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摘要：復(fù)合材料的出現(xiàn)，為社會帶來了一場變革。材料通常由磁性金屬框架構(gòu)成，磁性粒子具有很多優(yōu)點，如易分離、可二次使用等。磁性粒子可以和多種材料組合，組成的復(fù)合材料性能及特點各不相同，不同種類的復(fù)合材料可以分別用在醫(yī)藥、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。圍繞復(fù)合材料展開討論，主要介紹不同材料和磁性粒子的構(gòu)筑過程以及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：磁性金屬；有機框架；復(fù)合材料；構(gòu)筑

復(fù)合材料的組成方式多種多樣，技術(shù)人員可根據(jù)具體情況，對其結(jié)構(gòu)組成進行調(diào)整。金屬離子、有機配體是復(fù)合材料的重要組成部分，改變兩者的種類，能達到調(diào)配材料功能的目的。有的復(fù)合材料具有面積大、空隙可調(diào)等優(yōu)點，可用作吸附粒子、生物制藥等領(lǐng)域。目前，復(fù)合材料的運用十分廣泛，其應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷擴展當(dāng)中。

1概念介紹

復(fù)合材料指的是由金屬和相應(yīng)的配體分子組成的材料，自然界的金屬種類很多，所形成的復(fù)合材料種類豐富。本文所研究的都是結(jié)構(gòu)性能較穩(wěn)定的復(fù)合材料，合成過程比較簡單，且具有良好的使用性能，下面對幾種典型的復(fù)合材料進行介紹。

2MOF金屬框架和粒子的組合

該種組合方式是最常見的復(fù)合材料構(gòu)筑方式，其中MOF5類型材料的主要組成部分是對苯二甲酸與Zn4O。該種組合方式分子間空隙較大，有較強的吸附功能，再加上粒子自身具有的磁性，吸附后對分子的分離操作非常簡單。隨著研究的加深，四氧化三鐵被附著到該材料表面，兩者結(jié)合靠的是氨基與該系列材料合理的配位，兩者連接的穩(wěn)定性遠比物理作用要好。化學(xué)鍵的結(jié)合使得該種復(fù)合材料在很多領(lǐng)域上都具有很好的應(yīng)用價值，例如水源凈化、多環(huán)芳烴等。在上述組合的基礎(chǔ)上，研究人員又將SiO2與之結(jié)合在一起，在三種復(fù)合體的表面利用原位旋涂的方法重新生成MOF5。這種新型復(fù)合材料可以將物質(zhì)中帶有磁性的粒子吸附出來。經(jīng)過實驗驗證，發(fā)現(xiàn)該功能并不影響原有材料的性能。一步生長法是目前制作復(fù)合材料最簡便的方法。以MOF-74和三氯化鐵的結(jié)合為例。前者為晶體，后者為溶液。兩者一旦接觸就會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而析出黑色粉末，粉末的成分為α-FeO3，該粉末可以與多種材料配合在一起，形成一系列的MOF材料。形成的新型復(fù)合材料可對電池進行充放電，充電速度快且能夠減少充放電對電池的損害。此方法合成材料的優(yōu)點是：合成條件簡單，材料融合反應(yīng)過程迅速；有效發(fā)揮出材料的性能，材料之間相互輔助且獨立；鈾的還原速度極大提升，傳統(tǒng)的鈾反應(yīng)過程十分緩慢，此方法的出現(xiàn)很好地解決了這一問題。

3ZIF框架與粒子的結(jié)合

該類型的金屬框架，是由鋅、鈷等過渡元素與相應(yīng)的配位材料組成的，框架具有一定的空間結(jié)構(gòu)。此系列的材料能夠在高溫、堿性環(huán)境中工作，材料本身的穩(wěn)定性不會被破壞，其中骨架穩(wěn)定性最好的是ZIF-8混合材料。在該液體中加入四氧化三鐵顆粒，放在沸騰的油液當(dāng)中使其混合，最終得到固體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。表面積大、性能穩(wěn)定是ZIF系列混合材料的共有特點。針對此種復(fù)合材料，研究人員也提出相應(yīng)的簡易合成方法，配制過程中只需對配制周期進行調(diào)整，就能有效控制固體結(jié)構(gòu)的厚度。ZIF合成材料能夠吸附甲基藍，若在堿性溶液中混有甲基藍粒子，此種復(fù)合材料對粒子具有較強的吸附性能。吸附完成后，磁性粒子能夠?qū)?fù)合材料從堿性溶液中分離出來，實現(xiàn)對溶液的提純。在Fe3O4、ZIF-8混合材料的基礎(chǔ)上，研究者將銅單質(zhì)加入其中進行反應(yīng)，最終得到的材料可作為催化劑使用。主要針對具體的化學(xué)反應(yīng)進行催化，該材料在加快醇類物質(zhì)的反應(yīng)速率上有很大的促進作用。與傳統(tǒng)催化劑相比，該材料催化效率明顯提升，物質(zhì)反應(yīng)之后復(fù)合材料還能再次回收利用。能夠有效節(jié)省成本，增加企業(yè)的經(jīng)濟效益。在反應(yīng)過程中，在條件允許的情況下外加磁場，可進一步提升催化效率。

