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纳米ZnO/生物基尼龙612纳米复合抗菌薄膜的制备与性能

李霞, 刘跃军, 刘小超, 江南, 王雄刚, 莫智翔, 胡钰迪, 郑伟

李霞, 刘跃军, 刘小超, 等. 纳米ZnO/生物基尼龙612纳米复合抗菌薄膜的制备与性能[J]. 复合材料学报, 2023, 40(1): 437-446. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220208.001
引用本文: 李霞, 刘跃军, 刘小超, 等. 纳米ZnO/生物基尼龙612纳米复合抗菌薄膜的制备与性能[J]. 复合材料学报, 2023, 40(1): 437-446. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220208.001
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LI Xia, LIU Yuejun, LIU Xiaochao, et al. Preparation and properties of nano-ZnO/bio-based nylon 612 nano-composite antibacterial film[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2023, 40(1): 437-446. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220208.001
Citation: LI Xia, LIU Yuejun, LIU Xiaochao, et al. Preparation and properties of nano-ZnO/bio-based nylon 612 nano-composite antibacterial film[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2023, 40(1): 437-446. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220208.001
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纳米ZnO/生物基尼龙612纳米复合抗菌薄膜的制备与性能

  • 1.

    湖南工业大学　先进包装材料与技术湖南省重点实验室，株洲 412007

  • 2.

    厦门长塑实业有限公司，厦门 361026

基金项目: 国家自然科学基金(11872179)；湖南省自然科学基金(2020JJ5137)；湖南省教育厅科学研究项目(19A138；19B152)
详细信息
    通讯作者:

    刘跃军，博士，教授，博士生导师，研究方向为高分子材料加工工程、先进包装材料与技术　E-mail: yjliu_2005@126.com

  • 中图分类号: TB332

Preparation and properties of nano-ZnO/bio-based nylon 612 nano-composite antibacterial film

  • 1.

    Hunan Provincial Key Laboratory of Advanced Packaging Materials and Technology, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China

  • 2.

    Xiamen Changsu Industrial CO., LTD., Xiamen 361026, China

Funds: National Natural Science Foundation of China (11872179); Natural Science Foundation of Hunan Province (2020JJ5137); Scientific Research Project of Education Department of Hunan Province (19A138; 19B152)

摘要

    摘要
  • 摘要: 细菌滋生将缩短食品货架周期，对人体健康产生负面影响，因此开展抗菌包装膜的研究十分重要。本文采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂(KH550)改性了纳米氧化锌(ZnO)，并将改性后的纳米氧化锌(m-ZnO)与尼龙612 (PA612)进行熔融共混制备复合材料，最终采用挤出流延制备了m-ZnO/PA612纳米复合抗菌薄膜。采用FTIR对改性前后的ZnO进行表征，证明了KH550成功接枝到ZnO上。通过SEM、DSC、TGA、平板计数法等测试手段对ZnO的分散及复合材料的结晶性能、热性能、抗菌性能进行了研究。结果表明：m-ZnO在PA612基体中分散良好。m-ZnO可以作为成核剂提高PA612的结晶度，m-ZnO的含量为2wt%时，其结晶度提高了4.1%。m-ZnO对PA612有增强作用，m-ZnO的添加量为2wt%时，m-ZnO/PA612纳米复合薄膜的拉伸强度较纯PA612提高了15%。m-ZnO的存在赋予了PA612抗菌性能，m-ZnO/PA612纳米复合薄膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有很好的抗菌效果，且随着m-ZnO含量的增大，抗菌率增大，m-ZnO的质量分数为4wt%时，对大肠杆菌的抗菌率为93.25%，对金黄色葡萄球菌的抗菌率为91.03%。
    Abstract: Bacterial growth can shorten the shelf life of food and exert a negative effect on human health, therefore it is of great importance to conduct research on anti-bacterial films. Herein, the γ-aminopropyltriethoxysilane coupling agent (KH550) was used to modify nano-zinc oxide, and the modified nano-zinc oxide (m-ZnO) was melt-blended with nylon 612 (PA612) to prepare m-ZnO/PA612 nanocomposite, followed by the fabrication of the antibacterial film through extrusion film casting process. The FTIR was used to characterize the nano-zinc oxide before and after the modification, which proved that KH550 was successfully grafted onto the nano-zinc oxide. Through SEM, DSC, TGA, plate counting method, and other test methods, the dispersibility of nano-zinc oxide and the crystallization performance, thermal performance, and antibacterial properties of composite materials were studied. The results show that the m-ZnO is well dispersed in the PA612 matrix. The m-ZnO can be used as a nucleating agent to increase the crystallinity of PA612. When the content of m-ZnO is 2wt%, the crystallinity is increased by 4.1%. Moreover, the m-ZnO exhibits a reinforcing effect on PA612. When the addition amount of m-ZnO is 2wt%, the tensile strength of the m-ZnO/PA612 nanocomposite film is 15% higher than that of pure PA612. The presence of m-ZnO gives PA612 antibacterial properties. m-ZnO/PA612 nanocomposite film has a good inhibitory effect on Escherichia coli and Staphylococcus aureus. With the increase of m-ZnO content, the antibacterial rate increases, when the mass fraction of m-ZnO is 4wt%, the antibacterial rate against Escherichia coli is 93.25%, and the antibacterial rate against Staphylococcus aureus is 91.03%.
    • HTML全文

