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磁性金属复合材料的构筑应用

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摘要:复合材料的出现,为社会带来了一场变革。材料通常由磁性金属框架构成,磁性粒子具有很多优点,如易分离、可二次使用等。磁性粒子可以和多种材料组合,组成的复合材料性能及特点各不相同,不同种类的复合材料可以分别用在医药、工业生产等领域。围绕复合材料展开讨论,主要介绍不同材料和磁性粒子的构筑过程以及应用。

关键词:磁性金属;有机框架;复合材料;构筑

复合材料的组成方式多种多样,技术人员可根据具体情况,对其结构组成进行调整。金属离子、有机配体是复合材料的重要组成部分,改变两者的种类,能达到调配材料功能的目的。有的复合材料具有面积大、空隙可调等优点,可用作吸附粒子、生物制药等领域。目前,复合材料的运用十分广泛,其应用领域还在不断扩展当中。

1概念介绍

复合材料指的是由金属和相应的配体分子组成的材料,自然界的金属种类很多,所形成的复合材料种类丰富。本文所研究的都是结构性能较稳定的复合材料,合成过程比较简单,且具有良好的使用性能,下面对几种典型的复合材料进行介绍。

2MOF金属框架和粒子的组合

该种组合方式是最常见的复合材料构筑方式,其中MOF5类型材料的主要组成部分是对苯二甲酸与Zn4O。该种组合方式分子间空隙较大,有较强的吸附功能,再加上粒子自身具有的磁性,吸附后对分子的分离操作非常简单。随着研究的加深,四氧化三铁被附着到该材料表面,两者结合靠的是氨基与该系列材料合理的配位,两者连接的稳定性远比物理作用要好。化学键的结合使得该种复合材料在很多领域上都具有很好的应用价值,例如水源净化、多环芳烃等。在上述组合的基础上,研究人员又将SiO2与之结合在一起,在三种复合体的表面利用原位旋涂的方法重新生成MOF5。这种新型复合材料可以将物质中带有磁性的粒子吸附出来。经过实验验证,发现该功能并不影响原有材料的性能。一步生长法是目前制作复合材料最简便的方法。以MOF-74和三氯化铁的结合为例。前者为晶体,后者为溶液。两者一旦接触就会产生化学反应,从而析出黑色粉末,粉末的成分为α-FeO3,该粉末可以与多种材料配合在一起,形成一系列的MOF材料。形成的新型复合材料可对电池进行充放电,充电速度快且能够减少充放电对电池的损害。此方法合成材料的优点是:合成条件简单,材料融合反应过程迅速;有效发挥出材料的性能,材料之间相互辅助且独立;铀的还原速度极大提升,传统的铀反应过程十分缓慢,此方法的出现很好地解决了这一问题。

3ZIF框架与粒子的结合

该类型的金属框架,是由锌、钴等过渡元素与相应的配位材料组成的,框架具有一定的空间结构。此系列的材料能够在高温、碱性环境中工作,材料本身的稳定性不会被破坏,其中骨架稳定性最好的是ZIF-8混合材料。在该液体中加入四氧化三铁颗粒,放在沸腾的油液当中使其混合,最终得到固体结构的复合材料。表面积大、性能稳定是ZIF系列混合材料的共有特点。针对此种复合材料,研究人员也提出相应的简易合成方法,配制过程中只需对配制周期进行调整,就能有效控制固体结构的厚度。ZIF合成材料能够吸附甲基蓝,若在碱性溶液中混有甲基蓝粒子,此种复合材料对粒子具有较强的吸附性能。吸附完成后,磁性粒子能够将复合材料从碱性溶液中分离出来,实现对溶液的提纯。在Fe3O4、ZIF-8混合材料的基础上,研究者将铜单质加入其中进行反应,最终得到的材料可作为催化剂使用。主要针对具体的化学反应进行催化,该材料在加快醇类物质的反应速率上有很大的促进作用。与传统催化剂相比,该材料催化效率明显提升,物质反应之后复合材料还能再次回收利用。能够有效节省成本,增加企业的经济效益。在反应过程中,在条件允许的情况下外加磁场,可进一步提升催化效率。

