材料工程  2016, Vol. 44 Issue (5): 59-64   PDF    
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2016.05.010
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崔晓彤, 刘金龙, 张德坤, 陈凯, 亓健伟
CUI Xiao-tong, LIU Jin-long, ZHANG De-kun, CHEN Kai, QI Jian-wei
不同接触尺度下PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦行为
Sliding Friction Behavior of PVA/HA Composite Hydrogels Under Different Contacting Scales
材料工程, 2016, 44(5): 59-64
Journal of Materials Engineering, 2016, 44(5): 59-64.
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2016.05.010

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收稿日期: 2015-08-14
修订日期: 2016-03-15
不同接触尺度下PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦行为
崔晓彤, 刘金龙 , 张德坤, 陈凯, 亓健伟    
中国矿业大学 材料科学与工程学院, 江苏 徐州 221116
摘要: 采用UMT-Ⅱ型多功能摩擦磨损试验机研究了不同接触尺度下PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦行为,并利用有限元模拟方法对PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦机理进行了探讨。结果表明:滑动过程中PVA/HA复合水凝胶的平均摩擦力、平均摩擦因数及变形深度随接触压头直径的增加逐渐减小,而随着接触载荷呈逐渐增加的趋势;随着接触压头直径的增加,液相的承载能力增大,从而平均摩擦力、变形深度减小;随着接触载荷的增加,液相流失增加,液相的承载力降低,从而平均摩擦力、变形深度增大。
关键词: PVA/HA复合水凝胶    滑动摩擦    有限元    液相承载   
Sliding Friction Behavior of PVA/HA Composite Hydrogels Under Different Contacting Scales
CUI Xiao-tong, LIU Jin-long , ZHANG De-kun, CHEN Kai, QI Jian-wei    
School of Materials Science and Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu, China
Abstract: UMT-Ⅱ multi-functional friction and wear tester was used to investigate the sliding friction behavior of polyvinyl alcohol/hydroxyapatite(PVA/HA)composite hydrogel under different contacting scales, and the sliding friction mechanism of PVA/HA composite hydrogel was studied by finite element method (FEM). The results show that in the process of the sliding friction, the average friction, the average friction coefficient and the deformation depth of PVA/HA composite hydrogel decrease gradually with the contacting diameter increasing, and exhibit an increase trend with the contacting load; as the contact diameter increases, the fluid load support increases, then the average friction and deformation depth decrease; as the contact load increases, the loss of the liquid phase increases, then the fluid load support decreases, which causes that the average friction and deformation depth increase.
Key words: PVA/HA composite hydrogel    sliding friction    FEM    fluid load support   

随着社会的发展、老年人口的增多,因关节软骨磨损而导致的骨关节病、关节炎已逐渐成为影响人们健康的主要原因之一[1],目前临床上一般采用人工关节置换来治疗骨关节疾病[2],以重建关节功能。然而,目前所采用的人工关节置换材料多为金属、陶瓷和超高分子聚乙烯等硬质材料,而传统的人工关节置换材料由于缺乏润滑易导致较大的磨损,从而造成无菌性松动[3, 4];因此,近年来,人们开始仿照人体关节的软骨结构,将目前使用的人工硬质关节改进为带有软垫支撑的新型人工关节以实现有效润滑,即在人工关节表面引入一层薄薄的软骨,这一领域研究最多的材料是水凝胶。