  • 由于石油资源不可再生，生物基的食品包装材料引起了学术界和工业界的广泛关注。尼龙612 (PA612)是一种半结晶性热塑性聚合物，可由单体己二胺和十二碳二酸缩聚而成，其中十二碳二酸可以从植物油中获得，因此PA612属于半生物基材料[1]。在包装领域，尼龙通常作为软包装应用，其具备优异的力学、耐穿刺、光学、阻隔、耐化学溶剂等综合性能[2]。在尼龙包装薄膜中，尼龙6 (PA6)薄膜应用最广，而PA612与PA6在结构性能上有一定的相似性，且较PA6具有更低的吸湿率和更好的尺寸稳定性[3]。细菌的滋生不仅影响食品新鲜度，还直接影响人体健康，因此尼龙抗菌包装材料的研究与开发受到了普遍重视[4-6]。各种类型的无机抗菌剂，如银类抗菌剂、钛类抗菌剂、锌类抗菌剂、铜类抗菌剂已经开发出来，在PA复合材料上表现出不同程度的抗菌效果[7-12]。

    纳米氧化锌(以下简称ZnO)由于其较低的成本、无毒、对环境友好及优异的抗菌性能，被认为是一种有前景的抗菌剂[13]。此外，ZnO已被美国食品和药物管理局(FDA)列为公认安全(GRAS)的材料。目前，针对ZnO纳米颗粒提出的抗菌机制主要有4个方面，即活性氧ROS的生成、Zn2+的离子释放、表面静电相互作用和纳米粒子的内化[14]。Wang等[10]利用原子层沉积(ALD)与水热技术相结合制备了抗菌PA6-ZnO多级纳米纤维，发现其可有效抑制细菌存活。Li等[15]通过熔融共混和热压成型工艺制备纳米氧化锌/高密度聚乙烯(HDPE)复合薄膜并研究其机械和抗菌性能发现，通过添加纳米ZnO颗粒，提高了HDPE薄膜的拉伸强度和断裂伸长率。 ZnO/HDPE纳米复合材料表现出良好的抗菌活性，尤其是对金黄色葡萄球菌。Kim等[16]采用溶液法制备了聚乳酸(PLA)/ZnO纳米复合薄膜，其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌显示出明显的抗菌活性，但具有超过3wt%ZnO含量的生物纳米复合膜由于团聚和分散性差导致表面粗糙和结晶度降低。因此，为充分发挥ZnO的抗菌特性和纳米效应，同时提高其在聚合物基体中的分散性，需要对其进行表面改性。

    γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂(KH550)是常用的改性剂，能有效改善纳米粒子在基体中的分散。Li等[17]采用KH550对氧化锌纳米粒子进行改性，发现纳米颗粒的分散性得到了很大的改善，有效地打破了纳米颗粒的团聚现象。截止目前，针对KH550改性纳米ZnO做为抗菌剂在PA612薄膜中应用的相关研究尚未开展。

    本文利用KH550湿法改性纳米ZnO (m-ZnO)，然后将m-ZnO加入到PA612基体材料中，通过双螺杆挤出造粒制备了纳米抗菌复合材料，通过挤出流延制备了PA612纳米抗菌复合薄膜。研究了m-ZnO对纳米复合材料热稳定性、结晶行为、力学性能和抗菌性能的影响。

    1.   实验材料及方法

    1.1   原材料

    实验选用的PA612 (Zytel® 151L NC010)熔点为218℃，购自杜邦公司；纳米氧化锌(ZnO)，粒径50 nm，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；硅烷偶联剂KH550，分子量为221.37 g/mol，安徽泽升科技有限公司；溶菌肉汤(LB肉汤)、琼脂粉，青岛高科技工业园海博生物技术有限公司；大肠杆菌(ATCC25922)、金黄色葡萄球菌(ATCC29213)，上海鲁微科技有限公司。

    1.2   m-ZnO/PA612纳米复合材料的制备

    利用偶联剂KH550对纳米氧化锌进行改性。将20 g纳米ZnO和500 mL 95%乙醇加入到1000 mL的三口烧瓶中，超声分散30 min，然后搅拌加热至75℃。将2 g KH550预水解1 h后缓慢加入到ZnO溶液中，在75℃下搅拌4 h后终止反应。然后将所得混合物抽滤分离，并用乙醇洗涤3次，以去除过量的KH550。将表面改性的纳米氧化锌(m-ZnO)在真空干燥箱中60℃干燥12 h，最后研磨成粉末备用。

