聚丙烯_四针状氧化锌晶须抗菌复合材料的性能研究.pdf

新材料 新装饰2023 年 11 月 第 5 卷第 21 期新材料及应用DOI:10.12203/j.xclxzs.1671-9344.202321001作者简介：郭军辉（1991），男，讲师，博士。研究方向：纳米高分子抗菌材料研究。聚丙烯/四针状氧化锌晶须抗菌复合材料的性能研究郭军辉，宋波，李健良，陈漫诗，罗鑫，林婕顺，黄元盛（江门职业技术学院，广东 江门，529090）抗菌塑料是一种具有抑制细菌生长功能的塑料，它可以在使用过程中防止细菌的滋生，从而保持物品的清洁和卫生1。抗菌塑料被广泛应用于医疗、食品、化妆品、电子产品等领域，未来市场前景十分广阔。随着科技的快速发展和生活水平的提高，人们对抗菌塑料的需求越来越高。聚丙烯（PP）是一种性能优良的热塑性合成树脂，具有生产工艺简单、成本低廉、原料来源丰富以及易加工等优点，PP也存在低温下脆性较大、日常使用中易受细菌污染等的缺点2-3。因此，制备抗菌PP具有十分重要的现实意义。四针状氧化锌晶须（T-ZnOw）是迄今发现的唯一一种具有四针状空间立体结构的晶须，其立体结构有一个核心，能够从核心径向伸展出四根针状晶体，每根针状体均为单晶体微纤维，其具有极大的长径比。因其独特的三维四针状立体结构，很容易在基体材料中实现均匀分布，且各向同性地改善聚合物基体的物理特性。同时，还可以赋予基体材料多种独特功能，如耐磨、抗静电和抗菌等性能4-6。Zeng等7利用双螺杆挤出机熔融共混的方法制备了分别含有未改性和改性的T-ZnOw/等规聚丙烯（iPP）复合材料，对其力学性能、热性能、结晶性能和形貌特征进行了研究。结果表明，硅烷偶联剂改性T-ZnOw后的iPP的力学性能明显优于未改性T-ZnOw的iPP，原因是偶联剂对T-ZnOw进行改性后，T-ZnOv与iPP基体的界面相互作用增强。同时，T-ZnOw的加入也提升了iPP的热性能，包括热降解率和热分解温度。但其未对抑菌方面进行研究。本实验以T-ZnOw作为改性剂，选择PP为基体聚合物，通过最简单的混合熔融共混法制备PP/T-ZnOw复合材料，重点研究了其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌性，以及这种最易工业化的制备工艺对复合材料性能的影响，制备了具有长效抗菌性能以及良好耐热性能的PP。1 实验介绍1.1 实验原料实验中的原料如下：PP，中国石油大庆石油化工公司；T-ZnOw，广州亿鑫新材料有限公司；抗氧剂B215，广州志一化工有限公司。1.2 仪器设备实验中用到的仪器设备如下：注塑机（JJ-20），武汉怡扬塑料机械有限公司；悬梁臂冲击试验机（UJ-40），河北省承德市材料实验机厂；万能材料试验机（CMT6001），深圳新三思实验设备有限公司；热变形维卡温度测定仪（HH-300S），东莞市道滘弘辉检测仪器设备厂。1.3 试样制备将按不同质量分数配比好的T-ZnOw和PP置于高速混炼机中充分混合5 min，然后将混合好的物料在170210益注射成型为标准样条。1.4 性能测试抗菌性能参照 塑料 塑料表面抗菌性能试验方法（GB/T 314022015）8进行；拉伸性能按照 塑料拉伸性能的测定 第2部分：模塑和挤塑塑料的试验条件（GB/T 1040.22022）9在室温下进行测试，拉伸速率为50 mm/min；冲击性能按 塑料 悬臂梁冲击强度的测定（GB/T 18432008）10进行测试，V形缺口，摆锤冲击速率为2.9 m/s；负荷热变形温度按 塑料 负荷变形温度的测定 第2部分：塑料和硬橡胶（GB/T1634.22019）11进行，升温速率为2益/min，载荷为1.8 MPa。