THE STUDY OF MECHANICAL PROPERTIES OF ADHESIVE SYSTEM WITH A SILVER NANOPARTICULATE FILLER

Full Text

Введение. При разработке рентгеноконтрастных адгезивных систем с введенными наноразмерными частицами неизбежно встает вопрос о влиянии наполнителя на фи- зико-химические и механические свойства адгезива. Вместе с этим остаются недостаточно изученными вопросы стабилизации покрытых поливинилпирро-лидоном (ПВП) наночастиц в органических слабополярных средах, к которым принадлежат адгезивные системы. Целью исследования является изучение влияния наполнителя из наноразмерного серебра на механические характеристики адгезивной системы. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Материалы и методы Для создания образцов рентгеноконтрастной адгезивной системы применялась адгезивная система пятого поколения AdperTM Single Bond (3M ESPE) и коллоидный раствор ПВП-стабилизированных наночастиц серебра, синтезированных в ИБФРМ РАН [1]. Весовая доля частиц серебра в этаноле составляла 25 мг/л, средний диаметр частиц — 30—60 нм (рис. 1 на вклейке). Для исследования поверхностной морфологии и химического состава образцов полимеризованной адгезивной системы с введенными наночастицами использовали аналитический комплекс на базе растрового электронного микроскопа высокого разрешения SEM Mira/LMU, TESCAN c системой энергодисперсионного анализа EDX INC A Energy, Oxford Instruments (см. рис. 1 на вклейке). Измерения механических характеристик образцов проводились на одноколонной универсальной испытательной машине Instron 3342, Instron (рис. 2 на вклейке). Ход работы Для проведения механических испытаний были изготовлены образцы адгезивной системы в виде тонких пленок с различным процентным содержанием наноразмерного серебра. Введение ПВП-стабилизированных наночастиц серебра в адгезивную систему проводилось по схеме, предложенной рядом авторов [2—5]. На рис. 3, а—г (на вклейке) представлены лабораторные этапы изготовления образцов пленок адгезивной системы. Метрические характеристики образцов (длина, ширина, толщина) измерялись на нескольких участках для минимизации погрешности, связанной с неравномерностью площади поперечного сечения образцов (рис. 3, д, е, см. на вклейке). Все образцы были поделены на 4 группы: 1-ю группу составляли образцы без наполнителя, 2, 3, 4-ю — с 1, 5 и 10% содержанием наночастиц серебра соответственно. а а вс Т 2 3 4 5^6 Результаты и обсуждение Метрические характеристики образцов представлены в табл. 1—4. На рис. 4 (на вклейке) и рис. 5 представлены зависимости приложенной нагрузки от относительного удлинения при растяжении для образцов групп 1—4. При построении графиков исключались участки, связанные с начальным распрямлением образцов без деформации. На рис. 4, 5 представлены зависимости приложенной нагрузки от относительного удлинения при растяжении для образцов 1—4-й групп. При построении графиков исключались участки, связанные с начальным распрямлением образцов без деформации. В табл. 5 представлены данные о предельных нагрузках и удлинениях, при которых происходит разрыв, и рассчитаны значения модуля Юнга для образцов всех 4 групп. Следует сделать несколько замечаний. 1. Исходный материал сам по себе является неоднородным, что иллюстрировано рис. 5, а и данными табл. 5. 2. Разброс результатов механических испытаний в пределах каждой группы образцов с одним и тем же содержанием серебра не превосходит отклонений в исходных материалах. При использовании материалов с меньшим разбросом в пределах одной группы образцов наблюдается воспроизводимость. 3. Введение серебра в адгезивную систему порядка 1%, достаточного для придания ей требуемой рентге-ноконтрастности, приводит к увеличению прочности б 1 2 3 0,02 0,04 0,06 0,08 0,12 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 -1 Рис. 5. Зависимости приложенной нагрузки от относительного удлинения образца а—г — соответствуют группам 1—4. 11 РОССИЙСКИЙ СТОМАТОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, №4, 2013 Т аблица 1 Метрические характеристики образцов 1-й группы Обра зец Длина, мм Ширина, мм Толщина, мм Усредненное значение толщины, мм 1 4,0 3,776 0,092 0,078 0,100 0,090 2 2,5 3,292 0,203 0,248 0,083 0,178 3 2,0 3,612 0,097 0,104 0,135 0,112 4 2,5 3,228 0,141 0,092 0,088 0,107 5 2,0 3,084 0,153 0,114 0,096 0,121 6 2 3,43 0,121 0,124 0,124 0,123 Т аблица 2 Метрические характеристики образцов 2-й группы Обра зец Длина, мм Ширина, мм Толщина, мм Усредненное значение толщины, мм 1 3,00 3,950 0,101 0,106 0,087 0,098 2 2,50 3,337 0,146 0,089 0,113 0,116 3 2,33 2,360 0,098 0,075 0,102 0,091 Т аблица 3 Метрические характеристики образцов 3-й группы Обра зец Длина, мм Ширина, мм Толщина, мм Усредненное значение толщины, мм 1 4,5 3,113 0,105 0,099 0,102 0,102 2 2,7 3,119 0,091 0,105 2,0 2,899 0,121 0,103 0,101 0,132 0,106 0,113 и упругости материала, что отображается в зависимостях значений предельных нагрузок и