    采用熔融复合法制备了含m-ZnO纳米颗粒的PA612纳米复合材料。将所需含量的m-ZnO与PA612在双螺杆挤出机(CTE 35 PLUS，南京科倍隆机械有限公司)中在250℃下熔融共混挤出，然后用流延机(FDHU-35，广东市普同实验分析仪器)以20 r/min的固定转速在270℃下流延成膜，流延膜厚度为(120±10) μm。所制备的m-ZnO/PA612纳米复合材料简称Xm-ZnO/PA612。为了比较，以同样的步骤，将原始的ZnO纳米颗粒与PA612混合，所制备的ZnO/PA612纳米复合材料简称XZnO/PA612，其中X为纳米复合材料中ZnO的质量分数。复合薄膜具体质量配比如表1所示。

    表  1  不同ZnO含量的ZnO/PA612抗菌复合膜
    Table  1.  ZnO/PA612 antibacterial composite films with different ZnO content
    SampleMass fraction/wt%
    PA612m-ZnOZnO
    PA612 100 0 0
    0.5wt%m-ZnO/PA612 99.5 0.5 0
    2wt%
    ZnO/PA612    		 98 0 2
    2wt%m-ZnO/PA612 98 2 0
    4wt%m-ZnO/PA612 96 4 0
    6wt%m-ZnO/PA612 94 6 0
    Notes: m-ZnO—Modified nano zinc oxide; ZnO—Unmodified nano zinc oxide; PA612—Nylon 612.
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    1.3   改性ZnO和ZnO/PA612复合膜的表征

    傅里叶变换红外光谱(FTIR)测试：采用Bruker TENSOR II型红外光谱仪进行测试，扫描范围为4000~400 cm−1，波数分辨率为4 cm−1。

    扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线能谱(EDX)测试：先将样品在液氮中低温脆断后贴于导电胶，然后将样品在真空条件下喷金，再排布在样品台上观察，电压3 kV。

    差示扫描量热仪(DSC)测试：采用德国耐驰公司的DSC214型差式扫描量热仪，取5~10 mg样品，在N2氛围下将样品由25℃加热至280℃，保持5 min去除热历史后降至25℃，各阶段升温速率均为10℃/min。结晶度由下式计算:

    Xc=ΔHm(1−wf)ΔH0×100% (1)

    其中：∆Hm为熔融焓；wf为m-ZnO的质量分数；∆H0为PA612结晶度为100%对应的熔融焓(258 J/g)[18]。

    X射线衍射仪(XRD)测试：采用日本理学的UltimaIV型X射线衍射仪，反射模式，铜靶，管电压为40 kV，管电流为30 mA，测试范围为5°~30°，扫描速率为2°/min。

    热重分析仪(TGA)：美国TA仪器公司Q20型，在氮气气氛下进行，试样以10℃/min的升温速率从30℃加热到600℃。

    力学性能测试：采用深圳万测实验设备有限公司的ETM-104B型万能力学试验机，通过哑铃裁刀，将薄膜裁为长35 mm、窄部宽2 mm的哑铃型样条。测试前把样条放置在23℃、相对湿度为50%的条件下恒温恒湿处理48 h，测试速度为50 mm/min，取5根样条结果的平均值。

    光学测试：采用上海精密科学仪器有限公司的WGT-S透光度雾度测试仪，参照国家标准GB/T 2410—2008[19]，测量薄膜的透光率和雾度。

    抗菌活性检测：采用贴膜平板计数法测试样品抗菌率，参照国家标准GB/T 31402—2015[20]。样品处理：将样品裁成5 cm×5 cm大小，覆盖膜裁成4 cm×4 cm大小，先于酒精中浸泡30 min，然后取出放于紫外灯下两面各照射灭菌 30 min，备用。菌液准备：取活化后的菌液10 μL于30 mL液体培养基中，在恒温振荡器上培养16 h后，将菌液稀释约至105 CFU/mL的浓度。共培养：将试样放入无菌培养皿中，用移液管吸取0.4 mL菌液，滴到每个试样表面，并将覆盖膜盖于接种好的菌液上，并向下轻轻按压使菌液均匀扩散，然后盖上培养皿盖，在35℃恒温培养箱中培养24 h。共培养完成后，采用0.85%生理盐水清洗薄膜并进行10倍倍比稀释(本测试采用103、104和105 稀释倍数)，各取100 μL稀释液均匀涂布于LB固体培养基，即倒平板，放于35℃恒温培养箱中静置培养24 h，拍照并记录菌落数。抗菌率计算：

    R=A−BA×100% (2)

    其中：R为抗菌率；A为空白样菌浓度(未加抗菌剂的纯PA612薄膜)；B为样品的菌浓度。菌浓度(CFU/mL)计算方式：菌落数×稀释倍数×10 (0.1 mL涂布)。