摘要院以不同质量分数的四针状氧化锌晶须（T-ZnOw）为改性剂，利用熔融共混法制备了聚丙烯（PP）/T-ZnOw复合材料。对复合材料的力学性能和负荷热变形温度进行了分析，并考察了复合材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌性。结果表明，T-ZnOw对复合材料增强增刚作用不明显；当T-ZnOw质量分数为5%时，复合材料的冲击强度提高了近一倍，负荷热变形温度提高了33.7，复合材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率均高达50%以上，具有高效的抗菌性能。关键词院聚丙烯；四针状氧化锌晶须；复合材料；抗菌性能中图分类号院TQ325.14文献标志码院A文章编号院1671-9344(2023)21-0001-031-新材料 新装饰2023 年 11 月 第 5 卷第 21 期新材料及应用2 结果与讨论2.1 抗菌性能不同T-ZnOw质量分数对PP/T-ZnOw复合材料抗菌性能的检测结果如表1和图1所示。从表1和图1的测试结果可以看出，随着T-ZnOw质量分数的增加，培养基表面的菌落数逐渐减少，复合材料对金黄色葡萄球和大肠杆菌抗菌性均呈增强趋势。当T-ZnOw质量分数为5%时，复合材料对金黄色葡萄球菌的抗菌率为73%以上、对大肠杆菌抗菌的抗菌率为95%以上；当T-ZnOw质量分数为7.5%时，复合材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌抗菌的抗菌率均超过99%，表现出优异的抗菌能力。根据该检测结果，可以为研究PP/T-ZnOw提供相应参考。表 1PP/T-ZnOw复合材料抗菌性能的检测结果（%）复合材料中T-ZnOw所释放的Zn2+可能是导致其对细菌具有抗菌作用的主要原因。这一作用机制可以通过以下方式进行解释。复合材料中的T-ZnOw释放出Zn2+，这些离子能够与细菌细胞壁表面发生相互作用。Zn2+可以吸附在细菌细胞壁的表面，从而干扰细菌的正常功能。这种吸附作用可能会导致细菌细胞膜的破坏，进而引发细胞质的外流，导致细菌死亡。这种细菌死亡方式可能是通过破坏细菌细胞的完整性，使细菌无法保持其内部环境的稳定性，最终导致其死亡。同时，Zn2+还具有穿透细菌细胞壁的能力。一旦Zn2+进入细菌细胞内部，它可以与细胞内的蛋白质相互作用。正常的蛋白质结构和功能对于细菌的生存至关重要，而Zn2+的介入可能会破坏这些蛋白质的结构，从而使细菌无法维持其正常的代谢和功能，最终导致细菌的死亡12。这种抑菌效果随着T-ZnOw的增加而增加。该发现为新型抗菌塑料的研制提供了新思路，也为应用于医疗器械、食品包装等领域的抗菌材料设计提供了有力支持。2.2 力学性能不同T-ZnOw质量分数对PP/T-ZnOw复合材料拉伸强度和弯曲模量的影响如图2所示。从图中可以看出，复合材料的拉伸强度和弯曲模量随着T-ZnOw的加入变化不大，未表现出明显增强增刚效果，亦未表现出对性能明显的劣化作用，这一点与Zeng等7的实验结果有所不同。其原因可能是本文采用了工艺简便、成本低廉的PP和T-ZnOw共混后直接注塑。由于未对T-ZnOw进行表面处理，未添加相容剂，也未将PP和T-ZnOw进行双螺杆挤出造粒，从而导致T-ZnOw在PP中分散困难。T-ZnOw的团聚破坏了PP分子间的结合力，导致复合材料相间缺陷增多，未能在复合材料中很好发挥载荷传递、桥联、脱黏和裂纹作用。尽管如此，由于T-ZnOw独特的四针状空间立体的结构，使其能在PP中起到“铆合”作用，不致复合材料的强度和刚性下降。