4. Część badawcza
4.1 Metodyka badań
4.1.4 Zastosowane metody badawcze
Analiza termograwimetryczna (TGA) przeprowadzona została z użyciem analizatora termicznego Netzsch STA 449 Jupiter®. Naważki wynoszące około 10 mg umieszczano w otwartych tyglach korundowych. Pomiary prowadzono w trybie dynamicznym, z prędkością ogrzewania wynoszącą 10 K/min, od 40 do 600°C, w atmosferze azotu (przepływ 30 ml/min). Na podstawie otrzymanych krzywych TG, oznaczano temperatury odpowiadające ubytkom masy odpowiednio: 1, 3, 5, 10, 20 i 50%, które oznaczano jako Tx%, gdzie x oznaczało procentowy ubytek masy. Ponadto wyznaczana była pierwsza pochodna krzywej TG (DTG) oraz temperatura odpowiadająca maksymalnej szybkości ubytku masy (TDTGmax). Dodatkowo, wyznaczana była ilość stałej pozostałości w [%] w temperaturze 550°C.
Analiza elementarna pierwiastków: węgla (C), tlenu (O) i wodoru (H) w próbkach HAp-g-PEG przeprowadzona była za pomocą analizatora elementarnego LECO CHN628 zgodnie z normą ASTM D 5373. Badane próbki spalano w czystym tlenie w temperaturze 950°C w celu całkowitego spalenia części organicznej. W spalinach oznaczono kolejno zawartość C i H - na podstawie analizy widma absorpcyjnego w podczerwieni, natomiast N - na podstawie pomiaru termoprzewodności.
Pomiary metodą NMR (1
H MAS-NMR, 31P MAS-NMR oraz 13C MAS-NMR) prowadzono w ciele stałym dla proszków HAp-g-PEG oraz kompozytów POM_C/HAp-g-PEG. Widma MAS-NMR w ciele stałym zostały zmierzone przy użyciu spektrometru APOLLO firmy Tecmag, współpracującym z magnesem nadprzewodzącym firmy Magnex o polu 7,05 T i średnicy 89 mm. Sonda MAS typu HP-WB firmy Bruker była użyta do wirowania próbki pod kątem magicznym. Próbka umieszczona była w rotorze cyrkonowym o średnicy 4 mm, wyposażonym w turbinę z KEL-F. Rejestrowano sygnał swobodnej precesji po pojedynczym impulsie wzbudzającym o długości 3 s, odpowiadającej obrotowi magnetyzacji o 90°
.
Widma 31P MAS-NMR były mierzone przy częstotliwości rezonansowej 121,26 MHz, wirując próbkę z częstotliwością 4 kHz. Widmo jest wynikiem uśrednienia 128 pomiarów wykonanych z czasem repetycji równym 10 s. Skala ppm została wyznaczona za pomocą ciekłej próbki 85% roztworu H3PO4.
Widma 13C MAS-NMR były mierzone przy częstotliwości rezonansowej 75,33 MHz, wirując próbkę z częstotliwością 8 kHz. Widmo jest wynikiem uśrednienia 400 pomiarów wykonanych
64
z czasem repetycji równym 20 s. Skala ppm została wyznaczona za pomocą ciekłej próbki tetrametylosilanu (TMS).
Widma 1H MAS-NMR mierzono przy częstotliwości rezonansowej 299,56 MHz, wirując próbkę z częstotliwością 8 kHz. Widmo jest wynikiem uśrednienia 1000 pomiarów wykonanych z czasem repetycji równym 1 s. Skala ppm została wyznaczona za pomocą ciekłej próbki TMS.
Widma FTIR zarejestrowano przy użyciu spektrometru Vertex 70v (Bruker) w temperaturze pokojowej, w atmosferze powietrza, przy rozdzielczości 2 cm-1
, w zakresie 4000–500 cm-1. Dla próbek HAp-g-PEG pomiar wykonywany był z użyciem pastylek z bromku potasu (KBr). Dla kompozytów POM/HAp-g-PEG prowadzone były pomiary z wykorzystaniem techniki ATR za pomocą przystawki HATR PIKE na diamentowym krysztale, w analogicznych warunkach.
