纳米氧化锌抗菌塑料性能研究

2022-09-11

生活中, 人们不可避免地要接触到各种各样的细菌、真菌, 病毒等微生物。其中各种有害微生物的传播和蔓延严重威胁着人类的健康。据统计, 全世界1995年死亡5200万人, 其中因微生物传染引起的死亡为1700万人, 约占1/3。20世纪80年代初, 国外开始进行抗菌材料的研究。欧美主要研究有机抗菌剂, 到目前为止主要应用于普通日用品和玩具中;日本在抗菌领域中的材料制备和应用性能研究是最为发达和成熟的, 主要集中研究银系无机抗菌剂, 其进展速度飞快。在抗菌材料所用的抗菌剂中, 银系抗菌剂占着十分重要的位置。但是由于银系抗菌剂本身存在容易变色, 银离子溶出带来安全问题等一些缺点, 同时价格比较昂贵, 这使它的应用受到一定的限制。因此, 本文应用氧化锌作为抗菌剂 (无色无毒稳定便宜) , 研究其和聚丙稀混合制成的抗菌塑料的抗菌性能、机械性能、结晶性能等。[1,2]

1. 实验部分

1.1 材料

聚丙烯:牌号HI1500, 韩国现代石油化工公司, 注塑级, 熔体流动速率12, 密度0.9g/cm3。抗菌剂 (纳米氧化锌) :市购。

1.2 主要设备

40型双螺杆挤出机, 南京鼎天机械制造有限责任公司;HDE 48注塑机, 宁波市海达塑料机械有限公司;H10K-S力学性能测试仪, Hounsfield试验设备有限公司;JSM-6360LA扫描电镜, 日本电子株式会社;D8ADVANCE X射线衍射仪, Bruker公司。

1.3 试样制备

将纳米氧化锌分别按0份, 1份, 2份, 3份的比例添加到聚丙烯中, 经高速混合机混合3分钟, 然后用双螺杆挤出机造粒, 加工温度100℃, 180℃, 190℃, 190℃, 190℃, 190℃, 180℃, 转速300转。制备得样品分别为PP, PPZ01, PPZ02, PPZ03。最后再把样品用注塑机制成测试样条。

1.4 性能测试

1.4.1 抗菌性能测试

将纳米氧化锌抗菌PP制成测试样品后, 委托广东省微生物分析检测中心检测, 测试菌种为大肠杆菌和金黄葡萄球菌。

1.4.2 相容性测试

使用日本电子株式会社的JSM-6360LA扫描电镜对冲断样条的断口进行观察。

1.4.3 结晶分析

使用bruker公司的D8 ADVANCE X射线衍射仪进行结晶分析。

1.4.4 机械性能测试

按GB/T 16421-93塑料拉伸性能小试样试验方法, 用力学试验机进行拉伸力学性能测试。

2. 结果与讨论

2.1 抗菌性能测试

纳米氧化锌的抗菌性能测试结果如下

从表1可以看出, 纳米氧化锌的抗菌效果十分明显, 这说明在PP中添加纳米氧化锌作为抗菌剂是可行的, 具体添加比例可再进行试验确定优化。

2.2 相容性测试

可以看出, 纯PP的断面不是很平整, 有比较明显的屈服拉伸韧性断裂现象, 而添加纳米氧化锌后, 断面比较平整, 屈服现象不明显, 呈现一定的脆性断裂。从5000倍的照片来看, Zn O的分散均匀, 粒子与树脂的结合紧密, 没有空洞出现, 这说明Zn O与PP树脂的相容性和分散性都比较好[3]。

2.3 结晶分析

从表中可以看出:纯PP是以α晶型为主, 含有少量β晶的多晶样品。添加纳米氧化锌后则属于α晶型。产生此现象的原因尚需进一步研究。而结晶度则随这Zn O的加入而降低。这是由于纳米Zn O在PP中起到类成核剂作用, 结晶速度加快, 同时对PP分子链段的有序排列形成阻碍, 分子链运动空间减小, 结晶度降低。

2.4 机械性能测试

通常情况下无机填料与树脂混合后会降低单位界面上树脂的受力面积, 特别在填料和树脂相容性较差的情况下容易形成空洞脱离, 所以填充树脂的拉伸强度比纯树脂一般偏低[4]。从表2的测试数据来看, 加入纳米氧化锌以后, 屈服应力/拉伸强度有了一定的提高, 断裂伸长也有比较明显的提高, 断裂应力稍微降低一点。其中以添加2份纳米氧化锌的样品的综合性能最优。综合结晶分析和相容性分析, 这表明了纳米氧化锌与PP的相互作用比较强, 相容性较好, 结晶速率较快, 晶体粒径减小, 机械性能得到一定的改善。