利用微波辅助的非共价功能化方法对磁性纳米粒子进行处理，以增强其在硅橡胶复合材料中的分散性能和磁响应特性

《European Polymer Journal》：Microwave-assisted non-covalent functionalization of magnetic nanoparticles for dispersion enhancement and magneto-responsive performance in silicone rubber composites

【字体：大中小】 时间：2026年05月26日 来源：European Polymer Journal 6.3

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　　王月|李青鑫|张路丹|王洪宇|孙辉|张立峰|谢安|刘俊亮中国扬州大学化学与材料学院，扬州225002摘要具有磁响应性能的聚合物复合材料在软体机器人、柔性传感器和生物医学设备中受到了广泛关注。然而，磁性纳米颗粒（MNPs）在硅橡胶基质中的严重聚集仍然是实现高磁机械转换效率和可靠性能

王月|李青鑫|张路丹|王洪宇|孙辉|张立峰|谢安|刘俊亮

中国扬州大学化学与材料学院，扬州225002

摘要

具有磁响应性能的聚合物复合材料在软体机器人、柔性传感器和生物医学设备中受到了广泛关注。然而，磁性纳米颗粒（MNPs）在硅橡胶基质中的严重聚集仍然是实现高磁机械转换效率和可靠性能的关键障碍。为了解决这一限制，本研究开发了一种微波辅助的非共价功能化策略。在热刺激下，聚二甲基硅氧烷预聚体通过非共价作用（物理链缠结、氢键和疏水力）扩散并物理粘附到BaCo_xTi_xFe_12?2xO₁₉（BCTF纳米片）表面，显著减少了填料聚集并增强了界面粘附力。这些非共价作用的协同效应使复合材料实现了高效的磁机械转换效率。优化后的磁响应弹性体（MRE）在1000 mT下的最大磁流变效应为5.45%（与未改性复合材料相比提高了164.56%），拉伸强度增加了19.36%，达到4.50 MPa。尽管断裂伸长率从339%下降到220%，但其保留的柔韧性仍足以用于软执行器和柔性传感器。此外，tanδ峰值向更高温度移动了5.06°C，证实了界面粘附力的增强。这些结果表明，通过这种改性方法制备的MRE在先进软执行器和柔性传感器应用中具有潜力。

引言

由于具有无线可控性、快速响应和机械顺应性[1]、[2]、[3]，具有磁响应性能的聚合物纳米复合材料已成为软体机器人、柔性传感器和生物医学设备的有希望的候选材料。其中，MRE由分散在弹性体基质中的磁性纳米颗粒（MNPs）组成。它们特别吸引人，因为它们能够直接将磁能转换为机械功，而无需嵌入式电极或热刺激[4]、[5]。由于它们的远程可控性和无接触驱动能力，磁响应弹性体在微型执行器、生物医学设备、可植入工具和组织工程中显示出卓越的潜力。合理设计界面相互作用和磁机械耦合对于确保下一代智能柔性系统的稳定变形、高驱动效率和长循环寿命至关重要[6]、[7]、[8]。

然而，MRE的实际应用受到了两个关键瓶颈的严重阻碍：(i) MNPs与硅橡胶基质之间的表面能不匹配，导致严重的填料聚集并产生应力集中缺陷；(ii) MNPs与聚合物链之间的弱界面相互作用，限制了有效的应力传递，从而降低了磁机械转换效率[9]、[10]。未经改性的MRE通常由于界面相互作用不足而表现出受限的磁驱动性能和较差的循环稳定性，这限制了它们在高性能软执行器中的实际应用[11]、[12]。