4HKUST-1与金属粒子的结合

此种类型复合材料的主要组成部分是单质铜和苯三甲酸,结构稳定、耐高温是该材料的主要优点。在此复合结构的基础上,添加其他功能的粒子不会改变原有结构的稳定性。该材料与纳米球复合在一起可对金属离子进行吸附。与粉末状的Fe3O4结合,可对相应的化学反应起到很好的催化作用。该系列的复合材料在医疗上的应用效果非常显著,尼美舒利是缓解癌症的主要药物,其主要组成就是该复合材料。利用该药物进行靶向缓释的主要过程如下:首先需要患者将药物服下,经过4~5h,药物逐渐开始释放,释放量大约为总药物量的1/5。接下来就是药物的常规分解过程,此过程时间较长,患者体内的药物会在一周之内持续作用,此时3/5的药物被释放,对癌细胞的抑制初见效果。最后药物需要在患者体内充分释放,并与身体融合,此过程需要5d作用。然后外加磁体,吸附有药物的癌细胞分离出来,通过医学手段将癌细胞杀死在患者体内。这种治疗方法通常被称为化疗,目前尼美舒利是保守治疗癌症效果最好的药物。

5MIL材料与粒子构筑的复合材料

MIL系列材料与相应粒子利用混合法复合在一起的。四氧化三铁在SiO2的修饰下,与MIL材料进行混合,两者的有效复合是通过静电作用实现的。该种复合材料对水中的多环芳香烃有良好的吸附效果,能够有效净化水源。两步封装法是材料复合的又一类方法,MIL系列材料的传统复合方法为叠层法,两步封装在叠层法的基础上加快合成速度,且不需要复杂的操作步骤。得到的复合材料毒性较低,同样可以作为醇类物质化学反应的催化剂,且重复利用次数增多。实验证明,材料在使用八次之后损耗非常少,仍然具有良好的催化作用。利用MIL与金属粒子混合可制成吸附抗生素的物质,针对的抗生素主要是环丙沙星。此材料的复合是利用共沉淀法完成的,首先将多价铁元素进行混合,并调节其酸碱度。NH4OH是调节酸碱度的主要物质,当液体pH值达到12左右,就能得到黑绿色的混合产物,黑绿色混合物就是最终成型的复合材料。在对环丙沙星的吸附过程中,吸附效率高达70%,再加上磷酸盐溶液,可有效提升吸附效率。温度的变化直接影响物质的吸附效率,温度越高效率越低,反之越高。若将MIL结构物质用均苯三酸进行替换,MIL-101会变成MIL-100。改变后的MIL材料分子间的孔道直径变大,是最佳的药物承载体。医用药物利用该物质进行承载的例子很多青蒿素就是利用MIL-100的良好承载能力,实现药物的缓慢释放过程。

6UIO系列与粒子构筑的复合材料

UIO材料的主要组成物质是锆和对苯二甲酸,前者是八面体结构形式,后者数量为十二,通过合理的分子排列,最终组成稳定性较好的UIO系列物质。锆元素具有较高的熔点,因此形成的稳定性材料适用于高温高压的工作环境,在强酸、强碱中同样适用。下面以UIO-66材料为例,对复合材料合成过程进行探究。第一步,将Ni3(NO3)2(OH)4与液态丙酮充分混合,然后将UIO-66加入到混合液中,搅拌后静置一段时间。静置过程中发现混合不充分现象需要再次搅拌。第二步,在水浴环境下加入适量乙醇,温度保持在443K,加热3~4h。析出的产物经过洗涤、烘干,就得到最终的复合产物,该产物分子结构空隙较大,在反应过程中电荷传输通畅。UIO-66与四氧化三铁的复合材料也具有较高的医用性能,此复合物质具有良好的亲水性,其中的亲水氨基能够快速收集血清中的糖肽、磷酸肽。

7结束语

综上所述,通过几种典型的复合材料构筑和应用案例,让人们更加系统地了解其特征和相关功能。复合材料是在传统材料研发的基础上衍生出来的,性能更加优良。近年来,复合材料已经渗透到很多领域,促进了社会的进步和发展。目前新型复合材料还在不断研制当中,复合材料还具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]高正平,毕兆亿,王晓红.磁性金属纤维与树脂混合物的有效介电常数和有效磁导率的预测[J].航空材料学报,2007(5).

[2]李祥子,魏先文.磁性金属纳米管的制备、形成机理及潜在应用[J].化学进展,2012(11).

作者:张宁 陈婉秋 单位:河南工学院

金属材料与冶金工程杂志责任编辑:张雨    阅读:人次