Właściwości przeciwzużyciowe powłok węglowych wytwarzanych na podłożu PEEK

• Autorzy: Kaczorowski W.

Warianty tytułu

EN

Wear resistant properties of carbon coatings deposited on PEEK substrate

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Powłoki węglowe (DLC - diamentopodobne, NCD - nanokrystalicznego diamentu) to materiał o dobrze poznanych właściwościach biologicznych, dzięki którym odnajduje zastosowanie w wielu dziedzinach medycyny m.in. W ortopedii, neurochirurgii czy kardiochirurgii. Wykorzystuje się je z powodzeniem w modyfikacjach powierzchni metalicznych i polimerowych. Praca jest poświęcona badaniom nad powłokami węglowymi wytworzonymi na podłożu polimerowym PEEK (polieteroeteroketon), który jest wykorzystyany do budowy dysku zastawki sztucznego serca. Powłoki węglowe wytwarzano w plazmie metanowej z wykorzystaniem etapu wstępnej obróbki plazmowej polimerów w atmosferze wodoru, tlenu, argonu, azotu oraz metanu. Analizę rozwinięcia zmodyfikowanej powierzchni pod wpływem zastosowanych parametrów procesów wykonano z wykorzystaniem mikroskopu sił atomowych AFM. Najmniejszymi parametrami chropowatości zbliżonymi do podłoża bez modyfikacji charakteryzowały się próbki modyfikowane początkowo w plazmie metanowej, azotowej i argonowej. Pokazano, jak wpływają różne gazy doprowadzane do wstępnego procesu obróbki plazmochemicznej na właściwości tribologiczne uzyskiwanych powłok węglowych z wykorzystaniem dwóch rodzajów plazmy: radiowej RF i dwuczęstotliwościowej (mikrofalowo-radiowej) MW/RF. Do badań tribologicznych zastosowano tester T-11M pracujący w skojarzeniu kulka ceramiczna ZrO2-tarcza ze zmodyfikowanym lub nie podłożem PEEK. Uzyskane wyniki tribologiczne pokazują wpływ wstępnego przygotowania podłoży i rodzaju zastosowanej plazmy na wartości współczynnika tarcia oraz wskaźnik zużycia. Zastosowane modyfikacje pozwoliły na ograniczenie wartości współczynnika tarcia od wartości 0,4 (charakterystycznej dla podłoża PEEK bez modyfikacji) do wartości 0,3 (dla powłok wytworzonych w plazmie MW/RF) albo nawet 0,26 (dla powłoki węglowej wytworzonej w plazmie RF Z wykorzystaniem azotu do wstępnego procesu obróbki). W pracy dokonano porównania wskaźnika zużycia dla podłoży bez modyfikacji i po zmodyfikowaniu powłokami węglowymi. Najlepszą odpornością na zużycie charakteryzowały się powłoki wytworzone w plazmie częstotliwości RF. W ich przypadku obserwowano nawet ponad 35-krotne zmniejszenie wartości wskaźnika zużycia (w odniesieniu do niemodyfikowanego PEEK-u). W pracy dokonano także analizy charakteru zużycia powłok i podłoża polimerowego.

EN

Due to its well-studied biological properties, carbon coating (DLC - diamond like-carbon, NCD - nanocrystalline diamond) is used in many areas ofmedicine such as: orthopedics, neurosurgery and cardiosurgery. Recently, this film can be successfully applied to the modification of metallic or polymeric surface. In this work, we report the properties ofcarbon coating deposited on the polymer substrate PEEK (Polyetheretherketone), which is applied to the artificial heart valve disc. During the research the modification of PEEK's surface using the manufacturing of DLC films on samples in different pre-treatment environments such as nitrogen, oxygen, argon and hydrogen and pure methane atmosphere was performed. On the basis of AFM test results it can be stated than the lowest surface development characterizes the samples manufactured in process pre-treatment with methane, nitrogen and argon . In this study, infiuence of the gases and applied CVD technique (radio frequency or microwave/ radio frequency) on the tribological properties carbon layers were presented. The tribological test was performed on the Tribotester T-11 M. During the investigation the modified specimens or a control sample of pure PEEK, which were used as rotating discs. As a counter-specimen the ball made of zirconium dioxide ZrO2 of a diameter 1/4 inch was used. In presented paper the infiuence of different gas additives while pre-treatment process and type of plasma on the friction coefficient (COF) and specific wear rate were described. It was shown possible to reduce the friction coefficient from 0.4 for PEEK substrate to 0.3 (for MW/RF carbon coatings) or even 0.26 (for RF carbon coating manufactured with nitrogen pre-treatment process). In this work, comparison of specific wear rate between the PEEK substrates with and without modification was presented. The best wear resistance was achieved by coating deposited in RF plasma. In this case, 35-fold decrease in the value of specific wear was obtained. The present work involves the wear analysis of the substrates.