这给工业化应用带来了便利。图 2不同T-ZnOw质量分数对PP/T-ZnOw拉伸强度和弯曲模量的影响不同T-ZnOw质量分数对PP/T-ZnOw复合材料冲击强度的影响如图3所示。从图中可以看出，在各质图 1不同T-ZnOw质量分数下PP/T-ZnOw的抗菌性能注：“”表示不具抗菌性。配方编号金黄色葡萄球菌大肠杆菌0%T-ZnOw2.5%T-ZnOw26.866.35%T-ZnOw73.696.17.5%T-ZnOw999910%T-ZnOw9999403224168T-ZnOw质量分数（%）7.51002.552 5002 0001 5001 0005000拉伸强度弯曲模量（a）0%-ZnOw金黄色葡萄球菌大肠杆菌（f）0%-ZnOw（b）2.5%-ZnOw（g）2.5%-ZnOw（c）5%-ZnOw（h）5%-ZnOw（d）7.5%-ZnOw（i）7.5%-ZnOw（e）10%-ZnOw（j）10%-ZnOw2-新材料 新装饰2023 年 11 月 第 5 卷第 21 期量分数范围内，冲击强度均较纯PP高，当T-ZnOw质量分数为5%时冲击强度最高，提高了近一倍；而后随着T-ZnOw质量分数的进一步提高，复合材料冲击强度呈现出下降趋势，这可能是四针晶须氧化锌具有“铆合”作用，提高了复合材料的冲击强度。在晶须含量过高时间产生了团聚，在受到冲击时促进了复合材料裂纹的生长，导致复合材料的冲击强度有所降低。材料的抗冲击性和韧性得到了提升，可能会在一些需要耐用性和抗损耗性能的应用中发挥重要作用。图 3不同T-ZnOw质量分数对PP/T-ZnOw冲击强度的影响2.3 耐热性能负荷热变形温度是材料耐热性能的重要指标之一，不同T-ZnOw质量分数对PP/T-ZnOw复合材料负荷热变形温度的影响如图4所示。从图中可以看出，随着T-ZnOw质量分数的增加，复合材料的负荷热变形温度呈现逐步上升的趋势。纯PP的负荷热变形温度为87.2益，在T-ZnOw质量分数为2.5%时为114.5益，提高了27益以上；在T-ZnOw质量分数为10%时为130.5益，提高了43益以上。这可能是因为随着T-ZnOw的加入，由于晶须的“铆合”作用抑制了PP链段运动，增强了材料的刚性，导致复合材料的负荷热变形温度有所提高13。负荷热变形温度的大幅提升，有助于扩大复合材料的应用范围，适用于耐热要求较高的场合。图 4不同T-ZnOw质量分数对PP/T-ZnOw负荷热变形温度的影响3 结论（1）通过添加T-ZnOw的复合材料，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表现出优异的抗菌性能。尤其在T-ZnOw添加量为5%的条件下，复合材料对这两种细菌的抗菌率高达50%以上，显示出了出色的抑菌效果。（2）相较于纯PP，复合材料的拉伸强度和弯曲模量整体上没有出现显著的变化。然而，复合材料的冲击性能有所提升。（3）添加T-ZnOw制得的复合材料在热性能方面也呈现出显著的优势。可见，通过简单添加T-ZnOw制备的复合材料在抗菌性能、力学性能和热性能方面均呈现出一系列积极的变化。这些结果不仅为新型材料的研发提供了实验支持，也为材料在医疗、工业等领域的应用拓展了新的可能性。未来的研究可以进一步深入探究材料的微观结构与性能之间的关系，以优化材料配方，更好地满足特定领域的需求。参考文献院1 黄灵阁,曹宏深,陈金周,等.聚丙烯基抗菌塑料的制备与性能研究J.化学推进剂与高分子材料,2008(5):38-40.2 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