    2.   结果与讨论

    2.1   ZnO/PA612 复合膜的结构与形貌

    ZnO和m-ZnO的FTIR图谱如图1所示，在ZnO图谱中，3000~3700 cm−1处的宽峰对应—OH的伸缩振动，1636 cm−1处的宽峰代表纳米颗粒表面吸附的水分子导致的—OH的弯曲振动，在500 cm−1附近检测到的峰，归因于Zn—O的伸缩振动[21]。 两个新峰2975 cm−1和2931 cm−1对应于KH550的碳氢拉伸振动峰。1016 cm−1处的峰是KH550醇解后羟基与纳米氧化锌表面的羟基缩合反应产生的Si—O—Zn拉伸振动峰[22]。上述结果表明KH550成功接枝到纳米氧化锌上。

    进一步地，可以通过SEM图像，直观评估m-ZnO/PA612纳米复合材料中纳米颗粒的分散，如图2所示，其中插入的图片为m-ZnO/PA612纳米复合材料的外观照片，可以看出，纳米ZnO包覆在薄膜内部。从SEM图像中可以看出 2wt%ZnO/PA612 (含2wt%未改性ZnO)表现出明显的颗粒团聚。与 2wt%ZnO/PA612相比，改性ZnO颗粒在PA612基体中的分散性要好得多。然而，m-ZnO的添加量相对较高(4wt%和6wt%)时，由于纳米颗粒的大比表面积，在断裂表面出现了轻微的团聚(图中圆圈)。综上所述，偶联KH550可以有效提高纳米ZnO 在PA612基体中的分散性，但随着 m-ZnO 含量增加至4wt%，纳米颗粒会部分团聚。

    图  1  ZnO和m-ZnO的FTIR光谱
    Figure  1.  FTIR spectra of ZnO and m-ZnO
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    图  2  ZnO含量2wt%和不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的脆断截面SEM图像及外观图片
    Figure  2.  Fracture cross section SEM images and appearance pictures of PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents and ZnO content 2wt%
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    2wt%m-ZnO/PA612的SEM图像如图3所示，对应的EDX光谱证实了2wt%m-ZnO/PA612的化学成分，在锌元素和氧元素处有两个尖锐的信号峰。此外，还观察到氮和硅元素的信号峰，这可能是由于接枝KH550的存在，这也印证了KH550的成功接枝。从图3中的EDX映射图像可以看出，Zn元素分布均匀，表明m-ZnO均匀地分布在纳米复合膜中。

    图  3  2wt%m-ZnO/PA612的SEM图像和EDX映射元素Zn、Si、N和O图谱
    Figure  3.  SEM images of 2wt%m-ZnO/PA612 and EDX mapping elements Zn, Si, N and O
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    2.2   ZnO/PA612复合膜的结晶性能

    图4显示了PA612及其纳米复合材料的熔融结晶行为。图4(a)中m-ZnO/PA612纳米复合材料的熔融峰温度(Tm)与纯PA612相比都略微下降。从图4(b)中可以观察到m-ZnO/PA612纳米复合材料的结晶峰温度(Tc)都向较高的值移动。这些结果表明，在结晶过程中，m-ZnO的存在有助于促进晶体的成核。

    图  4  PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的DSC图谱：(a) 升温；(b) 降温
    Figure  4.  DSC curves of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents: (a) Heating procedure; (b) Cooling procedure
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    表2列出了PA612及其纳米复合材料的Tc、Tm、熔融焓(∆Hm)、结晶度(Xc)。可见，m-ZnO/PA612纳米复合材料的结晶度均高于纯PA612，在m-ZnO添加量为2wt%时，其结晶度相较于纯PA612提高了4.1%，可见m-ZnO的加入可以促进PA612结晶，这是由于m-ZnO具有异相成核的作用[23]。然而，m-ZnO/PA612纳米复合材料的结晶度随m-ZnO含量的增加先增大后有所下降。这是由于随着m-ZnO含量增大，产生了部分团聚，降低了其成核作用[24]。

    表  2  PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的DSC热分析数据
    Table  2.  DSC thermal analysis data of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents
    SampleTm/℃Tc/℃ΔHm/(J·g−1)Xc/%
    PA612222.86186.2661.2223.73
    0.5wt%m-ZnO/PA612220.37187.0970.6827.53
    2wt%m-ZnO/PA612221.67187.3470.3627.83
    4wt%m-ZnO/PA612221.29186.9966.9926.93
    6wt%m-ZnO/PA612220.97186.1465.6126.88
    Notes: Tm—Melting peak temperature; Tc—Crystallization peak temperature; △Hm—Melting enthalpy; Xc—Crystallinity.
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    m-ZnO/PA612纳米复合材料的XRD图谱如图5所示。PA612中观察到2θ=21°的衍射峰，对应于PA612的γ晶型[25]。与纯PA612相比，m-ZnO/PA612纳米复合材料的衍射峰没有明显的位移或变化，表明m-ZnO的加入对PA612的晶型结构没有影响。

    图  5  PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的XRD图谱
    Figure  5.  XRD patterns of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents
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    2.3   ZnO/PA612复合膜的热稳定性能