модуля Юнга от процентного содержания серебра (см. табл. 5, см. рис. 4, 5). Дальнейшее увеличение содержания серебра в адгезивной системе приводит к качественному изменению механических свойств. В частности, вид зависимостей нагрузки от относительного удлинения для образцов 4-й группы существенно отличается от таковых для групп 1—3. Разрыв образцов полимери-зованной адгезивной системы с 10% концентрацией серебра происходит при малых нагрузках (см. рис. 5, г), в то время как введение 1% серебра приводит к разрыву образцов при нагрузках, сравнимых и выше, чем у образцов без наночастиц (см. рис. 5, б). Наблюдаемый феномен, по-видимому, можно качественно объяснить следующим образом. При высоком содержании наполнителя в исследуемых образцах происходят разрывы связей филаментов адгезивной системы наночастицами серебра, что схематично представлено на рис. 6, а (на вклейке). Образующиеся Таблица 4 Метрические характеристики образцов 4-й группы Обра зец Длина, мм Ширина, мм Толщина, мм Усредненное значение толщины, мм 1 2,2 4,482 0,062 0,070 0,081 2 1,5 2,708 0,040 0,053 0,060 3 2,0 3,212 0,040 0,053 0,036 Механические испытания образцов 0,071 0,051 0,043 Таблица 5 Образец Ч < 1/І0 > P, MPa <P>, MPa E, Pa 1-я группа А 0,038 0,038 18,826 18,826 586,55 B 0,080 0,062 10,768 8,868 249,46 0,077 9,581 250,77 0,030 6,256 221,69 C 0,040 0,040 3,650 3,439 176,09 0,040 3,228 104,41 2-я группа 1 0,060 0,046 20,029 15,092 522,164 2 0,053 17,560 395,502 3 0,025 7,687 371,036 3-я группа 1 0,027 0,052 16,384 12,727 761,064 2 0,089 14,018 386,85 3 0,040 7,779 231,32 4-я группа 1 0,019 0,037 2,687 2,047 280,297 2 0,077 3,342 100,717 3 0,014 0,111 15,218 Примеч предельная ание . l/l — нагрузка, 0E относительное удлинение образца, P - модуль Юнга. 3 12 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ же при этом связи между ПВП-стабилизированными наночастицами серебра и адгезивом менее прочные. При малых значениях концентрации наноразмерного серебра в образцах величина отношения количества разрывов связей в объеме полимера, образующего адгезивную систему, к количеству связей, образованных между наполнителем и полимером, незначительна (рис. 6, б). Заметим, что такое объяснение не является единственным, возможны и перколяционные изменения в исследуемых образцах [6, 7]. В зависимости от процентного содержания наночастиц в объеме адгезива последние могут образовывать упорядоченные структуры — кластеры, например в виде цепочек, по которым и происходит разрыв при механическом воздействии на образец (рис. 7 на вклейке). Дальнейшее детальное исследование позволит выяснить наиболее вероятный механизм. На рис. 8 представлены кадры видеозаписи деформации образца 3-й группы при растяжении в различные моменты времени, зафиксированные камерой микроскопа, входящего в комплект поставки используемой в эксперименте испытательной машины. При проведении механических испытаний образцы закреплялись в вертикальном положении с использованием селективных зажимов. На начальном этапе происходило распрямление образцов без деформации. Можно предположить, что вид разрыва, имеющий неправильную форму, связан с неравномерностью распределения наночастиц серебра по объему адгезивной системы при высокой концентрации последних в результате формирования из них связанных структур. Следует отметить, что при разработке адгезивной системы с наполнителем из ПВП-стабилизированного наноразмерного серебра необходимо также учитывать влияние среды адгезива. Принято считать, что ПВП-покрытые наночастицы обладают неравномерным распределением зарядов, что препятствует их агломерации. Однако в адгезив Рис. 8. Напряженно-деформированные состояния в различные моменты времени для образца 3-й группы. ной системе, которая сама по себе является слабополярным органическим соединением, взаимодействие частиц изменяется. Заключение В результате проведенных исследований показано, что механические характеристики адгезивной системы изменяются с ростом концентрации наночастиц серебра неоднозначно. Установлено, что при концентрации серебра 1%, достаточной для сообщения материалу требуемой рентгеноконтрастности, механические свойства находятся вблизи оптимума и выше, чем у адгезивной системы без серебряного наполнителя. Полученные результаты указывают на возможность использования наноразмерного серебра в качестве наполнителя при разработке рентгеноконтрастных адгезивных систем.

About the authors

Nadezda Olegovna Bessudnova

National Research University "Saratov State University named after N.G. Chernishevsky"

Email: nadezda.bessudnova@gmail.com
410012, Saratov, Russia

David Isakovich Bilenko

National Research University "Saratov State University named after N.G. Chernishevsky"

410012, Saratov, Russia

Sergey Borisovich Venig

National Research University "Saratov State University named after N.G. Chernishevsky"

410012, Saratov, Russia

References

Supplementary files