为了解决这些问题，已经广泛探索了MNPs的表面改性以改善界面兼容性。传统的物理改性方法（例如，表面活性剂吸附、静电涂层）依赖于在循环磁场或机械应力下容易破坏的弱可逆相互作用[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。通过共价接枝进行化学改性可以增强界面粘附力，但它需要多步有机合成、严格的无水条件，并且经常导致过度交联，从而使弹性体基质变脆。更重要的是，这些方法很少能够在界面粘合强度和基质柔韧性之间取得平衡，其复杂的过程阻碍了大规模生产[18]、[19]、[20]、[21]。基于物理链缠结、氢键和疏水作用的非共价表面改性引起了研究兴趣，因为它保持了MNPs的结构完整性，并实现了温和的可扩展界面工程[22]。然而，现有的MRE非共价策略通常涉及超声波分散或溶液混合[23]、[24]。这些方法存在改性不均匀、接枝密度低和重现性差的问题[25]、[26]、[27]。此外，传统的热处理依赖于外部热源，这会引入明显的热滞后，并且无法在整个复合材料中实现均匀加热，导致界面激活不足和改性均匀性差。

在这项工作中，采用微波辐照来解决这些问题，因为它可以消除热滞后并实现对混合物的体积加热，以确保样品内部的均匀温度分布[28]、[29]、[30]。磁性填料作为纳米级电感器，吸收微波能量并在几秒钟内产生不超过250°C的局部瞬态加热。这种热量激活了相邻的聚合物链，使它们扩散、缠结并最终接枝到颗粒表面。与传统的热固化相比，微波场可以穿透整个体积，实现无需外部溶剂或引发剂的均匀界面工程。然而，对于微波诱导的链重组如何控制界面应力传递和磁机械响应的系统理解仍然不足[31]。

在这里，我们报告了一种简便的微波辅助非共价功能化策略，用于基于Co-Ti共掺杂的钡六铁矿（BaCo_xTi_xFe_12?2xO₁₉，BCTF纳米片）和硅橡胶（Dow Corning SYLGARD 184）的界面工程。利用BCTF纳米片的微波吸收特性，通过协同的非共价作用（物理链缠结、氢键和疏水力）诱导局部纳米加热，在BCTF纳米片周围原位形成约200纳米厚的PDMS界面层（来自SILGARD 184 Part A）。本研究的主要目标是：(i) 研究微波辐照时间对BCTF纳米片在硅橡胶基质中的界面粘合程度和分散性的影响；(ii) 阐明非共价相互作用在增强界面兼容性和应力传递中的作用；(iii) 优化MRE的磁机械转换效率和机械性能。我们证明，优化后的MRE在磁诱导变形方面提高了164.56%（在1 T时达到5.45%），拉伸强度增加了19.36%，同时保持了足够的柔韧性，适用于软执行器。这项工作不仅为MRE的界面工程提供了一种可扩展、低成本的途径，还丰富了聚合物纳米复合材料的非共价功能化策略。

章节片段

材料

Co²⁺-Ti⁴⁺掺杂的六角形钡铁矿（BaCo_xTi_xFe_12?2xO₁₉，x = 0.0, 0.6, 1.2，BCTF纳米片）是按照之前的工作[32]、[33]、[34]中报告的方法制备的。制备的BCTF纳米片表现出典型的纳米片形态，厚度均匀，范围从100到200纳米。随着掺杂量的增加，BCTF纳米片将从硬磁性变为软磁性。四氢呋喃（THF，AR）购自Sinopharm Chemical Reagent

结果与讨论

作为工业微波频段的吸收介质，有必要确定粉末的电磁参数。图1a显示了常压下微波化学反应器的设置。图1b的结果表明，BCTF纳米片在工业微波频段内表现出磁损耗吸收，因此可以使用微波作用进行后续表面改性。

结论

本研究提出了一种简便高效的微波辅助非共价功能化策略，用于磁性弹性体复合材料的界面工程。通过利用BCTF纳米片的强微波吸收能力，实现了局部纳米加热，驱动填料表面原位形成约200纳米厚的PDMS-A界面层。增强的界面粘附力源于三种不同的协同非共价作用：

CRediT作者贡献声明

王月：撰写 – 原始草稿，研究，形式分析，数据管理。李青鑫：研究，形式分析。张路丹：研究，数据管理。王洪宇：验证，研究。孙辉：撰写 – 审查与编辑，方法论，形式分析。张立峰：撰写 – 审查与编辑，形式分析。谢安：方法论，形式分析，数据管理。刘俊亮：撰写 – 审查与编辑，监督，资源，方法论，资金获取，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号：52173208）和扬州大学的

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