4HKUST-1與金屬粒子的結(jié)合

此種類型復(fù)合材料的主要組成部分是單質(zhì)銅和苯三甲酸，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐高溫是該材料的主要優(yōu)點。在此復(fù)合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，添加其他功能的粒子不會改變原有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。該材料與納米球復(fù)合在一起可對金屬離子進行吸附。與粉末狀的Fe3O4結(jié)合，可對相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)起到很好的催化作用。該系列的復(fù)合材料在醫(yī)療上的應(yīng)用效果非常顯著，尼美舒利是緩解癌癥的主要藥物，其主要組成就是該復(fù)合材料。利用該藥物進行靶向緩釋的主要過程如下：首先需要患者將藥物服下，經(jīng)過4~5h，藥物逐漸開始釋放，釋放量大約為總藥物量的1/5。接下來就是藥物的常規(guī)分解過程，此過程時間較長，患者體內(nèi)的藥物會在一周之內(nèi)持續(xù)作用，此時3/5的藥物被釋放，對癌細胞的抑制初見效果。最后藥物需要在患者體內(nèi)充分釋放，并與身體融合，此過程需要5d作用。然后外加磁體，吸附有藥物的癌細胞分離出來，通過醫(yī)學(xué)手段將癌細胞殺死在患者體內(nèi)。這種治療方法通常被稱為化療，目前尼美舒利是保守治療癌癥效果最好的藥物。

5MIL材料與粒子構(gòu)筑的復(fù)合材料

MIL系列材料與相應(yīng)粒子利用混合法復(fù)合在一起的。四氧化三鐵在SiO2的修飾下，與MIL材料進行混合，兩者的有效復(fù)合是通過靜電作用實現(xiàn)的。該種復(fù)合材料對水中的多環(huán)芳香烴有良好的吸附效果，能夠有效凈化水源。兩步封裝法是材料復(fù)合的又一類方法，MIL系列材料的傳統(tǒng)復(fù)合方法為疊層法，兩步封裝在疊層法的基礎(chǔ)上加快合成速度，且不需要復(fù)雜的操作步驟。得到的復(fù)合材料毒性較低，同樣可以作為醇類物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)的催化劑，且重復(fù)利用次數(shù)增多。實驗證明，材料在使用八次之后損耗非常少，仍然具有良好的催化作用。利用MIL與金屬粒子混合可制成吸附抗生素的物質(zhì)，針對的抗生素主要是環(huán)丙沙星。此材料的復(fù)合是利用共沉淀法完成的，首先將多價鐵元素進行混合，并調(diào)節(jié)其酸堿度。NH4OH是調(diào)節(jié)酸堿度的主要物質(zhì)，當(dāng)液體pH值達到12左右，就能得到黑綠色的混合產(chǎn)物，黑綠色混合物就是最終成型的復(fù)合材料。在對環(huán)丙沙星的吸附過程中，吸附效率高達70%，再加上磷酸鹽溶液，可有效提升吸附效率。溫度的變化直接影響物質(zhì)的吸附效率，溫度越高效率越低，反之越高。若將MIL結(jié)構(gòu)物質(zhì)用均苯三酸進行替換，MIL-101會變成MIL-100。改變后的MIL材料分子間的孔道直徑變大，是最佳的藥物承載體。醫(yī)用藥物利用該物質(zhì)進行承載的例子很多青蒿素就是利用MIL-100的良好承載能力，實現(xiàn)藥物的緩慢釋放過程。

6UIO系列與粒子構(gòu)筑的復(fù)合材料

UIO材料的主要組成物質(zhì)是鋯和對苯二甲酸，前者是八面體結(jié)構(gòu)形式，后者數(shù)量為十二，通過合理的分子排列，最終組成穩(wěn)定性較好的UIO系列物質(zhì)。鋯元素具有較高的熔點，因此形成的穩(wěn)定性材料適用于高溫高壓的工作環(huán)境，在強酸、強堿中同樣適用。下面以UIO-66材料為例，對復(fù)合材料合成過程進行探究。第一步，將Ni3（NO3）2（OH）4與液態(tài)丙酮充分混合，然后將UIO-66加入到混合液中，攪拌后靜置一段時間。靜置過程中發(fā)現(xiàn)混合不充分現(xiàn)象需要再次攪拌。第二步，在水浴環(huán)境下加入適量乙醇，溫度保持在443K，加熱3~4h。析出的產(chǎn)物經(jīng)過洗滌、烘干，就得到最終的復(fù)合產(chǎn)物，該產(chǎn)物分子結(jié)構(gòu)空隙較大，在反應(yīng)過程中電荷傳輸通暢。UIO-66與四氧化三鐵的復(fù)合材料也具有較高的醫(yī)用性能，此復(fù)合物質(zhì)具有良好的親水性，其中的親水氨基能夠快速收集血清中的糖肽、磷酸肽。

7結(jié)束語

綜上所述，通過幾種典型的復(fù)合材料構(gòu)筑和應(yīng)用案例，讓人們更加系統(tǒng)地了解其特征和相關(guān)功能。復(fù)合材料是在傳統(tǒng)材料研發(fā)的基礎(chǔ)上衍生出來的，性能更加優(yōu)良。近年來，復(fù)合材料已經(jīng)滲透到很多領(lǐng)域，促進了社會的進步和發(fā)展。目前新型復(fù)合材料還在不斷研制當(dāng)中，復(fù)合材料還具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻

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作者：張寧 陳婉秋 單位：河南工學(xué)院