مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

نانوکامپوزیت های پلی اتیلن با چگالی بالا/ اکسید روی برای کاربردهای پزشکی: فرآوری ‌و مشخصه سازی استحکام ضربه و فعالیت آنتی باکتریال

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسنده
سعید رحمانیان
گروه مهندسی مکانیک، دانشکذه فنی و مهندسی، دانشگاه جهرم، جهرم، ایران
چکیده
در پژوهش حاضر قابلیت استفاده از کامپوزیت با زمینه پلی اتلین با چگالی بالا (HDPE) در کاربردهای پزشکی تحت بارهای ضربه ای بررسی شده است. با ‏توجه به اهمیت زیست سازگاری کامپوزیت در کاربردهای پزشکی و محیط بدن از نانوذرات اکسید روی (ZnO) به عنوان تقویت کننده استفاده شده است. ‏نانوذرات ‏ZnO‏ بطور عمومی ایمن بوده و دارای خاصیت آنتی باکتریال می باشند. با توجه به اهمیت اثر درصد حجمی ذرات پرکننده در ماتریس بر خواص ‏مکانیکی، از فرآیند شبیه سازی المان محدود دو مقیاسه برای بررسی خواص ضربه کامپوزیت ها استفاده شده است، تا درصد بهینه به دست آید. ذرات ZnO به روش سایش تخلیه الکتریکی سنتز شده و در تولید کامپوزیت های HDPE/ZnO بدون استفاده از سازگار کننده بکار گرفته شده اند. برای بررسی پخش ذرات در کامپوزیت های ساخته شده از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM) و برای بررسی وجود ذرات در کامپوزیت از طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز (FTIR)‏ استفاده شده است. همچنین از تست استاندارد شارپی برای تعیین مقاومت ضربه کامپوزیت ها استفاده شد. نتایج به دست آمده از شبیه سازی نشان می دهد که کامپوزیت 1% ‏درصد حجمی بهترین مقاومت ضربه را درمیان نمونه های کامپوزیتی دارد. نتایج تجربی نیز نشان دهنده این است که این کامپوزیت با خطای حدود 11% ‏نسبت به نتایج شبیه سازی بهترین نتیجه را از لحاظ استحکام ضربه و اقتصادی بودن ساخت دارد. همچنین نتایج آزمون آنتی باکتریال نمونه 1% حجمی ‏عملکرد عالی این کامپوزیت در مقابل سویه های گرم مثبت و منفی را تایید می کند.
کلیدواژه‌ها
شبیه سازی دومقیاسه
استحکام ضربه شارپی
سنتز اکسید روی
بیوکامپوزیت

موضوعات

عنوان مقاله English

Novel HDPE/ZnO nanocomposites for medical applications: preparation, impact strength and antibacterial activity characterization

نویسنده English

Saeed Rahmanian
Mechanical engineering department, Engineering faculty, Jahrom University, Jahrom, Iran
چکیده English

In the present study, the usability of high-density polyethylene (HDPE) based composites in medical applications under impact loads was investigated. Due to the importance of biocompatibility of composites in the medical applications and body environment, zinc oxide nanoparticles (ZnO) were selected as reinforcements. ZnO nanoparticles are generally safe and have superior antibacterial properties. A finite element simulation process with a new approach were used to study the impact properties of the composites in the standard Charpy impact test; moreover, in the experimental procedure, a new method was introduced for the production of HDPE/ZnO composites without use of the compatibilizers. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) test was used to check the diffusion of particles in composites. Field emission scanning electron microscopy (FESEM) was utilized to examine the presence of particles in composites. The results of the simulation showed that the HDPE/1%ZnO composites have the best impact resistance in comparison to other composites. Experimental results also showed that HDPE/1%ZnO composites have the best performance in terms of impact strength with an error of about 11% compared to simulation results and are economical. Moreover, the results of antibacterial test of HDPE/1%ZnO composites confirm the excellent performance of this composites against gram-positive and negative strains.

