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納米氧化鋅抗菌塑料性能研究

文檔作者：盧焱林文檔來源：汕頭市彩虹塑料纖維母粒廠		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年02月16日
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2015 年2 月
納米氧化鋅抗菌塑料性能研究
盧焱林(汕頭市彩虹塑料纖維母粒廠,廣東汕頭515000)
摘要：本文以聚丙烯為載體，制備了以納米氧化鋅為抗菌
劑的抗菌塑料，并以力學(xué)性能測試儀，XRD和SEM 等對其機(jī)械
性能，結(jié)晶性能，相容性進(jìn)行了測試，同時測試其對金黃葡萄球
菌和大腸桿菌的抗菌能力。測試結(jié)果表明：納米氧化鋅作為抗
菌劑有較好的抗菌能力，機(jī)械性能稍有提高，結(jié)晶度略微下降。
關(guān)鍵詞：抗菌塑料；納米氧化鋅；性能
生活中，人們不可避免地要接觸到各種各樣的細(xì)菌、真菌，
病毒等微生物。其中各種有害微生物的傳播和蔓延嚴(yán)重威脅
著人類的健康。據(jù)統(tǒng)計，全世界1995年死亡5200萬人，其中因
微生物傳染引起的死亡為1700萬人，約占1/3。20世紀(jì)80年代
初，國外開始進(jìn)行抗菌材料的研究。歐美主要研究有機(jī)抗菌
劑，到目前為止主要應(yīng)用于普通日用品和玩具中；日本在抗菌
領(lǐng)域中的材料制備和應(yīng)用性能研究是最為發(fā)達(dá)和成熟的，主要
集中研究銀系無機(jī)抗菌劑，其進(jìn)展速度飛快。在抗菌材料所用
的抗菌劑中，銀系抗菌劑占著十分重要的位置。但是由于銀系
抗菌劑本身存在容易變色，銀離子溶出帶來安全問題等一些缺
點，同時價格比較昂貴，這使它的應(yīng)用受到一定的限制。因此，
本文應(yīng)用氧化鋅作為抗菌劑（無色無毒穩(wěn)定便宜），研究其和聚
丙稀混合制成的抗菌塑料的抗菌性能、機(jī)械性能、結(jié)晶性能
等。[1] [2]
1.實驗部分
1.1材料
聚丙烯：牌號HI1500，韓國現(xiàn)代石油化工公司，注塑級，熔
體流動速率12，密度0.9g/cm3?？咕鷦{米氧化鋅）：市購。
1.2主要設(shè)備
40 型雙螺桿擠出機(jī)，南京鼎天機(jī)械制造有限責(zé)任公司；
HDE 48注塑機(jī)，寧波市海達(dá)塑料機(jī)械有限公司；H10K-S力學(xué)
性能測試儀，Hounsfield試驗設(shè)備有限公司；JSM-6360LA掃描
電鏡，日本電子株式會社；D8 ADVANCE X 射線衍射儀，
Bruker公司。
1.3試樣制備
將納米氧化鋅分別按0份，1份，2份，3份的比例添加到聚
丙烯中，經(jīng)高速混合機(jī)混合3分鐘，然后用雙螺桿擠出機(jī)造粒，
加工溫度100℃，180℃，190℃，190℃，190℃，190℃，180℃，轉(zhuǎn)速
300轉(zhuǎn)。制備得樣品分別為PP,PPZ01,PPZ02,PPZ03。最后再把
樣品用注塑機(jī)制成測試樣條。
1.4性能測試
1.4.1抗菌性能測試
將納米氧化鋅抗菌PP制成測試樣品后，委托廣東省微生物
分析檢測中心檢測，測試菌種為大腸桿菌和金黃葡萄球菌。
1.4.2相容性測試
使用日本電子株式會社的JSM-6360LA掃描電鏡對沖斷樣
條的斷口進(jìn)行觀察。
1.4.3結(jié)晶分析
使用bruker公司的D8 ADVANCE X射線衍射儀進(jìn)行結(jié)晶
分析。
1.4.4 機(jī)械性能測試
按GB/T 16421-93塑料拉伸性能小試樣試驗方法，用力學(xué)
試驗機(jī)進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測試。
2.結(jié)果與討論
2.1抗菌性能測試
納米氧化鋅的抗菌性能測試結(jié)果如下