聚乙烯醇(PVA)水凝胶具有与天然关节软骨类似的物理特性和良好的生物相容性,因此PVA水凝胶被认为是一种较理想的人工软骨植入材料[5, 6, 7]。Gonzalez等[8]采用冷冻/解冻法制得聚乙烯醇(PVA)/羟基磷灰石(HA)复合水凝胶,研究发现HA的添加改进了水凝胶的物理化学特性,并提高了水凝胶的力学性能。Maiolo等[9]利用冷冻/解冻法制备了PVA/HA复合水凝胶,研究了HA含量(0%,3%,7.5%,质量分数,下同)对水凝胶摩擦性能的影响,结果表明HA含量为3%时PVA/HA复合水凝胶具有最低的摩擦因数。张德坤等[10]研究发现PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦因数随着冷冻解冻次数和HA含量的增加而逐渐降低。Chan等[11]研究了关节软骨不同接触区域(包括承载和非承载区域)的纳米摩擦和黏着性能,发现承载软骨的黏着性能明显低于非承载软骨,结果表明在接触条件下,关节缺乏液体润滑,承载软骨位置的边界润滑剂含量更高,从而通过将粗糙接触下的黏着和磨损最小化来保护关节功能。虽然很多学者[12, 13, 14, 15]对于PVA水凝胶的制备及力学性能研究方面开展了大量工作,但是人体的关节多种多样,如肩关节、膝关节、髋关节等,不同关节之间的接触状况各不相同,并且针对PVA水凝胶液体承载特性的研究也较少。本工作基于人体中各关节之间接触尺度的差异,探讨了在不同接触尺度(接触压头直径、接触载荷)下,PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦行为及接触状况,并结合有限元模拟方法分析了PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦机理。

1 实验材料与方法 1.1 原材料和试剂

聚乙烯醇(PVA),型号为20-99,聚合度2050±70,醇解度99.9%,纳米羟基磷灰石的平均粒径小于20nm。

1.2 试样制备

按一定比例将称重好的PVA溶于去离子水中,在恒温水浴箱中于90℃以上加热4~6h,配制成一定浓度的PVA水溶液,加入一定含量的纳米羟基磷灰石粉末强力搅拌,待混合均匀后放置在空气中静置脱泡;然后将复合溶液倒入模具中,在低温冷冻储存箱中于-20℃左右冷冻6~12h成型,之后取出试样于室温下解冻2~4h,重复9次制得PVA/HA复合水凝胶。实验选用PVA的含量为15%,HA的含量为3.0%。图 1所示为制备的PVA/HA复合水凝胶试样。

图1 PVA/HA复合水凝胶试样 Fig.1 The sample of PVA/HA composite hydrogel
1.3 水凝胶滑动摩擦实验

在UMT-II型多功能摩擦磨损试验机上进行PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦实验,试样的厚度为2mm。为研究不同接触压头直径尺度下PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦行为,实验选用球头直径分别为1,2,4,8mm和28mm的金属接触压头,接触载荷为6N,滑动速率为1mm/s;为研究不同接触载荷对PVA/HA复合水凝胶滑动摩擦行为的影响,实验选用载荷为5,6,7N,采用直径为4,28mm的接触压头,滑动速率为1mm/s,图 2所示为不同接触压头直径下PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦测试示意图。

图2 不同接触压头直径下PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦行为 (a)平均摩擦力;(b)平均摩擦因数;(c)最大变形深度 Fig.2 Sliding friction behavior of PVA/HA composite hydrogel under different contact diameters (a)average friction force;(b)average friction coefficient;(c)maximum deformation depth
1.4 水凝胶滑动摩擦有限元模型

根据水凝胶与接触压头的尺寸,建立压头与水凝胶的有限元滑动摩擦模型,水凝胶的厚度为2mm,超高分子量聚乙烯的厚度为3mm,压头尺寸如1.3节所示。将压头设为分析钢体,采用均匀网格划分方法对水凝胶划分网格,水凝胶划分为800(8×100)个4节点双线性位移、双线性孔隙压力缩减积分轴对称实体单元(CAX4RP),水凝胶基体划分为400(4×100)个4节点双线性位移缩减积分轴对称实体单元(CAX4R),得到压头与水凝胶的有限元滑行模型。水凝胶滑动摩擦模型的边界条件:水凝胶底面的水平位移、竖直位移、转动位移为0,压头转动位移为0,水凝胶层周边区域的孔隙压力被设为0[16, 17],选用的载荷、滑动摩擦距离、滑动速率均与实验条件相同,材料属性如表 1所示。

表 1 PVA/HA复合水凝胶的材料属性[18, 19] Table 1 Material properties of PVA-HA composite hydrogel[18, 19]
MaterialElastic modulus/MPaPoisson’s ratioVoid ratioPermeability /(m4·N-1·s-1)
Bionic articular cartilage1.07 0.0114.562.8×10-14
UHMWPE1258 0.200
Co-Cr-Mo ball210000 0.300
2 结果与分析 2.1 不同接触压头尺度对水凝胶滑动摩擦行为的影响

