磁性锌镁铁氧体纳米颗粒对聚乳酸热性能、物理性能和机械性能的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of magnetic zinc-magnesium ferrite nanoparticles on the thermal, physical and mechanical properties of poly(lactic acid)

纳米氧化锌镁铁氧体（Zn0.5Mg0.5Fe2O4）添加到聚乳酸（PLA）中，通过熔融共混挤出法制备了PLA/M-x复合材料。研究发现，随着纳米颗粒含量增加，复合材料的玻璃化转变温度（Tg）略有上升，冷结晶温度（Tcc）降低，结晶度提高，热稳定性下降。机械性能方面，拉伸强度和杨氏模量略有下降，但断裂伸长率和熔体流动指数增加，表明纳米颗粒具有增塑作用。磁性能显示，饱和磁化强度（Ms）随纳米颗粒含量增加而显著提高，达到0.38 emu/g。吸附实验表明，复合材料的尿素吸附效率为13.75%，肌酐吸附效率为4.8%，优于纯PLA。

　　PLA（聚乳酸）与磁性Zn?.?Mg?.?Fe?O?纳米颗粒（M）形成的复合材料因其独特的磁性和电学性能，正逐渐成为生物医学和高科技领域中的重要材料。这类复合材料在多种应用中展现出巨大潜力，如生物相容性植入物、药物输送系统、磁共振成像（MRI）成像材料、污水处理技术等。为了深入理解这些材料的性能，本研究采用熔融共混挤出法，制备了不同纳米颗粒含量（0、0.25、0.5、0.75和1.0 wt.%）的PLA/M复合材料，并系统地分析了其热学、物理化学和力学性能的变化。通过多种实验手段，如X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR），研究人员揭示了纳米颗粒在PLA基质中的分布情况及其对复合材料整体性质的影响。

在热性能方面，研究发现随着纳米颗粒含量的增加，玻璃化转变温度（Tg）和冷结晶温度（Tcc）发生了变化。这一现象可能与纳米颗粒在PLA基质中形成的物理屏障有关，该屏障限制了PLA链段的自由运动，从而影响了其热行为。然而，熔融指数（MFI）和断裂伸长率（ε）则呈现出上升趋势，表明纳米颗粒在一定程度上发挥了类似增塑剂的作用，增加了材料的柔韧性和流动性。这些变化对于提高材料的加工性能具有重要意义，尤其是在需要较高流动性的应用场景中。

在磁性方面，研究结果表明，随着纳米颗粒含量的增加，复合材料的饱和磁化强度（Ms）显著提升，达到0.08至0.38 emu/g。这一结果表明，纳米颗粒能够有效增强PLA基质的磁响应能力，使其在需要磁分离或磁导向的生物医学应用中具备应用前景。此外，这些磁性纳米颗粒在复合材料中表现出低的矫顽力（Hc）和残留磁化强度（Mr），表明其在外部磁场作用下能够迅速达到饱和状态，且在去磁后几乎不保留磁性，这为在生物医学领域中的应用提供了优势。

在机械性能方面，虽然纳米颗粒的添加略微降低了PLA的拉伸强度（σ）和杨氏模量（E），但其断裂伸长率（ε）和熔融指数（MFI）则有所提高。这说明纳米颗粒在一定程度上改善了材料的延展性和流动性，同时并未显著削弱其结构强度。研究人员指出，纳米颗粒的聚集现象可能是导致机械性能下降的主要原因之一，这种聚集可能在材料内部形成局部应力集中点，从而影响其整体机械性能。然而，即使在纳米颗粒含量较高的情况下，材料的拉伸强度和杨氏模量仍然处于可接受的范围内，表明这些复合材料仍具有一定的结构强度和应用潜力。

在吸附性能方面，研究发现这些复合材料对尿素和肌酐等尿毒症毒素具有良好的吸附能力。具体而言，PLA纯材料对尿素的吸附能力为8%，而P/M-1.0%复合材料的吸附能力提升至13.75%。这一显著提升可能归因于纳米颗粒的高比表面积和表面羟基的化学活性，这些特性为毒素吸附提供了更多的活性位点。此外，纳米颗粒的尺寸和结构也对吸附效率产生影响，从而提高了材料对这些小分子物质的吸附能力。这一发现为开发新型吸附材料提供了理论依据和实验支持。

研究还指出，这些磁性复合材料在生物医学和高科技领域的应用前景广阔。它们不仅具有良好的磁性响应，还具备较高的吸附能力，这使其在环境治理、医疗设备、生物传感器等领域具有潜在价值。此外，PLA的可降解性和生物相容性进一步增强了这些材料在生物医学中的适用性。然而，纳米颗粒的添加可能会降低材料的热稳定性，因此需要在材料设计和应用中权衡这些性能的变化。

综上所述，本研究通过系统地分析PLA与Zn?.?Mg?.?Fe?O?纳米颗粒复合材料的结构、热学、力学和磁性性能，揭示了纳米颗粒对复合材料性能的影响机制。研究结果表明，这些磁性复合材料在保持良好机械性能的同时，能够显著增强磁响应和吸附能力，使其成为具有广泛应用前景的新型功能材料。未来的研究可以进一步探索如何优化纳米颗粒的分散性，提高其与PLA基质的相容性，并评估更高含量的纳米颗粒对材料性能的影响，以期开发出更加高效和稳定的磁性复合材料。