کلیدواژه‌ها English

two-scale simulation
Charpy impact strength
ZnO synthesis
Biocomposite
1. Vuoristo T, Kuokkala V-T. Effect of strain rate, moisture and temperature on the deformation behavior of polymer roll covers. Exp Mech. 2004;44(3):313–9.
2. Ravindran S, Gupta V, Tessema A, Kidane A. Effect of Particle Mass Fraction on the Multiscale Dynamic Failure Behavior of Particulate Polymer Composites. Exp Mech. 2019;59(5):599–609.
3. Duval C, Rahouadj R, Nouvel C, Six J-L. PLGA with less than 1 month of half-life time: Tensile properties in dry and wet states and hydrolytic degradation. Int J Polym Mater Polym Biomater. 2018 May;67(8):509–16.
4. Kürkçüoğlu I, Köroğlu A, Özkır SE, Özdemir T. A Comparative Study of Polyamide and PMMA Denture Base Biomaterials: I. Thermal, Mechanical, and Dynamic Mechanical Properties. Int J Polym Mater Polym Biomater. 2012 Sep;61(10):768–77.
5. Singha AS, Thakur VK. Mechanical, Morphological and Thermal Properties of Pine Needle-Reinforced Polymer Composites. Int J Polym Mater Polym Biomater. 2008 Nov;58(1):21–31.
6. Cui Y-Y, Dong B-J, Li B-L, Li S-C. Properties of Polypropylene/Poly(ethylene terephthalate) Thermostimulative Shape Memory Blends Reactively Compatibilized by Maleic Anhydride Grafted Polyethylene-Octene Elastomer. Int J Polym Mater Polym Biomater. 2013 Jun;62(13):671–7.
7. Pi L, Shi Y, Nie M, Li Y. Polyethylene/TiO2 Medical Tube With Comprehensive Mechanical Performances via Bio‐Mimic Multiscale Helical Structures. J Vinyl Addit Technol. 2019;
8. Paxton NC, Allenby MC, Lewis PM, Woodruff MA. Biomedical applications of polyethylene. Eur Polym J. 2019;118:412–28.
9. Jagur‐Grodzinski J. Polymers for tissue engineering, medical devices, and regenerative medicine. Concise general review of recent studies. Polym Adv Technol. 2006;17(6):395–418.
10. Rojas K, Canales D, Amigo N, Montoille L, Cament A, Rivas LM, et al. Effective antimicrobial materials based on low-density polyethylene (LDPE) with zinc oxide (ZnO) nanoparticles. Compos Part B Eng. 2019;172:173–8.
11. Abdalsalam AH, Şakar E, Kaky KM, Mhareb MHA, Şakar BC, Sayyed MI, et al. Investigation of gamma ray attenuation features of bismuth oxide nano powder reinforced high-density polyethylene matrix composites. Radiat Phys Chem. 2020;168:108537.
12. Jiang P, Hu Y, Li G. Biocompatible Au@ Ag nanorod@ ZIF-8 core-shell nanoparticles for surface-enhanced Raman scattering imaging and drug delivery. Talanta. 2019;200:212–7.
13. Jafarzadeh Y, Yegani R. Thermal, mechanical, and structural properties of ZnO/polyethylene membranes made by thermally induced phase separation method. J Appl Polym Sci. 2015;132(30).
14. Li S, Li Y. Mechanical and antibacterial properties of modified nano‐ZnO/high‐density polyethylene composite films with a low doped content of nano‐ZnO. J Appl Polym Sci. 2010;116(5):2965–9.
15. Mahmoud ME, El‐Khatib AM, El‐Sharkawy RM, Rashad AR, Badawi MS, Gepreel MA. Design and testing of high‐density polyethylene nanocomposites filled with lead oxide micro‐and nano‐particles: Mechanical, thermal, and morphological properties. J Appl Polym Sci. 2019;136(31):47812.
16. Batista NL, Helal E, Kurusu RS, Moghimian N, David E, Demarquette NR, et al. Mass‐produced graphene—HDPE nanocomposites: Thermal, rheological, electrical, and mechanical properties. Polym Eng Sci. 2019;59(4):675–82.
17. Okolo C, Inam F. Observations of a novel strengthening mechanism in HDPE nanocomposites. Nanocomposites. 2018 Oct;4(4):215–22.
18. Bhusari SA, Sharma V, Bose S, Basu B. HDPE/UHMWPE hybrid nanocomposites with surface functionalized graphene oxide towards improved strength and cytocompatibility. J R Soc Interface. 2019 Jan;16(150):20180273.
19. Eyssa HM, Sawires SG, Senna MM. Gamma irradiation of polyethylene nanocomposites for food packaging applications against stored‐product insect pests. J Vinyl Addit Technol. 2019;25(S1):E120–9.
20. Wang W, Sadeghipour K, Baran G. Finite element analysis of the effect of an interphase on toughening of a particle-reinforced polymer composite. Compos Part A Appl Sci Manuf. 2008;39(6):956–64.
21. Ilkhchi RN, Shabgard M, Kabirinia F. Numerical studying and experimental investigation: Effect of Reynolds number on performance measures of EDM with high speed flushing. J Manuf Process. 2019;48:228–35.
22. da Silva BL, Caetano BL, Chiari-Andréo BG, Pietro RCLR, Chiavacci LA. Increased antibacterial activity of ZnO nanoparticles: influence of size and surface modification. Colloids Surfaces B Biointerfaces. 2019;177:440–7.
23. Sepet H, Aydemir B, Tarakcioglu N. Evaluation of mechanical and thermal properties and creep behavior of micro-and nano-CaCO 3 particle-filled HDPE nano-and microcomposites produced in large scale. Polym Bull. 2019;1–19.
24. Rasoolpoor M, Ansari R, Hassanzadeh-Aghdam MK. Dynamic behavior of particulate metal matrix nanocomposite plates under low velocity impact. Proc Inst Mech Eng Part C J Mech Eng Sci. 2020;234(1):180–95.
25. Sadeghipour K, Wang W, Baran G. Toward improving fracture toughness of particle-reinforced polymer matrix composites. In: ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. American Society of Mechanical Engineers; 2013. p. V009T10A076.
26. Klapiszewski Ł, Bula K, Dobrowolska A, Czaczyk K, Jesionowski T. A high-density polyethylene container based on ZnO/lignin dual fillers with potential antimicrobial activity. Polym Test. 2019;73(October 2018):51–9.
27. Livi S, Duchet-Rumeau J, Pham T-N, Gérard J-F. A comparative study on different ionic liquids used as surfactants: Effect on thermal and mechanical properties of high-density polyethylene nanocomposites. J Colloid Interface Sci. 2010;349(1):424–33.
28. Suntako R. Cure characteristics and mechanical properties of ZnO nanoparticles as activator in unfilled natural rubber. In: Advanced Materials Research. Trans Tech Publ; 2014. p. 23–6.
29. Kai X, Yang T, Shen S, Li R. TG-FTIR-MS study of synergistic effects during co-pyrolysis of corn stalk and high-density polyethylene (HDPE). Energy Convers Manag. 2019;181:202–13.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 21، شماره 3
اسفند 1399
صفحه 163-172