    通过热重分析(TGA)研究了m-ZnO含量对PA612热稳定性的影响，结果如图6所示。m-ZnO的加入对PA612纳米复合材料的热稳定性没有很大的影响。

    图  6  PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的TGA热重曲线
    Figure  6.  TGA curves of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents
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    表3列出了失重分别为5wt% (T5%)和 50wt% (T50%)时的温度及600℃ 时的残炭率。可以发现T5%几乎没有变化，表明无论 m-ZnO 含量如何，所有 PA612 纳米复合材料的热稳定性都较好。在PA612 基体中添加m-ZnO 后，T50%温度向较低温度移动。热稳定性的降低可能与高温下ZnO在增强型基质上的催化活性有关[26]。此外，ZnO 纳米粒子可以诱导聚合物-ZnO界面中周围碳的氧化分解[27]。随着m-ZnO 含量的增加，m-ZnO/PA612纳米复合材料在 600℃的炭产率逐渐增加。

    表  3  PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的热稳定性
    Table  3.  Thermal stability of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents
    SampleT5%/℃T50%/℃Char yield at 600℃/wt%
    PA612398.9450.02.3
    0.5wt%m-ZnO/PA612400.4446.02.7
    2wt%m-ZnO/PA612397.2443.03.5
    4wt%m-ZnO/PA612399.3446.74.7
    6wt%m-ZnO/PA612398.6446.37.8
    Notes: T5% and T50%—Temperature when the weight loss of the samples is 5wt% and 50wt%, respectively.
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    2.4   ZnO/PA612复合膜的力学性能

    PA612及其纳米复合材料的典型应力-应变曲线如图7所示。表4总结了拉伸应力、杨氏模量和断裂伸长率。可以看出所有试样的应力-应变曲线分为弹性、塑性变形和应变硬化3个区域。首先弹性区域具有可恢复变形的线性变化，在塑性变形区将形成颈部。随后应变硬化区出现应变硬化的现象。可见纳米氧化锌作为刚性填料改变了基体的应力场。

    图  7  PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的拉伸应力-应变曲线
    Figure  7.  Tensile stress versus strain curves of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents
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    当添加2wt%m-ZnO时，m-ZnO/PA612纳米复合材料的拉伸强度达到最大值，与纯PA612相比提高了15%。随后拉伸强度有所下降。这是由于纳米氧化锌极高的表面能，当含量较高时，由于其较强的相互吸附作用，导致出现明显的团聚现象(图3)，从而降低了m-ZnO/PA612势同拉伸强度一样，在m-ZnO含量为2wt%达到最大。m-ZnO/PA612纳米复合材料的断裂伸长率较PA612略有下降。这是由于纳米ZnO提高了m-ZnO/PA612纳米复合材料的结晶度，使材料变脆，此外m-ZnO在m-ZnO/PA612基体中会引起应力集中，从而使其韧性变差。

    2.5   ZnO/PA612复合膜的光学性能

    m-ZnO/PA612纳米复合膜的透光率和雾度如图8所示。随着m-ZnO含量的增加，复合膜的透光率随之降低，雾度与之相反，这是由于纳米氧化锌在基体中团聚，会影响光的传输，从而产生光散射，导致透光率的降低。

    2.6   ZnO/PA612复合膜的抗菌性能

    m-ZnO/PA612纳米复合膜对大肠杆菌的抗菌活性如图9所示，抗菌率数据列于表5。结果表明：m-ZnO的加入使PA612纳米复合材料具有抗菌活性。此外，随着m-ZnO含量的增加，抗菌率逐渐增大，在m-ZnO含量达到4wt%时，其抗菌率达到93.25%。这些结果可以归结为纳米氧化锌具有优越的抗菌性能。对于ZnO抗菌机制的研究比较成熟，主要解释为两种，金属离子溶出机制和光催化反应机制[28]。当有紫外光照射时，会在ZnO纳米结构的表面形成电子空穴对，这些电子和空穴经过与水分子和氧分子反应生成活性氧，能降解大多数微生物中的有机物，从而杀死细菌，而ZnO粒径大小决定了光催化反应效率，其抗菌活性随粒径减小而增大。2wt%ZnO/PA612在尼龙基体中团聚使其相对粒径增大，2wt%m-ZnO/PA612在尼龙基体中较2wt%ZnO/PA612分散更好，从而使其抗菌效果更佳。因此2wt%m-ZnO/PA612对大肠杆菌的抗菌率远远大于2wt%ZnO/PA612。

