Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время ведутся активные
исследования в области синтеза стеклокерамических материалов. Это
обусловлено широким спектром физико-химических и целевых свойств таких
материалов, а так же увеличением потребностей современного рынка наукоемких
технологий в новых материалах. В связи с этим особую актуальность приобретает
золь-гель метод синтеза, т.к. обеспечивает высокую степень гомонизации
исходных компонентов, чистоту продуктов на всех стадиях синтеза и позволяет
снизить энергозатраты. Большинство публикаций посвященных применению и
развитию золь-гель технологии, относится к композициям на основе кремнезема,
состав которых постоянно расширяется. Однако физико-химические процессы,
лежащие в основе каждой стадии процесса, а так же свойства полученных
материалов в зависимости от условий синтеза изучены не достаточно подробно,
что затрудняет широкое использование этих материалов. Силикофосфатные
материалы, как бинарные, так и поликомпонентные, традиционно используются
при получении оптических сред, а в последние десятилетия широкое применение
находят в медицине, в качестве биоактивных материалов. Получение
силикофосфатных материалов традиционным сплавлением сырьевых материалов
- чрезвычайно трудоемкий и трудно управляемый процесс, что имеет следствием
неопределенность состава и нестабильность свойств. Вместе с тем, применение
именно золь-гель методов при синтезе, в частности, биоматериалов, как показано
многими зарубежными исследователями, наряду с технологическими
преимуществами оказывает значительное позитивное влияние на биоактивные свойства получаемых материалов.
В связи с этим актуальным является создание тонкопленочных материалов на основе малоизученной в тонкопленочном состоянии систем CaO-P20s-Si02. Для успешного применения новых функциональных материалов на основе этой системы и разработки технологии их изготовления необходимо установить взаимосвязь между технологическими и целевыми свойствами, составом, структурой и условиями их получения. В настоящее время в отечественной и зарубежной литературе еще недостаточно изучены вопросы, касающиеся процессов образования пленок из пленкообразующих растворов на основе спиртовых растворов тетроэтоксисилана, ортофосфорной кислоты, хлорида кальция, не установлено влияние условий формирования тройной системы на физико-химические свойства и структуру их пленок, исследования в этом направлении являются актуальным.
Работа выполнена в рамках гос. задания НИ ТГУ на выполнение научно-исследовательской работы по теме: «Золь-гель технология получения тонко пленочных и дисперсных материалов на основе оксидных систем элементов II-V группы с заданными свойствами» (2012 год, № 3.4273.2011).
Цель работы: разработка составов и технологии получения тонкопленочных и дисперсных, композиционных материалов на титановых
подложках на основе оксидов системы CaCM^Os-SiC^. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
определить пленкообразующую способность спиртовых растворов на основе тетроэтоксисилана, ортофосфорной кислоты, хлорида кальция, а также временной интервал стабильности их свойств, в течение которого возможно получение пленок и дисперсных систем с заданными характеристиками;
исследовать физико-химические процессы, протекающие при формировании тонких пленок на основе оксидов кремния, фосфора и кальция из пленкообразующих растворов методами центрифугирования и вытягивания, определить оптимальные режимы;
установить влияние состава пленкообразующего раствора и условий получения на фазовый состав, структуру и свойства силико фосфатных тонких пленок и дисперсных систем;
определить условия нанесения и закрепления пленочного кальций-фосфатного покрытия на титановой подложке;
исследовать биологические свойства полученных композиционных материалов титан - оксид титана - кальций-фосфатное покрытие в искусственных условиях (в среде SBF) и естественных условиях. Научная новизна
1.Установлено, что в спиртовых растворах на основе тетроэтоксисилана, ортофосфорной кислоты, хлорида кальция в течение первых двух суток происходят реакции гидролиза и поликонденсации, приводящие к коллоидации, в результате система приобретает пленкообразующую способность. При этом значение вязкости соответствует 3,8 до 4,6 10 Пас.
2.Установлено, что формирование кристаллических фаз тонких пленок начинается при температуре выше 600С, при этом основными продуктами кристаллизации являются кристаллические формы SiC>2, волластонит CaSiC>3, Са2Р207.
-
Установлено, при содержании оксида кремния более 50% формируются структурированные пленки с высотой рельефа от 2 до 10 мкм при сохранении пленкообразующих свойств, что обеспечивает функциональность покрытия.
-
Установлено, что при нанесении золь-гель пленки на оксидированную поверхность титана формируется устойчивая композиция титан - оксид титана -кальций-фосфатное покрытие, адгезия пленочного покрытия к оксидированной поверхности титана составляет 2,3 Н. При нанесении золь-гель пленки на поверхность чистого титана пленка формируется, но адгезия отсутствует.
Практическая ценность работы.
Разработаны составы кальций-фосфатного пленочного покрытия для модифицирования оксидированной поверхности титана. Разработана технология получения композиций титан - оксид титана - кальций-фосфатное покрытие для биоактивных имплантатов.
Реализация работы. Разработанные материалы предложены в качестве биоактивных материалов в медицине для ортопедии и травматологии.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международных, всероссийских и региональных конференциях, семинарах, в том числе:Международной конференции Полифункциональные наноматериалы и нанотехнологии. (Томск, 2008), II Международной конференции с элементами научной школы«Физика и химия наноматериалов» (Томск, 2009), VIII международной научной школе конференции «Фундаментальное прикладное материаловедение» (Барнаул, 2011), XIX Менделеевском съезд по общей и прикладной химии « Химия и технология материалов, включая наноматериалы» (Волгоград , 2011), XIII всероссийской научно-практической конференции имени профессора Л.П. Кулева студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2012), Общероссийской с международным участием научной конференции. «Полифункциональные химические материалы и технологии» (Томск 2012), II конференции стран СНГ «Золь - гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем» (Севастополь. 2012). V Всероссийская конференция (с международным участием) «Химия поверхности и нанотехнология». (Санкт-Петербург - Хилово, 2012).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, включая 3 статьи в центральной печати, 1 патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы. Работа изложена на 133 страницах, содержит 33 рисунка, 23 таблицы, список цитируемой литературы состоит из 175 наименования.
