BCN/Fe3O4/PCL复合材料制备与电磁波诱导变形研究

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形状记忆聚合物(SMPs)作为一种刺激-响应的智能材料,以其优异的形状记忆性能、无毒性、生物相容性和生物降解性,在生物医学领域,如药物释放、智能医疗设备、传感器等方面得到了广泛的应用。SMPs与具有特定功能的填料进行混合得到的复合材料,能够结合两者的优点,不仅能够改善复合材料的强度和模量,而且能够赋予SMPs复合材料新的响应刺激的方式。脂肪族聚酯,如聚己内酯(PCL),作为一种形状记忆基体材料,具有很好的生物相容性和降解性、高的形状固定率和恢复率、无毒、熔点低的特点,已被广泛用作生物材料。本文制备出一种以PCL为基体材料,Fe3O4颗粒和硼碳氮(BCN)纳米管为填料,采用聚合—共混—复合工艺制备出BCN/Fe3O4/PCL复合材料,通过Fe3O4和BCN吸收电磁波并将其转换为热能,来实现BCN/Fe3O4/PCL复合材料的电磁变形。本文首先通过黑体模型计算复合材料电磁变形响应时间,当Fe3O4颗粒和BCN纳米管的质量分数分别为20%和10%时,计算结果为11.6 s,证明此实验的可行性。采用先驱体裂解和CVD法制备了BCN纳米管。通过单体聚合的方法,在乙二胺(C6H7N)、苯胺(C6H7N)和二茂铁(Fe(C5H5)2)的混合溶液中(摩尔比为2:1:0.02)通入三氯化硼(BCl3)气体制备出BCN先驱体,并研究其可能的聚合过程。改变热处理温度,研究温度对BCN纳米管微观组织形貌、成分组成及电磁波吸收性能的影响。1100 oC保温2 h得到的BCN纳米管在14.96 GHz处达到最小反射损耗值-18.4 d B,对入射电磁波达到了98.6%的吸收。对BCN/Fe3O4/PCL复合材料的微观组织形貌、成分组成和吸波性能进行研究。没有添加Fe3O4颗粒和BCN纳米管的PCL属于透波材料,其反射损耗接近于0。当Fe3O4颗粒和BCN纳米管的质量分数分别为20%和20%时,BCN/Fe3O4/PCL复合材料在频率为6.96 GHz位置处有最低反射损耗-50.85 d B,对入射电磁波达到99.999%的吸收,有效频宽达到4.16 GHz,覆盖了5.92-10.08GHz范围。利用过氧化苯甲酰(BPO)作为引发剂,采用化学交联的方法赋予PCL形状记忆效应,BPO质量分数为10%时,PCL的交联度能够达到98.5%。通过水浴直接诱发复合材料发生变形,复合材料的形状恢复率达到98%。通过电磁波诱导,形状恢复率达到95%。通过MTT方法培养H9c2细胞和SH-SY-5Y细胞,较低的细胞抑制率表明了BCN纳米管低的生物毒性和生物相容性。具有生物相容性的BCN/Fe3O4/PCL复合材料,在药物释放方面有潜在的应用价值。
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