    表  4  PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的拉伸性能
    Table  4.  Tensile properties of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents
    SampleTensile stress/MPaYoung’s modulus/MPaElongation at break/%
    PA612 93.95±5.55 685.11±50.97 392.77±13.70
    0.5wt%m-ZnO/PA612 93.06±4.56 543.66±39.20 378.30±11.08
    2wt%m-ZnO/PA612 108.13±1.76 889.70±60.78 305.23±10.13
    4wt%m-ZnO/PA612 84.31±8.35 422.97±94.12 371.85±27.97
    6wt%m-ZnO/PA612 83.06±10.85 486.79±71.10 325.38±32.66
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    图  8  PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的光学性能
    Figure  8.  Optical properties of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents
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    图  9  PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料对大肠杆菌的抗菌测试结果照片
    Figure  9.  Photos of antibacterial test results of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents against Escherichia coli
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    表  5  PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料膜对大肠杆菌的抑菌活性
    Table  5.  Antibacterial activity of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents membranes against Escherichia coli
    SampleBacteria concentration/
    (CFU·mL−1)    		Antibacterial rate R/%
    PA6125.48×106 0.00
    0.5wt%m-ZnO/PA6123.89×10629.01
    2wt%ZnO/PA6121.43×10673.91
    2wt%m-ZnO/PA6125.30×10590.33
    4wt%m-ZnO/PA6123.70×10593.25
    6wt%m-ZnO/PA6122.50×10595.44
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    m-ZnO/PA612纳米复合膜对金黄色葡萄球菌的抗菌活性如图10所示，抗菌率数据列于表6。结果表明：同纳米抗菌复合膜对大肠杆菌的抗菌活性相似，随着m-ZnO含量的增加，m-ZnO/PA612纳米复合膜对金黄色葡萄球菌的抗菌率逐渐增大，在m-ZnO含量达到4wt%时，其抗菌率达到90%以上，在m-ZnO含量较高时，m-ZnO/PA612纳米复合薄膜对大肠杆菌的抑菌效果优于金黄色葡萄球菌。这可能是由于革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌的肽聚糖膜比革兰氏阴性菌大肠杆菌厚得多[29]。

    图  10  PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料对金黄色葡萄球菌的抗菌测试结果照片
    Figure  10.  Photos of antibacterial test results of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents against Staphylococcus aureus
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    表  6  PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料膜对金黄色葡萄球菌的抑菌活性
    Table  6.  Antibacterial activity of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents membranes against Staphylococcus aureus
    SampleBacteria concentration/
    (CFU·mL−1)    		Antibacterial
    rate R/%
    PA6125.35×106 0.00
    0.5wt%m-ZnO/PA6123.60×10632.71
    2wt%ZnO/PA6121.73×10667.66
    2wt%m-ZnO/PA6129.40×10582.43
    4wt%m-ZnO/PA6124.80×10591.03
    6wt%m-ZnO/PA6123.60×10593.27
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    3.   结 论

    (1) 利用γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂(KH550)改性纳米ZnO颗粒(m-ZnO)，SEM观察发现未改性纳米ZnO在尼龙612 (PA612)基体中出现较大团聚，而m-ZnO纳米粒子在PA612基体中均分散良好。

    (2) m-ZnO作为成核剂可以促进PA612的结晶，m-ZnO添加量为2wt%时，结晶度提高了4.1%。m-ZnO的存在对PA612热稳定性的影响较小。

    (3) 适量m-ZnO的加入对PA612有增强作用，在m-ZnO添加量为2wt%时，PA612纳米复合材料的拉伸强度较纯PA612提高了15%。

    (4) m-ZnO的加入使PA612对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性菌大肠杆菌都具有抗菌活性，在m-ZnO添加量超过4wt%时，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率均达到90%以上。

    (5) 通过挤出流延法制得的半生物基PA612纳米复合抗菌薄膜不但具有良好的抗菌性能和热稳定性能，且力学性能优良，加工工艺简单，有利于工业化生产，在食品、药品等包装领域有一定的应用前景。

  • 图  1   ZnO和m-ZnO的FTIR光谱

    Figure  1.   FTIR spectra of ZnO and m-ZnO

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    图  2   ZnO含量2wt%和不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的脆断截面SEM图像及外观图片

    Figure  2.   Fracture cross section SEM images and appearance pictures of PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents and ZnO content 2wt%

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    图  3   2wt%m-ZnO/PA612的SEM图像和EDX映射元素Zn、Si、N和O图谱

    Figure  3.   SEM images of 2wt%m-ZnO/PA612 and EDX mapping elements Zn, Si, N and O

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    图  4   PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的DSC图谱：(a) 升温；(b) 降温

    Figure  4.   DSC curves of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents: (a) Heating procedure; (b) Cooling procedure

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    图  5   PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的XRD图谱

    Figure  5.   XRD patterns of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents

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    图  6   PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的TGA热重曲线

    Figure  6.   TGA curves of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents

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    图  7   PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的拉伸应力-应变曲线

    Figure  7.   Tensile stress versus strain curves of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents

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    图  8   PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的光学性能

    Figure  8.   Optical properties of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents

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    图  9   PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料对大肠杆菌的抗菌测试结果照片

    Figure  9.   Photos of antibacterial test results of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents against Escherichia coli

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    图  10   PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料对金黄色葡萄球菌的抗菌测试结果照片

    Figure  10.   Photos of antibacterial test results of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents against Staphylococcus aureus