表1 PPZ02抗菌測試結(jié)果
微生物測
試
大腸桿菌
金黃葡萄球
菌
空白對照樣菌數(shù)(
cfu/cm2)
8.2*103
9.8*103
抗菌材料菌數(shù)(cfu/
cm2)
1.7*102
1.3*102
抗菌率(%)
97.92
98.68
從表1可以看出，納米氧化鋅的抗菌效果十分明顯，這說明
在PP中添加納米氧化鋅作為抗菌劑是可行的，具體添加比例可
再進(jìn)行試驗確定優(yōu)化。
2.2 相容性測試
圖1 納米氧化鋅抗菌塑料的沖斷界面掃描電鏡照片（放大1000倍和
5000倍）
圖2 各樣品的X射線衍射圖譜
可以看出，純PP的斷面不是很平整，有比較明顯的屈服拉
伸韌性斷裂現(xiàn)象，而添加納米氧化鋅后，斷面比較平整，屈服現(xiàn)
象不明顯，呈現(xiàn)一定的脆性斷裂。從5000倍的照片來看，ZnO
技術(shù)管理
76
2015 年2 月
5.影響機(jī)理探討
5.1反應(yīng)機(jī)理
甲醛與銨鹽反應(yīng)，生成等當(dāng)量的酸，包括氫離子和質(zhì)子化
的六次甲基四胺，如下式所示：
4NH4+ + 6HCHO (CH2)6N4H+ + 3H+ + 6H2O ···· (1)
六次甲基四胺是極弱的有機(jī)堿，它的存在使等當(dāng)點時溶液
呈微堿性。又由于它是可逆反應(yīng)，在酸性溶液中不能定量地完
成。但是當(dāng)氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定時反應(yīng)都能進(jìn)行到底。如
以甲醛法測定硝酸銨為例，總反應(yīng)方程式為：
4NH3NO3 + 6HCHO + 3NaOH (CH2)6N4HNO3 + 3NaNO3
+9H2O ···· (2)
5.2甲醇影響機(jī)理
在酸的催化下，醛能與一分子醇加成，生成半縮醛，半縮醛
不穩(wěn)定，可與另一分子醇進(jìn)一步縮合生成縮醛。在含甲醇的甲
醛溶液中含有一定量的縮醛和半縮醛。
HCHO + CH3OH CH3OCH2OH ···· (3)
CH3OH2OH + CH3OH CH3OCH2OCH3 + H2O ···· (4)
(3)、(4)是可逆反應(yīng)，由于該反應(yīng)的存在降低了測定溶液中
甲醛的濃度和活性，使甲醛與銨鹽的反應(yīng)速度減慢且不完全。
在用氫氧化鈉標(biāo)液滴定時，H+被中和，化學(xué)平衡被打破，(1)、(2)
反應(yīng)向右進(jìn)行，甲醛繼續(xù)與銨鹽作用；隨溶液中甲醛濃度降低，
(3)、(4)反應(yīng)向左進(jìn)行，縮醛、半縮醛水解出更多的甲醛再與銨鹽
反應(yīng)。接近滴定終點時，參與正向主反應(yīng)和逆向副反應(yīng)的物質(zhì)
濃度越來越低，反應(yīng)速度變慢，同時因被滴定液逐步接近于微
堿性，副反應(yīng)趨于穩(wěn)定，釋放出來的甲醛更少，主反應(yīng)難以加
速，從而出現(xiàn)假終點并使測定結(jié)果偏低。
6.結(jié)語
通過以上實驗，分析，可以判斷使用甲醛法測定硝酸銨產(chǎn)
品時，影響測定結(jié)果偏低的原因，并得出了解決方法，即可以用
蒸餾分離法脫除甲醛試劑中的甲醇，以消除此影響因素，但在
實際工作中應(yīng)用此方法繁瑣，不能快速的得到檢驗結(jié)果，在工
廠品控流程化檢驗過程中較難實現(xiàn)。最直接的解決辦法就是
控制所用甲醛試劑的質(zhì)量，使用不含甲醇雜質(zhì)的甲醛試劑，并
在測定時注意以下幾個問題：
(1)使用多聚甲醛配制成25%甲醛溶液。一定要控制甲醛
含量。
(2)中和過的甲醛溶液與硝酸銨溶液混合后，靜置5分鐘后
再用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至微紅pH=8.5為宜。
參考文獻(xiàn)：
[1]武漢大學(xué).分析化學(xué).高等教育出版社.2000.
