с взаимно перпендикулярным расположением упрочняющих волокон. В композиционных материалах армирующие сетки располагаются слоями (слой матрицы + слой армирующего материала). В результате получается слоистый композиционный материал. Теоретические расчеты, подтвержденные практикой, показывают, что чем тоньше и длиннее волокно (чем больше отношение длины к диаметру), тем выше степень упрочнения композиционного материла [4].

Основными характеристиками волокнистого композиционного материала является плотность, прочность, модуль упругости, критическая длина волны, относительное содержание компонентов.

Физико-механические свойства полученного композиционного материала во многом зависят от концентрации составляющих.  Необходимое содержание наполнителя с учетом концевых эффектов армирующего материала можно определять по заданной прочности или по заданной плотности композита. При этом предельное значение содержания армирующего наполнителя редко превышает 60 %. В противном случае наблюдается резкое снижение прочностных характеристик из-за недостатка материала матрицы для пропитки упрочняющей сетки. Так, на рисунке можно увидеть, что при содержании армирующего элемента до 60 % наблюдается прирост прочности (кривая 1 на рисунке), при концентрации 60 % полученный материал достигает наибольшего значения исследуемой характеристики, но при дальнейшем увеличении концентрации волокон наблюдается ее спад (кривая 2 на рисунке) [5].

Зависимость прочности композиционного материала от процентного содержания армирующего элемента

Для расчета значений плотности, прочности, модуля упругости применяется аддитивное свойство композитов — свойство, при котором значение некоторой величины, соответствующей целому объекту, равно сумме значений величин, соответствующих его частям.

Так, значение плотности определяется по формуле[5]:

P_{\mathrm {KM} }=P_{\mathrm {B} }\cdot V_{\mathrm {B} }+P_{\mathrm {M} }\cdot V_{\mathrm {M} },

где Pкм — плотность композиционного материала; Pв  — плотность волокна; Pм — плотность матрицы; Vв — объемная доля волокна в композите; Vм — объемная доля матрицы в композите.

 Значение прочности определяется по формуле [5]:

Q_{\mathrm {KM} }=Q_{B}\cdot V_{B}+Q_{M}\cdot V_{M},

где Qкм — прочность композиционного материала; Qв — прочность волокна; Qм — прочность матрицы; Vв — объемная доля волокна в композите; Vм — объемная доля матрицы в композите.

Значение модуля упругости рассчитывают по формуле [5]:

E_{\mathrm {KM} }=E_{\mathrm {B} }\cdot V_{\mathrm {B} }+E_{\mathrm {M} }\cdot V_{\mathrm {M} },

где Екм — модуль упругости полученного композита; Ев —  модуль упругости волокна; Ем — модуль упругости матрицы; Vв — объемная доля волокна в композите; Vм — объемная доля матрицы в композите.

При создании композита данного вида важным параметром является критическая длина волны — это длина l волокна, до которой напряжение, воспринимаемое волокном в пластике, возрастает и при l равной lкр становится равным прочности волокна (она определяется как минимальная длина волокна, которая необходима для восприятия через матрицу нагрузки, равной нагружению непрерывных волокон). При использовании дискретных (коротких) волокон наблюдается концевой эффект, который связан с концентрацией напряжений. Напряжение возрастает от концов к середине, поэтому прочность при растяжении для таких материалов зависит от критической длины волокна lкр.

При длине волокна l < lкр  напряжение, передаваемое через матрицу на волокно, меньше предела прочности волокна, из-за чего физико-механические свойства армирующего элемента реализуются не полностью.

При l = lкр  максимальное напряжение в средней части дискретного волокна достигает предела прочности, но из-за недостаточной поверхности контакта с приложенной нагрузкой реализация прочности волокна в композите недостаточна. С увеличением отношения l/lкр при сохранении величины прикладываемой нагрузки поверхность контакта увеличивается с соответствующим ростом воспринимаемого волокном усилия. По мере роста отношения l / lкр  уровни реализации прочности дискретных и непрерывных волокон в композиционном материале сближаются. Непрерывные волокна используют для создания высокопрочных композиционных материалов [5].

Величину критической длины волокон можно определить по формуле Келли [5]:

l_{\mathrm {KP} }={\frac {\mathrm {d} _{\mathrm {B} }\cdot Q_{\mathrm {B} }}{\mathrm {J} _{\mathrm {r} }}},

где lкр — критическая длина волокна; dв — диаметр волокна; Qв — прочность волокна при растяжении; Jг — напряжение сдвига, определяющее прочность границ «волокно – матрица».

Напряжение сдвига можно определить с помощью следующей зависимости [5]:

J_{\Gamma }=Q_{M}\cdot \cos 45

где Qм — прочность матрицы.

В ходе исследования механических характеристик и значений показателя электронной плотности всех ныне используемых наполнителей (стекловолокно, титановые нити) было выявлено, что в стекловолокне основным химическим элементом (содержание более 70 %) является кремний, обладающий низкой рентгенопрозрачностью, а титановые нити, помимо того, что будут препятствовать прохождению рентгеновских лучей, не дадут необходимого прироста прочности. Так, наиболее подходящим вариантом является армирующее углеродное волокно, так как именно оно обладает необходимым показателем электронной плотности и высокими механическими характеристиками.

Таким образом, из всех рассматриваемых примеров (металлы, полимеры, полимерные композиционные материалы) наиболее подходящим вариантом, удовлетворяющим всем установленным требованиям, является композиционный материал, матрицей которого является полимерное связующее термопластичного вида (полиамид) с двухосным армированием послойно расположенных углеродных волокон.

Литература
  1. Ионизирующее излучение, последствия для здоровья и защитные меры. URL: https://www.who.int/ru/news-room/fact-sheets/detail/ionizing-radiation-health-effects-and-protective-measures (дата обращения 30.05.2021).
  2. Пугачёв А.Н.,Наумов В.Г., Взятышев Н.Н. Поглощение рентгеновского излучения полимерами конструкционного назначения, рассматриваемыми в качестве материалов для изготовления основных компонентов аппарата Илизарова. URL: https://readera.org/pogloshhenie-rentgenovskogo-izluchenija-polimerami-konstrukcionnogo-naznachenija-142120740 (дата обращения 18.03.2021).
  3. Органические материалы и их классификация. URL: http://www.physics.bsu.by/sites/default/files/files/departments/Energy/TEMPUS/EEM_course/Lectures/Energy%20effective%20materials%20-%20lecture%2003.pdf (дата обращения 05.03.2021).
  4. Определения и классификация полимерных композитов. Механизм взаимодействия компонентов ПКМ. URL: https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/3568/11/1358540_lectures_ch_1.pdf (дата обращения 05.03.2021).
  5. Волков Г.М. Объемные наноматериалы. URL: https://litgid.com/read/obemnye_nanomaterialy_uchebnoe_posobie/page-18.php (дата обращения 24.04.2021).
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.