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    表  1   不同ZnO含量的ZnO/PA612抗菌复合膜

    Table  1   ZnO/PA612 antibacterial composite films with different ZnO content

    SampleMass fraction/wt%
    PA612m-ZnOZnO
    PA612 100 0 0
    0.5wt%m-ZnO/PA612 99.5 0.5 0
    2wt%
    ZnO/PA612    		 98 0 2
    2wt%m-ZnO/PA612 98 2 0
    4wt%m-ZnO/PA612 96 4 0
    6wt%m-ZnO/PA612 94 6 0
    Notes: m-ZnO—Modified nano zinc oxide; ZnO—Unmodified nano zinc oxide; PA612—Nylon 612.
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    表  2   PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的DSC热分析数据

    Table  2   DSC thermal analysis data of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents

    SampleTm/℃Tc/℃ΔHm/(J·g−1)Xc/%
    PA612222.86186.2661.2223.73
    0.5wt%m-ZnO/PA612220.37187.0970.6827.53
    2wt%m-ZnO/PA612221.67187.3470.3627.83
    4wt%m-ZnO/PA612221.29186.9966.9926.93
    6wt%m-ZnO/PA612220.97186.1465.6126.88
    Notes: Tm—Melting peak temperature; Tc—Crystallization peak temperature; △Hm—Melting enthalpy; Xc—Crystallinity.
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    表  3   PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的热稳定性

    Table  3   Thermal stability of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents

    SampleT5%/℃T50%/℃Char yield at 600℃/wt%
    PA612398.9450.02.3
    0.5wt%m-ZnO/PA612400.4446.02.7
    2wt%m-ZnO/PA612397.2443.03.5
    4wt%m-ZnO/PA612399.3446.74.7
    6wt%m-ZnO/PA612398.6446.37.8
    Notes: T5% and T50%—Temperature when the weight loss of the samples is 5wt% and 50wt%, respectively.
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    表  4   PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料的拉伸性能

    Table  4   Tensile properties of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents

    SampleTensile stress/MPaYoung’s modulus/MPaElongation at break/%
    PA612 93.95±5.55 685.11±50.97 392.77±13.70
    0.5wt%m-ZnO/PA612 93.06±4.56 543.66±39.20 378.30±11.08
    2wt%m-ZnO/PA612 108.13±1.76 889.70±60.78 305.23±10.13
    4wt%m-ZnO/PA612 84.31±8.35 422.97±94.12 371.85±27.97
    6wt%m-ZnO/PA612 83.06±10.85 486.79±71.10 325.38±32.66
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    表  5   PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料膜对大肠杆菌的抑菌活性

    Table  5   Antibacterial activity of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents membranes against Escherichia coli

    SampleBacteria concentration/
    (CFU·mL−1)    		Antibacterial rate R/%
    PA6125.48×106 0.00
    0.5wt%m-ZnO/PA6123.89×10629.01
    2wt%ZnO/PA6121.43×10673.91
    2wt%m-ZnO/PA6125.30×10590.33
    4wt%m-ZnO/PA6123.70×10593.25
    6wt%m-ZnO/PA6122.50×10595.44
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    表  6   PA612及不同m-ZnO含量的PA612纳米复合材料膜对金黄色葡萄球菌的抑菌活性

    Table  6   Antibacterial activity of PA612 and PA612 nanocomposites with different m-ZnO contents membranes against Staphylococcus aureus

    SampleBacteria concentration/
    (CFU·mL−1)    		Antibacterial
    rate R/%
    PA6125.35×106 0.00
    0.5wt%m-ZnO/PA6123.60×10632.71
    2wt%ZnO/PA6121.73×10667.66
    2wt%m-ZnO/PA6129.40×10582.43
    4wt%m-ZnO/PA6124.80×10591.03
    6wt%m-ZnO/PA6123.60×10593.27
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    • 参考文献(29)
  • [1]

    FUNK I, RIMMEL N, SCHORSCH C, et al. Production of dodecanedioic acid via biotransformation of low cost plant-oil derivatives using Candida tropicalis[J]. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology,2017,44(10):1491-1502. DOI: 10.1007/s10295-017-1972-6
    [2]

    TYUFTIN A A, KERRY J P. Review of surface treatment methods for polyamide films for potential application as smart packaging materials: Surface structure, antimicrobial and spectral properties[J]. Food Packaging and Shelf Life,2020,24:100475. DOI: 10.1016/j.fpsl.2020.100475
    [3]

    WU Y, HUANG A, FAN S, et al. Crystal structure and mechanical properties of uniaxially stretched PA612/SiO2 films[J]. Polymers,2020,12(3):711. DOI: 10.3390/polym12030711
    [4]

    WADI V S, JENA K K, HALIQUE K, et al. Linear sulfur-nylon composites: Structure, morphology, and antibacterial activity[J]. ACS Applied Polymer Material,2020,2(2):198-208. DOI: 10.1021/acsapm.9b00754
    [5]

