多功能PVA-CS/LaB 6-MXene纤维纳米复合材料：优异的热性能、电性能和生物性能

《Journal of Hydrology X》：Multifunctional PVA-CS/LaB 6-MXene fiber nanocomposites: Improved thermal, electrical and biological properties

本研究通过静电纺丝制备了添加5% LaB6纳米颗粒和不同比例MXene的PVA-CS复合纳米纤维。结果表明，MXene的引入显著提升了材料的介电性能（ε'从5.0增至11.3）、热稳定性（分解温度提升35℃至295℃）和生物活性（DPPH自由基清除率47%，抑菌圈扩大至13.6mm）。

　　

作者：?brahim Erol、?brahim ?smail、Kadir Demirelli、Mecit Aksu、Bekir Güney

土耳其阿菲永卡拉希萨尔市阿菲永科阿特佩大学科学与艺术学院化学系，邮编03200

摘要

本研究通过静电纺丝技术，将5%的六硼化镧纳米颗粒（LaB₆ NPs）和MXene（Ti₃C₂T_x）以不同的重量比（5%、7%和10% w/w）添加到聚乙烯醇（PVA）-壳聚糖（CS）聚合物基质中，制备了纤维纳米复合材料。结构分析表明，这些添加剂分布均匀，且晶体相得以保持。热分析结果显示，当添加10%的MXene时，分解温度上升了约35°C，分别为T₁₀ = 295°C和T₅₀ = 370°C，同时残渣比例从5.2%增加到13.4%。差示扫描量热（DSC）分析显示，PVA-CS/LaB₆的玻璃化转变温度（Tg）为63°C，而添加10% MXene后升高至79°C。接触角测量结果表明，水在纤维表面的接触角范围为39.80°至45.42°，二碘甲烷（DIM）的接触角范围为25.53°–30.17°。表面自由能（SFE）在添加5% MXene时从63.95 mN/m降低到59.23 mN/m，而在添加10% MXene时又升高至61.83 mN/m。介电测量显示，介电常数（ε′）在低频（1 kHz）时从5.0增加到11.3，在高频（1 MHz）时介于3.6至7.1之间。交流电导率（σ_ac）在1 kHz时从2.4 × 10^?7 S/cm增加到1.1 × 10^?6 S/cm。在生物活性测试中，DPPH自由基清除能力从添加5% LaB₆的PVA-CS提高到了添加10% MXene的47%。抗菌实验表明，对金黄色葡萄球菌（S. aureus）、大肠杆菌（E. coli）和白色念珠菌（C. albicans）的抑制圈直径分别从11.1 mm增加到13.6 mm、9.1 mm和7.2 mm。MXene的加入显著增强了PVA–CS/LaB₆纳米纤维的介电、热性能、表面性能、抗氧化性能和抗菌性能。综上所述，这种多功能材料平台可应用于储能、电磁干扰（EMI）屏蔽、生物医学涂层和活性食品包装等领域。

引言

近年来，基于生物聚合物的混合系统因其环保结构、可生物降解性和多功能性而受到研究人员的广泛关注。PVA和CS的组合在多种应用中表现出色，它们兼具成膜能力、生物相容性和机械强度[1]。静电纺丝技术在制备纤维纳米复合材料方面优于传统的薄膜涂层方法，因为该技术能产生高表面积、可控孔隙率和可扩展性[2,3]。

然而，纯PVA–CS基纳米纤维在热稳定性、电性能和表面功能方面存在局限性。因此，近年来研究重点是通过添加无机添加剂来改善这些缺点。六硼化镧（LaB₆）是一种值得注意的添加剂，因为它在近红外（NIR）区域具有强烈的等离子体吸收效应、高热导率以及生物环境中的抗菌潜力[[4], [5], [6], [7]]。据报道，在含有LaB₆的聚合物体系中，光学透明度、介电常数和生物活性均有显著提升。

另一方面，MXene家族由于具有高电导率、大表面积和亲水性官能团，能与聚合物形成强烈的界面相互作用。这有助于通过调节纳米复合材料的介电极化机制来提高能量存储密度和抗菌活性[[8], [9], [10], [11]]。此外，即使在极低浓度下，MXene也能通过抑制聚合物中的电荷陷阱来减少介电损耗[12,13]。

在本研究中，5%（w/w）的LaB₆被固定在PVA-CS聚合物基质中，并制备了含有5%、7%和10%（w/w）MXene的静电纺丝纤维纳米复合材料。尽管文献中已有许多关于添加金属氧化物、石墨烯衍生物或银纳米颗粒的PVA-CS纳米纤维的报道[14,15]，但尚未有研究同时评估LaB₆和MXene添加剂在同一聚合物基质中的结构、热性能、介电性能、表面性能和生物活性。本研究的新颖之处在于首次在同一PVA–CS生物聚合物基质中制备了包含LaB₆ NPs和Ti₃C₂T_x型MXene层的多功能纳米纤维复合材料。LaB₆因其等离子体吸收效应、高热导率和自由基清除能力而脱颖而出，而MXene层则提供了电导率、介电可调性和抗菌活性。因此，两种具有互补性能的填料结合在同一结构中。虽然文献中报道了仅含一种无机添加剂（如金属氧化物、石墨烯衍生物或AgNP）的PVA–CS复合材料，但尚未有研究同时评估LaB₆和MXene的组合系统的结构、热性能、介电性能、表面性能和生物活性。这项工作填补了介电工程与生物功能表面设计之间的空白，为柔性电子、电磁干扰屏蔽和生物医学涂层提供了多功能材料平台，展示了在环保生物聚合物系统中实现多功能性能的新方法。

材料

用于制备复合薄膜的壳聚糖（CS，中等分子量，脱乙酰度75–85%）由Sigma-Aldrich提供；聚乙烯醇（PVA，分子量85,000–124,000，水解度99%以上）由Merck提供。用于合成LaB₆ NPs的氧化镧（La₂O₃，纯度≥99%）、氧化硼（B₂O₃，纯度≥98%）和镁粉（Mg，纯度≥99%）也由Sigma-Aldrich提供。合成过程中使用的盐酸（HCl，分析纯度37%）由...

LaB₆纳米颗粒和MXene纳米片的表征

图1a展示了LaB₆ NPs的扫描电子显微镜（SEM）图像。图像显示颗粒呈纳米级分布（60–90 nm），主要为球形或类球形，聚集现象有限。这种均匀分布表明合成过程中的成核和生长过程受到严格控制。图1b中的能谱（EDX）证实LaB₆为纯相，清晰观察到La和B的特征峰。

结论

研究表明，添加MXene显著改善了PVA-CS/LaB₆纤维纳米复合材料的多种性能。热分析显示，添加10% MXene后，分解温度上升了约35°C，残渣比例从5.2%增加到13.4%，从而显著提高了热稳定性。DSC结果证实玻璃化转变温度从63°C升高至79°C，结构稳定性也得到增强。

作者贡献声明

?brahim Erol：撰写初稿、方法设计、实验实施、数据管理。?brahim ?smail：数据分析、数据管理。Kadir Demirelli：实验实施、数据管理。Mecit Aksu：数据管理。Bekir Güney：数据管理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了阿菲永科阿特佩大学科学研究项目协调办公室的支持。项目编号为25.FENED.05。