镁合金表面超疏水涂层的制备及耐磨、耐蚀和生物性能研究

摘要

镁合金具有质量轻、比强度高、导热性及铸造性好等优点，在航空、航天、运输、化工等工业领域具有广阔的应用空间，同时镁合金具有生物降解性、传导性和良好的生物力学性能，在骨钉、血管支架和血管夹等生物材料领域也有较大的潜在应用价值。但镁合金性质活泼、极易腐蚀的缺点严重制约了其应用，如何提高防腐性能，建立与其使用环境相适应的防腐系统是迫切需要解决的重大课题。“超疏水”表面是一种利用微纳结构和低表面能物质以实现“不沾水”的功能表面，可以作为金属表面有效防腐蚀涂层，近年来备受关注。然而，超疏水涂层在使用过程中，当超疏水表面受到机械外力时，结构容易被破坏，低表面能物质也容易磨损失效，使得疏水性能丧失。因此制备具有较强耐磨性的超疏水涂层是超疏水走向实际应用的关键环节。　　本文在镁合金表面通过不同尺寸的、具有一定疏水性的 SiO2颗粒构建微纳结构，成功制备PDMS/SiO2耐磨超疏水涂层，研究了不同尺寸SiO2含量及比例对疏水性及耐磨性的影响、涂层的疏水机理、涂层的稳定性及耐腐蚀性。此外，考虑到镁合金在生物材料方面巨大的应用前景，作为可植入材料的初步研究，我们还用更为简单的化学方法在镁合金表面制备出Mg/Zn化合物超疏水涂层，研究了其形貌、疏水性能、自清洁性能、耐腐蚀性能、涂层的溶血性、血小板粘附性、细胞毒性以及在模拟体液中的降解性能。　　得出的主要结论如下：　　① 采用刮涂法在镁合金上制备了PDMS/SiO2超疏水涂层，SiO2颗粒含量大于40wt.%，同时SiO2(40 nm)和SiO2(50-250 nm)质量比小于0.5涂层具有超疏水性能。含量分别为0.2g SiO2(40 nm)/0.7 g SiO2(50-250 nm)和0.3g SiO2(40 nm)/0.7 g SiO2 (50-250 nm)的涂层的接触角均大于150o，滚动角也低于10o，表明该涂层是超疏水涂层。　　② PDMS/SiO2超疏水涂层在经过50次砂纸摩擦后接触角仍保持在138o-150o和 133o-153o，其形貌和组成在摩擦前后没有明显变化。同时该涂层经手指按压、刀划及热重测试表明该涂层具有较好的机械稳定性和热稳定性。　　③ 电化学实验表明，涂覆PDMS/SiO2超疏水涂层的镁合金腐蚀电位高于镁合金，其腐蚀电流密度低于镁合金。表明 PDMS/SiO2超疏水涂层提高了镁合金的耐腐蚀性。　　④ 采用简单的化学方法使用ZnCl2和硬脂酸(SA)处理镁合金制备出Mg/Zn化合物超疏水涂层，其接触角达到162±1o。该涂层由Mg(OH)2、Mg2Cl(OH)3?4H2O、Mg(ClO4)2?6H2O和Zn形成的纳米片状结构组成粗糙结构，其腐蚀电流密度低于镁合金的腐蚀电流密度一个数量级，表明该涂层提高了镁合金的耐腐蚀性。　　⑤ 用血液和生理盐水(PBS)探究了 Mg/Zn 化合物超疏水镁合金的生物相容性和体外降解性。通过溶血率、血小板粘附和细胞活性实验表明镁合金经ZnCl2处理和经ZnCl2/SA处理得到的超疏水样品的生物相容性得到提高。在PBS溶液中的电化学测试及降解测试都表明Mg/Zn化合物超疏水镁合金在其疏水性能丧失之前对镁合金有一定防护作用。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2.1 镁合金的腐蚀机理

1.2.2 镁合金的耐腐蚀方法

1.3 超疏水表面

1.3.1 超疏水表面的原理及其性能

1.3.2 超疏水表面在实际应用中的主要问题

1.4 镁合金表面超疏水涂层的研究现状

1.4.1 镁合金表面耐磨超疏水涂层的研究现状

1.4.2 镁合金超疏水涂层应用于生物医疗方面的研究现状

1.5 研究意义、目的和主要内容

2 超疏水涂层的制备过程与表征方法

2.1 PDMS/SiO2超疏水涂层的制备

2.2 镁合金置换ZnCl2超疏水涂层的制备

2.3 性能检测

2.3.1 耐磨性检测

2.3.2 稳定性测试

2.3.3 自清洁性检测

2.3.4 成分检测——傅里叶红外测试(FTIR)

2.3.5 形貌检测——扫描电子显微镜测试(SEM)

2.3.6 电化学性能测试

2.3.7 生物性能检测

2.4 实验材料及仪器

3 镁合金表面PDMS/SiO2耐磨超疏水涂层的性能研究

3.1 引言

3.2 不同尺寸SiO2含量及比例对疏水性的影响

3.3 不同尺寸 SiO2含量对耐磨性的影响

3.4 涂层的形貌及成分

3.5 超疏水涂层的稳定性

3.6 涂层的耐蚀性

3.7 本章小结

4 Mg/Zn化合物超疏水涂层的性能研究

4.1 引言

4.2 涂层的表面形貌及疏水性

4.3 涂层的成分

4.4 涂层的耐蚀性

4.5 涂层的自清洁性

4.6.1 涂层的溶血性

4.6.2 涂层的血小板粘附性

4.6.3 涂层的细胞活性

4.6.4 涂层在模拟体液中的耐腐蚀性及降解性

4.7 本章小结

5 总结与展望

5.1 主要结论

5.2 创新点

5.3 后续工作与展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士期间参加的科研项目

C. 作者在攻读硕士期间获得的奖励目录

D. 补充材料(视频)

E.学位论文数据集

致谢