Badania WAXD prowadzono w temperaturze pokojowej za pomocą dyfraktometru Philips X’Pert Pro MD z użyciem promieniowania monochromatycznego CuKα uzyskanego za pomocą monochromatora germanowego (Ge(111)). Pomiary prowadzono z wykorzystaniem standardowej geometrii Bragga-Bretano, dla zakresu kątów 2θ=15–60°, z rozdzielczością 0,008°. Dodatkowo, został wyznaczony stopień krystaliczności (Xc) czystego HAp oraz układów HAp-g-PEG z poniższego równania:
(7)
gdzie: Xc [%] – stopień krystaliczności HAp, I300 – intensywność piku dyfrakcyjnego (300), V112/300 –
intensywność zagłębienia pomiędzy pikami dyfrakcyjnymi (112) i (300) HAp (158).
Średni rozmiar krystalitów dla czystego HAp oraz HAp-g-PEG wyznaczono na podstawie równania Debye-Scherrera:
=
(8)gdzie: D [nm] – średnia wielkość krystalitów (nm), K – stała Scherrera zależna od kształtu krystalitów (K=0,9), λ – długość fali stosowanego promieniowana (dla CuKα, λ=0,15406 nm),
β – szerokość połówkowa analizowanego piku, θ – kąt Bragga (rad). Rozmiar krystalitów mierzony
dla piku (002), ponieważ odpowiadający mu wskaźnik Millera odpowiada długości osi c (159).
Badania morfologii powierzchni kompozytów POM prowadzono za pomocą mikroskopu SEM (Nova NanoSEM 200, producent FEI EUROPE COMPANY) przy napięciu przyspieszającym 10 kV, po wcześniejszym napyleniu próbek węglem. Mikroskop wyposażony w spektrometr rentgenowski (EDX) firmy EDAX, wykorzystano do analizy pierwiastków chemicznych na powierzchni badanych próbek. Prowadzono zarówno analizę EDX punktową oraz analizę średnią z badanych obszarów próbek.
Mikrofotografie TEM otrzymano używając mikroskopu TEM (LEO 912AB, firmy Carl Zeiss wyprodukowany w Niemczech). Przed wykonaniem obserwacji próbki pocięto za pomocą ultramikrotomu MTX (RMC Products, Tucson, Arizona USA).
65 Do pomiarów metodą DSC wykorzystano różnicowy kalorymetr skaningowy DSC 1 (METTLER TOLEDO) z dołączonym oprogramowaniem STARe. Pomiary wykonywane były zgodnie z normą ISO 11357-3:2009. Pomiary przeprowadzono przy szybkości ogrzewania i chłodzenia 10 K/min w atmosferze azotu (przepływ 30 ml/min). Próbki o masie około 5 mg umieszczano w zamkniętych i dziurkowanych naczyńkach aluminiowych. Próbkę odniesienia stanowiło puste naczynko aluminiowe. Do chłodzenia wykorzystano intracooler. Kalorymetr był kalibrowany przed pomiarami za pomocą cynku oraz indu. Dla próbek kompozytów (POM/HAp-g-PEG) prowadzono pomiar w trybie dynamicznym, w którym próbkę ogrzewano (25–200°C), następnie chłodzono (200–25°C) oraz ponownie ogrzewano do temperatury 200°C. Pierwsze ogrzewanie miało na celu usunięcie historii termicznej materiału. Na podstawie uzyskanych krzywych DSC, wyznaczono entalpię topnienia (∆Hm) POM, a następnie wyznaczono stopień krystaliczności POM w kompozytach POM/HAp-g-PEG wykorzystując równanie 9.
(9) gdzie: Xc – stopień krystaliczności polimeru, ∆Hm - ciepło topnienia polimeru, w – udział wagowy dodatku (HAp-g-PEG) w kompozycie, - ciepło topnienia 100% krystalicznego polimeru (Xc=100%), dla POM =326,3 J/g (160). Na potrzeby obliczania kinetyki krystalizacji
przeprowadzono również pomiary izotermiczne, podczas których próbki o masie około 5 mg ogrzewano do temperatury 180°C, dla POM_C, oraz 195°C dla POM_H, przetrzymywano przez 5 min do całkowitego stopienia polimeru w podanych temperaturach, a następnie gwałtownie schładzano z szybkością 80 K/min do temperatury krystalizacji POM. Na podstawie otrzymanych wyników DSC, zbadano wpływ HAp-g-PEG na kinetykę krystalizacji POM w warunkach izotermicznych korzystając z równania Avramiego oraz Lauritzena-Hoffmana.