[2]胡哲生.尿素國家標(biāo)準(zhǔn)分析方法學(xué)習(xí)班講義(第三講).化
工部化肥監(jiān)測中心.1982.
[3]劉守清.硝酸銨含氮量的滴定實驗研究.鐵道師院學(xué)
報.1998.15卷4期.62-64.
[4] 張志賢. 有機(jī)官能團(tuán)定量分析. 化學(xué)工業(yè)出版
社.1990.215-216.
[5] GBT 3600-2000.肥料中氨態(tài)氮含量的測定甲醛法.
[6]徐壽昌.有機(jī)化學(xué).高等教育出版社.1993.
[7]武漢大學(xué).分析化學(xué).高等教育出版社.2000.
(上接第75頁)
的分散均勻，粒子與樹脂的結(jié)合緊密，沒有空洞出現(xiàn)，這說明
ZnO與PP樹脂的相容性和分散性都比較好[3]。
2.3結(jié)晶分析
表2根據(jù)衍射圖譜計算的絕對結(jié)晶度（%）
PP
53.266
PPZ01
44.205
PPZ02
43.976
PPZ03
42.920
從表中可以看出：純PP是以α晶型為主，含有少量β晶的多
晶樣品。添加納米氧化鋅后則屬于α晶型。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因
尚需進(jìn)一步研究。而結(jié)晶度則隨這ZnO的加入而降低。這是
由于納米ZnO在PP中起到類成核劑作用，結(jié)晶速度加快，同時
對PP分子鏈段的有序排列形成阻礙，分子鏈運動空間減小，結(jié)
晶度降低。
2.4 機(jī)械性能測試
表2 納米氧化鋅抗菌塑料機(jī)械性能測試結(jié)果
樣品
PP
PPZ01
PPZ02
PPZ03
屈服應(yīng)力
(MPa)
37.08
37.84
38.04
37.73
屈服伸長
(%)
7.02
6.79
6.82
6.64
拉伸強(qiáng)度
(MPa)
37.08
37.84
38.04
37.73
斷裂伸長
(%)
62.9
64.3
68.4
63.9
斷裂應(yīng)力
(MPa)
22.22
20.17
21.08
21.16
通常情況下無機(jī)填料與樹脂混合后會降低單位界面上樹
脂的受力面積，特別在填料和樹脂相容性較差的情況下容易形
成空洞脫離，所以填充樹脂的拉伸強(qiáng)度比純樹脂一般偏低[4]。
從表2的測試數(shù)據(jù)來看，加入納米氧化鋅以后，屈服應(yīng)力/拉伸
強(qiáng)度有了一定的提高，斷裂伸長也有比較明顯的提高，斷裂應(yīng)
力稍微降低一點。其中以添加2份納米氧化鋅的樣品的綜合性
能最優(yōu)。綜合結(jié)晶分析和相容性分析，這表明了納米氧化鋅與
PP的相互作用比較強(qiáng)，相容性較好，結(jié)晶速率較快，晶體粒徑減
小，機(jī)械性能得到一定的改善。
3.結(jié)語
納米氧化鋅對塑料有良好的抗菌能力，加入納米氧化鋅以
后會使聚丙烯的結(jié)晶度下降，拉伸強(qiáng)度和拉伸模量還有斷裂伸
長率都有一定的改善，綜合以上分析，這應(yīng)該是由于ZnO和PP
的良好相容性和它的成核作用和阻礙作用多重影響的結(jié)果。
參考文獻(xiàn)：
[1]王志東，康桂芝，抗菌塑料的開發(fā)應(yīng)用，聚氯乙烯，2001，
(3):43-47.
[2]季君暉，史維明，抗菌材料，化學(xué)工業(yè)出版社，2003年第
一版.
[3]劉立敏，朱曉光，漆宗能，尼龍6/蒙脫土納米復(fù)合材料的
等溫結(jié)晶動力學(xué)研究，高分子學(xué)報，1999.6，3，274-279.
[4]葉春民，唐功本，劉景江，氧化釹填充聚丙烯的等溫結(jié)晶
動力學(xué)研究，高分子學(xué)報，1996.4，2，178-182.
技術(shù)管理
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