A NALISI SEM-EDX

Gli effetti dell’invecchiamento indotti dal trattamento in SSF possono essere visti in termini di cambiamenti morfologici grazie all'analisi SEM in Figura 5.17. Nei due materiali, l'effetto è diverso: la superficie dell’UH prima dell'invecchiamento è rugosa (Figura 5.17a): queste irregolarità diventano più sottili con la crescita del tempo di invecchiamento (Figura 5.17b) fino alla forma filamentosa (Figura 5.17c). Dopo 60 giorni, i filamenti scompaiono e alcuni punti di rottura sono visibili nell'immagine (si veda il cerchio in Figura 5.17d); inoltre, nella stessa foto, micro screpolature della superficie sono visibili come conseguenza dell'effetto dell'invecchiamento dell'SSF. La superficie nanocomposita, invece, è molto liscia ed omogenea (Figura 5.17e); nessun filamento si forma sulla sua superficie dopo l'invecchiamento (Figura 5.17f-h), ma solo piccole particelle bianche sono evidenziate (probabilmente a causa di tracce di stearato di calcio nell'UHMWPE durante la sua preparazione commerciale, come rivelato dall'analisi puntuale EDX). Le osservazioni morfologiche sono in accordo con i risultati di usura perché evidenziano come un materiale omogeneo, come il nanocomposito, è più resistente allo stress di un'azione di usura in SSF rispetto al puro UH, la cui superficie è altamente irregolare.

5 15 25 35 45 UH UH-0.5CNF UH-1.0CNF S p e ci fi c w e a r ra te W s ( 1 0 -6 *m m 3/N m ) Codice Campione

SSF

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Università degli Studi di Messina – Dottorato di Ricerca XXXII Ciclo

Figura 5.17 - Micrografie SEM a 30 kx della superficie esterna di UH (a sinistra) e UH-1.0CNF (a destra) dopo 0 (a,e), 7(b,f), 28 (c,g) e 60 (d,h) giorni d’immersione in SSF.

L’analisi elementare EDX della superficie esterna di UH-1.0CNF è stata eseguita prima (Figura 5.18a) e dopo 60 giorni di invecchiamento (Figura 5.18b), esattamente nell'area rettangolare segnata nelle immagini. Sono presenti prima dell'invecchiamento (Figura 5.18a): il picco Kα del carbonio a 0.277 KeV, il picco Kα dell’ossigeno a 0.525 KeV e il picco Kα del cromo a 5.411 KeV (a causa dello strato di polverizzazione

Università degli Studi di Messina

depositato sul materiale polimerico per l'analisi SEM). L'analisi quantitativa riportata nel frame dell'immagine

di ossigeno (6.1%), che è quasi tr

EDX (Figura 5.18d) rivela la presenza degli stessi picchi, ma in quantità diverse: questa volta, infatti, il carbonio è 43.

La valutazione quantitativa EDX dopo il periodo d’invecchiamento, suggerisce un considerevole aumento di ossigeno nella

causa di un'ossidazione indotta dall'azione di degradazione dell'SSF per 60 giorni.

Figura 5.18 - Analisi SEM e relativo (c,d) l'invecchiamento.

L'osservazione SEM (a 5 kx

indotti dall'azione dell'usura sui materiali studiati prima dell'invecchiamento (

5.19). La superficie del nanocomposito UH

puro UH, che consiste in più graffi e vaiolature (

un'usura abrasiva perché la superficie polimerica è investita dal perno di pietra di maggiore durezza. Le crepe partono dalle irregolarità della superficie

Università degli Studi di Messina – Dottorato di Ricerca XXXII Ciclo depositato sul materiale polimerico per l'analisi SEM). L'analisi quantitativa riportata nel frame dell'immagine 5.18a indica il 93.9% di carbonio e una quant

1%), che è quasi trascurabile. Dopo 60 giorni di invecchiamento, l'analisi ) rivela la presenza degli stessi picchi, ma in quantità diverse: olta, infatti, il carbonio è 43.7%, l'ossigeno è circa il 40% e il silicio è il 15

quantitativa EDX dopo il periodo d’invecchiamento, suggerisce un considerevole aumento di ossigeno nella superficie del campione (dal 6.1% al 40. causa di un'ossidazione indotta dall'azione di degradazione dell'SSF per 60 giorni.