Pomiary metodą DSC z modulacją temperatury wykonano wykorzystując również analizator DSC 1 (METTLER TOLEDO) w opcji – TOPEM® DSC. Pomiary TOPEM® DSC prowadzono przy amplitudzie 1 K, okresie przytrzymywania 15–30 s oraz szybkości ogrzewania 2 K/min w zakresie temperatur od 25 do 200°C. Masa próbek wynosiła około 12 mg, pomiar odbywał się w atmosferze azotu przy przepływie 30 ml/min.
Metodę DMA wykorzystano do pomiaru temperatury relaksacji badanych materiałów oraz oceny temperatur zeszklenia POM w otrzymanych kompozytach. Do pomiarów wykorzystano aparat DMA 850 Discovery firmy TA Instruments pracujący w trybie zginania przy mocowaniu próbki na jednym końcu (ang. Single Cantilever). Pomiary prowadzono w atmosferze azotu, w zakresie temperatur od -90°C do 150°C, ogrzewając próbki z szybkością 3°C/min, odkształcając je z częstotliwością 10 Hz z amplitudą 10 μm. Wymiary próbek do pomiarów to 20 mm x 4,75 mm x 4,05 mm.
Do obrazowania powierzchni kompozytów użyto mikroskopu AFM XE120 Park Systems. Pomiary prowadzono w trybie kontaktowym, w atmosferze powietrza. Do pomiarów wykorzystano sondę z ostrzem skanującym (MLCT-C) firmy Bruker wykonaną z nieprzewodzącego azotku krzemu w kształcie litery V. Zastosowana sonda pomiarowa (MLCT-C) charakteryzowała się następującymi
66
parametrami: stała sprężystości (k) – 0,01 N/m oraz częstotliwość rezonansowa 4–10 kHz. W wyniku prowadzonych pomiarów uzyskiwano obrazy o wymiarach 90 x 90 μm.
Kinetyka procesu degradacji kompozytów obliczana była na podstawie wyników pomiarów TG. Pomiary te wykonano z użyciem aparatu TGA 550 Discovery (TA Instruments), prowadząc pomiary w trybie dynamicznym, z szybkościami ogrzewania wynoszącymi odpowiednio: 2,5, 5, 7, 10 K/min. Stosowano naważki około 10 mg, pomiar prowadzony w atmosferze azotu (przepływ 25 ml/min), z użyciem tygli platynowych. Do obliczenia parametrów kinetycznych procesu degradacji wykorzystano program Kinetics Neo wersja 1.6.2 (Netzsch), stosując metody izokonwersyjne (Freidmana) oraz metodę wielokrotnej regresji nieliniowej.
Analizę chemiczną lotnych produktów rozkładu badanych materiałów przeprowadzono z wykorzystaniem metody TG-FTIR/MS. Analiza TG prowadzona była z użyciem aparatu Mettler Toledo TGA/DSC1. Badania prowadzono w zakresie temperatur od 25 do 500°C, z szybkością ogrzewania 10°C/min. Naważki około 10 mg umieszczano w otwartych aluminiowych naczynkach o objętości 150 μl. Pomiar prowadzono w atmosferze azotu, stosując przepływ gazu 50 ml/min. Aparat Mettler Toledo TGA/DSC1 sprzężony był ze spektrometrem FTIR Nicolet iZ10 (Thermo Scientific), przewodem podgrzewanym do temperatury 220°C. Kolejne widma dla wydobywających się z próbek gazów rejestrowane były w zakresie od 400 do 4000 cm-1
z rozdzielczością 4 cm-1. Jednocześnie następował transport powstających gazów za pomocą kwarcowej kapilary ogrzewanej do 200°C do spektrometru mas ThermoStarTM (Pfeiffer Vacuum), gdzie rejestrowano wybrane sygnały m/z.