Słowa kluczowe

PL

powłoki węglowe; tribologia; PEEK

EN

carbon coatings; tribology; PEEK

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 5
• Strony: 472--476
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kaczorowski W.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Łódzka

Bibliografia

• [1] Maa W. J., Ruysa A. J., Masonb R. S., Martinc P. J., Bendavidc A., Liud Z., Ionescue M., Zreiqat H.: DLC coatings: Effects of physical and chemical properties on biological response. Biomater. 28 (2007) 1620÷1628.
• [2] Jones M. I., McColl I. R., Grant D. M., Parker K. G., Parker T. L.: Protein adsorption and platelet attachment and activation, on TiN, TiC, and DLC coatings on titanium for cardiovascular applications. J. Biomater. Mat. Res. 52 (2000) 413÷421.
• [3] Fedel M., Motta A., Maniglio D., Migliaresi C.: Surface properties and blood compatibility of commercially available diamond-like carbon coatings for cardiovascular devices. J. Biomater. Mat. Res. Part B: App. Bio. 90B (2009) 338÷349.
• [4] Jones D., Garvin C. P., Dowling D., Donnelly K., Gorman S. P.: Examination of surface properties and in Vitro biological performance of amorphous diamond-like carbon-coated polyurethane. J. Biomater. Mat. Res. Part B: App. Bio. 78B (2006) 230÷236.
• [5] De S., Sharma R., Trigwell S., Laska B., Ali N., Mazumder M. K., Mehta J. L.: Plasma treatment of polyurethane coating for improving endothelial cell growth and adhesion. J. Biomater. Sci. Polymer 16 (2005) 973÷989.
• [6] Grabarczyk J.: Podstawy syntezy biowarstw węglowych w skali przemysłowej dla chirurgii kostnej. Wyd. Politechniki Łódzkiej, Łódź (2012).
• [7] Grabarczyk J.: Warunki syntezy warstw węglowych na gwożdziach śródszpikowych ze stali AISI 316L. Inżynieria Materiałowa 4 (2010) 981÷983.
• [8] Nakahigashi T., Tanaka Y., Miyake K., Oohara H.: Properties of fiexible DLC film deposited by amplitude-modulated RF PACVD. Trib. Inter. 37 (2004) 907÷912.
• [9] Wang H., Xu M., Zhang W., Kwok T. K., Jiang J., Wu Z., Chu P. K.: Mechanical and biological characteristics of diamond-like carbon coated poly aryl-ether-ether-ketone. Biomat. 31 (2010) 8181÷8187.
• [10] Deamaley G., Arps J. H.: Biomedical applications of diamond-like carbon (DLC) coatings: A review. Surface and Coating Technogoy 200 (2005) 25 1 8÷2524.
• [11] Kaczorowski W.: Ocena właściwości tribologicznych podłoży poliuratanowych z warstwami węglowymi wytworzonymi plazmowymi technikami CVD. Inżynieria Materiałowa 4 (2010) 1005÷1008.
• [12] Kaczorowski W., Batory D., Niedzielski P.: Application of microwave radio frequency and radio frequency/ magnetron sputtering techniques in polyurethane surface modification. J. of Achiev. in Mater. and Manuf. Eng. 37 (2009) 286÷291.
• [13] Kaczorowski W., Niedzielski P.: Morphology and growth process of carbon films prepared by microwave/radio frequency plasma assisted CVD. Adv. Eng. Mater. 10 (2008) 651÷656.
• [14] Kaczorowski W., Niedzielski P., Mitura S.: Wytwarzanie warstw węglowych w nowym reaktorze MW/RF. Inż. Biomater. 43-44 (2005) 28÷31.
• [15] Kaczorowski W., Niedzielski P., Mitura S.: Charakteryzacja warstw węglowych wytwarzanych metoda MW/RF PACVD. Inżynieria Materiałowa 5 (2005) 236÷241.
• [16] Hegemann D., Komer E., Albrecht K., Schutz U., Guimond S.: Growth mechanism of oxygen-containing functional plasma polymers. Plasma Process. Polym. 7 (2010) 889÷898.