图 2(a)(b)分别示出了法向载荷为6N,滑动速率为1mm/s时,不同接触压头直径对PVA/HA复合水凝胶平均摩擦力以及平均摩擦因数的影响,结果表明平均摩擦力和平均摩擦因数均随着接触压头直径的增加呈现下降的趋势,其中,当接触压头直径从1mm增加到28mm时,平均摩擦力从0.381N降至0.031N,减小了91.86%,平均摩擦因数从0.049降至0.011,减小了77.55%。这是由于随着接触压头直径的增加,压头与水凝胶接触面积增大,接触应力减小,从而降低了滑动过程中压头与水凝胶之间的摩擦力,导致摩擦因数减小;图 2(c)为不同接触压头尺度对最大变形深度的影响,结果表明最大变形深度随着接触压头直径的增加而降低,其中,当接触压头直径从1mm增加到28mm时,最大变形深度从0.241mm降至0.045mm,减小了81.33%。这是由于在相同载荷下,接触压头直径愈大,压头与水凝胶接触面积愈大,接触应力减小,从而使水凝胶发生变形能力愈弱,使得变形深度愈小。

2.2 不同接触载荷尺度对水凝胶滑动摩擦行为的影响

图 3(a)(b)所示分别为接触压头直径4mm和28mm时相同滑动速率下不同接触载荷对PVA/HA复合水凝胶平均摩擦力以及平均摩擦因数的影响,结果表明平均摩擦力和平均摩擦因数均随着接触载荷的增加呈增大的趋势,其中,当载荷从5N增加到7N时,对于接触压头直径为4mm,平均摩擦力从0.077N增加到0.202N,上升了162.33%,平均摩擦因数从0.015增加到0.043,上升了186.67%;对于压头直径为28mm,平均摩擦力从0.013N增加到0.079N,上升了507.69%,平均摩擦因数从0.011增加到0.027,上升了145.45%。这是由于随着接触载荷的增加,水凝胶表面单位面积承受的载荷增大,接触应力增加,因此摩擦力、摩擦因数增大;图 3(c)所示为接触压头直径4mm和28mm时不同接触载荷对最大变形深度的影响,可以发现最大变形深度随接触载荷的增加而增加,其中,当载荷从5N增加到7N时,对于接触压头直径为4mm,最大变形深度由0.135mm增加到0.151mm,上升了11.85%;对于压头直径为28mm,最大变形深度由0.033mm增加到0.061mm,上升了84.85%。这是由于接触载荷愈大,接触界面的接触应力增大,从而变形深度愈大。

图3 不同接触载荷下PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦行为 (a)平均摩擦力;(b)平均摩擦因数;(c)最大变形深度 Fig.3 Sliding friction behavior of PVA/HA composite hydrogel under different contact loads (a)average friction force;(b)average friction coefficient;(c)maximum deformation depth
2.3 滑动摩擦机理分析

表 2示出了在相同载荷、相同滑动速率及不同接触压头直径作用下,有限元模拟得到的HA含量为3%的PVA/HA复合水凝胶滑动摩擦性能参数。结果表明,随着接触压头直径的增加,变形深度逐渐减小,其中,当接触压头直径从1mm增加到4mm时,剪切应力从0.079000MPa减小到0.008900MPa,减小了88.73%;当接触压头直径从4mm增加到28mm时,剪切应力从0.008900MPa减小到0.000198MPa,减小了97.78%。图 4示出了模拟得到的不同接触压头直径下PVA/HA复合水凝胶的液相流速图,结果表明随着接触压头直径的增加,PVA/HA复合水凝胶的液相流速呈减小的趋势。