Przeprowadzono pomiary właściwości spalania próbek za pomocą mikrokalorymetru PCFC (Testing Technology Ltd) w atmosferze tlenu. Stosowano naważki próbek o masie około 5 mg, które ogrzewano z prędkością 1 K/min do temperatury 750°C.
Palność kompozytów POM wyznaczono używając poziomego testu klas palności UL 94 (IEC 60695-11-10:1999) dla tworzyw sztucznych. Na podstawie prowadzonych badań palności wyznaczono całkowity czas oraz szybkość spalania próbek. Dokonano oceny barwy płomienia, ilości spadających kropel podczas spalania, powstawania zwęgliny oraz zapalania się bibuły. Badania prowadzono dla 5 próbek z każdej serii. Badano również wpływ dodatku HAp-g-PEG na LOI kompozytów zgodnie z normą DIN EN ISO 4589-2 za pomocą aparatu Oxygen Index Module (Concept Fire Testing). Zawartość tlenu w atmosferze spalania wyznaczana była z dokładnością 0,1%, a przepływ gazu (mieszaniny azotu i tlenu) wynosił 10 l/min.
Właściwości mechaniczne otrzymanych kompozytów badano z użyciem maszyny wytrzymałościowej Zwick 1435, w trybie rozciągania. Próbki w kształcie wiosełek i wymiarach wynoszących: grubość – 1,53±0,02 mm oraz szerokość – 4,91±0,02 mm, przygotowywano metodą wtrysku, zgodnie z normą ISO 3167. Pomiary prowadzono w temperaturze pokojowej, z szybkością rozciągania 50 mm/min zgodnie z zaleceniami normy ISO 527. Z krzywych pomiarowych w układzie odkształcenie-naprężenie wyznaczono moduł Young’a (E), wytrzymałość na rozciąganie (Rm) oraz maksymalnej wartości siły (Fmax). Uzyskane wyniki były średnią z trzech pomiarów dla każdej z próbek.
Pomiaru twardości kompozytów POM dokonano za pomocą automatycznego twardościomierza uniwersalnego KB 150R Prüftechnik GmbH, metodą kulkową, Brinella zgodnie z normą PN-EN ISO 2039-1:2004. Do pomiarów użyto kulki z węglików spiekanych (94%WC + 6%Co).
67 Kulkę o średnicy 5 mm zagłębiano w powierzchnie badanych próbek z siłą 358 N przez 10 s. Twardość wyznaczano na podstawie pomiaru głębokości odcisku wgłębnika. Średnią twardość próbek wyznaczano na podstawie 12 pomiarów.
Zwilżalność kompozytów POM badana była za pomocą goniometru DSA 10MK2 (Krüss). Kąt zwilżalności powierzchni wyznaczany był z zastosowaniem wody destylowanej (UHQ), poprzez pomiary wykonywane dla dziesięciu kropli o objętości 0,20±0,04 μl metodą siedzącej kropli na powierzchni próbek. Poprzez prowadzenie inkubacji in vitro w SBF w 37°C przez okres 21 dni dokonano wstępnej oceny bioaktywności kompozytów POM. Do inkubacji wykorzystano SBF o stężeniu 1,5x, który wymiany był co 3 dni przez cały okres trwania inkubacji. Po zakończonej inkubacji dokonano analizy powierzchni próbek z użyciem mikroskopii SEM/EDX w celu oszacowania jakości, składu chemicznego i stechiometrii powstałych na powierzchni kompozytów apatytów.
W celu oszacowania oraz wstępnej analizy wydzielania formaldehydu z kompozytów POM przeprowadzono tzw. próbę Schiff’a. Próbki umieszczono wodzie destylowanej, w stosunku 1:10 (w/v), a następnie inkubowano przez okres 21 dni, wymieniając codzienne wodę. Po 24h, 7 oraz 14 dniach przeprowadzano próbę Schiff’a, podczas której, wodę po inkubacji próbek przelewano do osobnych próbówek, dodawano po 3 krople odczynnika Schiff’a, mieszano i po minucie fotografowano zmianę barwy wody. Próbką referencyjną była woda destylowana, w której nie umieszczano poliacetalowego kompozytu.