Analisi SEM e relativo EDX della superficie esterna UH-1.0CNF di UH prima

L'osservazione SEM (a 5 kx) ha permesso di ananlizzare i cambiamenti morfologici indotti dall'azione dell'usura sui materiali studiati prima dell'invecchiamento (

). La superficie del nanocomposito UH-1.0CNF è più liscia e con meno difetti del puro UH, che consiste in più graffi e vaiolature (Figura 5.19a,c). Questo è tipico di un'usura abrasiva perché la superficie polimerica è investita dal perno di pietra di maggiore durezza. Le crepe partono dalle irregolarità della superficie

a)

c)

Dottorato di Ricerca XXXII Ciclo depositato sul materiale polimerico per l'analisi SEM). L'analisi quantitativa riportata

9% di carbonio e una quantità molto scarsa ascurabile. Dopo 60 giorni di invecchiamento, l'analisi ) rivela la presenza degli stessi picchi, ma in quantità diverse: 7%, l'ossigeno è circa il 40% e il silicio è il 15.7%. quantitativa EDX dopo il periodo d’invecchiamento, suggerisce un superficie del campione (dal 6.1% al 40.6%) a causa di un'ossidazione indotta dall'azione di degradazione dell'SSF per 60 giorni.

1.0CNF di UH prima (a,b) e dopo

i cambiamenti morfologici indotti dall'azione dell'usura sui materiali studiati prima dell'invecchiamento (Figura 1.0CNF è più liscia e con meno difetti del ). Questo è tipico di un'usura abrasiva perché la superficie polimerica è investita dal perno di pietra di maggiore durezza. Le crepe partono dalle irregolarità della superficie, e quindi si

b)

Università degli Studi di Messina – Dottorato di Ricerca XXXII Ciclo propagano sulla superficie per la deformazione ripetuta del carico applicato. Piccole particelle sono prodotte e quindi unite insieme in trucioli dal calore generato come risultato dell'attrito e dello scivolamento tra il campione e il perno di pietra. Entrambe le superfici di UH e di UH-1.0CNF appaiono danneggiate con percorsi interrotti discontinui e con particelle molto sottili, larghe pochi micron, disposte casualmente tra un percorso e l'altro; comunque il danno è visibilmente molto più alto nel puro UH rispetto al nanocomposito (Figura 5.19b.d). Questi risultati sono in accordo con i dati della letteratura che affermano che il polietilene solitamente soffre di danni da fatica (vaiolatura e delaminazione), usura adesiva e abrasiva. L'usura adesiva e abrasiva sono i principali processi responsabili della maggior parte dei detriti da usura, che quindi causano l'osteolisi e l'allentamento [47], [120].

Figura 5.19 - Micrografie SEM a 5K × delle superfici esterne non invecchiate di: UH puro prima (a) e dopo (b) lo stress da usura; pristine UH-1.0CNF prima (c) e dopo (d) lo stress da usura.

Università degli Studi di Messina – Dottorato di Ricerca XXXII Ciclo Durante il processo d’invecchiamento, la superficie dell'UH puro è diventata più morbida a causa della penetrazione dell'SSF; questo aumenta il tasso di usura per l'azione abrasiva del perno di pietra dura con l'aumento del tempo di invecchiamento. Ciò è visibile nelle micrografie SEM della Figura 5.20a,c, che mostrano i cambiamenti morfologici dell'intera traccia di usura nel nanocomposito puro UH e UH-1.0 CNF (non invecchiato). Corde di detriti, separate l'una dall'altra, si formano all'interno del percorso di usura. Pure UH mostra una traccia di usura in cui i bordi esterni sono corrugati con ampie aree di detriti che sono il risultato della raccolta dei detriti. La traccia di usura nell'UH-1.0CNF è visibilmente meno pronunciata rispetto a quelli in UH puro, prima e dopo l'invecchiamento in SSF per 60 giorni (Figura 5.20b,d,).

Figura 5.20 - Micrografie SEM a 400× di tracce di usura di UH (a sinistra) e UH-1.0 CNF (a destra) prima (a), e dopo (b) 60 giorni di immersione in SSF.

L'usura tipica dell'adesivo e dell'abrasivo è, infatti, fortemente ridotta nel nanocomposito rispetto al puro UH. La penetrazione di SSF è invece nascosta dal CNF, che chiude la porosità di UHMWPE e impedisce all'SSF di penetrare all'interno della matrice polimerica (Figura 5.20b,d) [33]. Questo risultato suggerisce che in entrambi i casi, il nanocomposito è più resistente all'usura rispetto a UH, specialmente dopo

Università degli Studi di Messina – Dottorato di Ricerca XXXII Ciclo l'invecchiamento in SSF. Queste osservazioni sono in accordo con i risultati di usura presentati nella Figura 5.16.