表 2 不同接触压头直径下PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦性能参数 Table 2 Sliding friction performance parameters of PVA/HA composite hydrogel under different contact diameters
Contact diameter/mmFluid load support ratio/%Fluid flow speed/(mm·s-1)Shear stress/ MPaSimulated deformation depth/mm
1210.016280.0790000.2880
2370.013310.0210000.2270
4560.010590.0089000.1800
8590.007590.0007600.1420
28680.003960.0001980.0862
图4 不同接触直径尺度下PVA/HA复合水凝胶的液相流速图 (a)2mm;(b)4mm;(c)8mm;(d)28mm Fig.4 Fluid flow speed of PVA/HA composite hydrogel under different contact diameters (a)2mm;(b)4mm;(c)8mm;(d)28mm

图 5示出了不同接触压头直径下PVA/HA复合水凝胶的液体承载比和平均摩擦力。结果表明,液体承载比随着接触压头直径的增加而增大,而平均摩擦力则相反,其中,当接触压头直径从1mm增加到28mm时,液体承载比从21%增至68%,上升了223.81%,而平均摩擦力从0.381N降到0.031N,减小了91.86%。PVA/HA复合水凝胶在相同载荷、相同滑动速率及不同接触压头直径作用下,随着接触压头直径的增大,压头与水凝胶接触面积增大,液相流速减小,液体流失少,从而导致液相的承载力增加,因此平均摩擦力减小。

图5 不同接触压头直径下PVA/HA复合水凝胶的液体承载比和平均摩擦力 Fig.5 The fluid load support ratio and average friction force of PVA/HA composite hydrogel under different contact diameters

表 3示出了在相同压头直径、相同滑动速率及不同接触载荷作用下,有限元模拟得到的HA含量为3%的PVA/HA复合水凝胶滑动摩擦性能参数。结果表明,随着接触载荷的增加,变形深度逐渐增加,实验变形深度和模拟变形深度的最大相对误差为26.95%,其中,当载荷从5N增加到7N时,剪切应力从0. 004377MPa增加到0.009272MPa,上升了111.83%。图 6示出了模拟得到的不同接触载荷下PVA/HA复合水凝胶的液相流速图,结果表明随着接触载荷的增加,PVA/HA复合水凝胶的液相流速呈增加的趋势。

表 3 不同接触载荷下PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦性能参数 Table 3 Sliding friction performance parameters of PVA/HA composite hydrogel under different contact loads
Contact load/N Fluid load
support ratio/%
Fluid flow speed/
(mm·s-1)
Shear stress/
MPa
Simulated deformation
depth/mm
Experimental
deformation depth/mm
Deformation
depth error/%
5580.009590.0043770.1580.13517.03
6480.010590.0088630.1790.14126.95
7380.011480.0092720.1990.15124.12
图6 不同接触载荷下PVA/HA复合水凝胶的液相流速图 (a)5N;(b)6N;(c)7N Fig.6 Fluid flow speed of PVA/HA composite hydrogel under different contact loads (a)5N;(b)6N;(c)7N

图 7示出了不同接触载荷下PVA/HA复合水凝胶的液体承载比和平均摩擦力。结果表明,液体承载比随着载荷的增加而减小,而平均摩擦力则相反,其中,当载荷从5N增加到7N时,液体承载比从58%降到38%,减小了223.81%,而平均摩擦力从0.077N增加到0.202N,上升了162.33%。PVA/HA复合水凝胶在相同接触压头直径、相同滑动速率及不同接触载荷作用下,随着接触载荷的增加,水凝胶单位面积所承受的载荷增大,液相流速增加,从而导致液相流失增加,液相的承载能力下降,因此平均摩擦力增大。

图7 不同接触载荷下PVA/HA复合水凝胶的液体承载比和平均摩擦力 Fig.7 The fluid load support ratio and average friction force of PVA/HA composite hydrogel under different contact loads
3 结论

(1)随着接触压头直径的增加,滑动过程中PVA/HA复合水凝胶的平均摩擦力、平均摩擦因数及变形深度均呈逐渐减小的变化趋势。

(2)随着接触载荷的增加,滑动过程中PVA/HA复合水凝胶的平均摩擦力、平均摩擦因数逐渐增加,变形深度也呈逐渐增加的趋势。

(3)随着接触压头直径的增加,液相流失减少,液相的承载能力增大,从而平均摩擦力、变形深度减小;随着接触载荷的增加,液相流失增加,液相的承载能力降低,从而平均摩擦力、变形深度增加。

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