    RYŠÁNEK P, MALÝ M, ČAPKOVÁ P, et al. Antibacterial modification of nylon-6 nanofibers: Structure, properties and antibacterial activity[J]. Journal of Polymer Research,2017,24(11):1-10. DOI: 10.1007/s10965-017-1365-6
    [6]

    TANG L, WANG D Y, XU Q S, et al. Preparation and characterization of antibacterial nylon 6 fiber[J]. Materials Science Forum,2017,898:2254-2262. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.898.2254
    [7]

    VENKATRAM M, NARASIMHA MURTHY H N R, GAIKWAD A, et al. Antibacterial and flame retardant properties of Ag-MgO/nylon 6 electrospun nanofibers for protective applications[J]. Clothing and Textiles Research Journal,2018,36(4):296-309. DOI: 10.1177/0887302X18783071
    [8]

    ROHAETI E, RAKHMAWATI A. Application of Terminalia catappa in preparation of silver nanoparticles to develop antibacterial Nylon[J]. Oriental Journal of Chemistry,2017,33:2905-2912. DOI: 10.13005/ojc/330625
    [9]

    OMER R A, GHENI A I, OMAR K A, et al. Antimicrobial activity of nylon nanocomposites against Staphylococcus aureus and Escherichia coli bacteria[J]. Science Journal of University of Zakho,2019,7(4):138-143. DOI: 10.25271/sjuoz.2019.7.4.631
    [10]

    WANG Z, ZHANG L, LIU Z, et al. The antibacterial polyamide 6-ZnO hierarchical nanofibers fabricated by atomic layer deposition and hydrothermal growth[J]. Nanoscale Research Letters,2017,12(1):1-8. DOI: 10.1186/s11671-016-1773-2
    [11]

    TANG Q, WANG K, REN X, et al. Preparation of porous antibacterial polyamide 6 (PA6) membrane with zinc oxide (ZnO) nanoparticles selectively localized at the pore walls via reactive extrusion[J]. Science of the Total Environment,2020,715:137018. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.137018
    [12]

    THOKALA N, KEALEY C, KENNEDY J, et al. Characterisation of polyamide 11/copper antimicrobial composites for medical device applications[J]. Materials Science and Engineering: C,2017,78:1179-1186. DOI: 10.1016/j.msec.2017.03.149
    [13]

    SIRELKHATIM A, MAHMUD S, SEENI A, et al. Review on zinc oxide nanoparticles: Antibacterial activity and toxicity mechanism[J]. Nano-micro Letters,2015,7(3):219-242. DOI: 10.1007/s40820-015-0040-x
    [14]

    QI K, CHENG B, YU J, et al. Review on the improvement of the photocatalytic and antibacterial activities of ZnO[J]. Journal of Alloys and Compounds,2017,727:792-820. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.08.142
    [15]

    LI S C, LI Y N. Mechanical and antibacterial properties of modified nano-ZnO/high-density polyethylene composite films with a low doped content of nano-ZnO[J]. Journal of Applied Polymer Science,2010,116(5):2965-2969. DOI: 10.1002/app.31802
    [16]

    KIM I, VISWANATHAN K, KASI G, et al. Poly(lactic acid)/ZnO bionanocomposite films with positively charged ZnO as potential antimicrobial food packaging materials[J]. Polymers,2019,11(9):1427. DOI: 10.3390/polym11091427
    [17]

    LI Y, XU W, ZHANG G. Effect of coupling agent on nano-ZnO modification and antibacterial activity of ZnO/HDPE nanocomposite films[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering,2015,87:012054. DOI: 10.1088/1757-899X/87/1/012054
    [18]

    LI Y, YU J, GUO Z. The influence of silane treatment on Nylon 6/nano-SiO2 in situ polymerization[J]. Journal of Applied Polymer Science,2002,84(4):827-834. DOI: 10.1002/app.10349
    [19] 国家化学建筑材料测试中心(材料测试部). 透明塑料透光率和雾度的测定: GB/T 2410—2008[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008.

    National Testing Center of Polymer and Chemical Building Materials (Materials Testing Department). Determination of the luminous transmittance and haze of transparent plastics: GB/T 2410—2008[S]. Beijing: China StandardsPress, 2008(in Chinese).
    [20] 中华人民共和国卫生部. 塑料—塑料表面抗菌性能试验方法: GB/T 31402—2015[S]. 北京: 中国标准出版社, 2015.

    Ministry of Health of the People's Republic of China. Plastics—Measurement of antibacterial activity on plastics surfaces: GB/T 31402—2015[S]. Beijing: China Standards Press, 2015(in Chinese).
    [21]

    KHURANA N, ARORA P, PENTE A S, et al. Surface modification of zinc oxide nanoparticles by vinyltriethoxy silane (VTES)[J]. Inorganic Chemistry Communications,2021,124:108347. DOI: 10.1016/j.inoche.2020.108347
    [22]

    HANG T T X, DUNG N T, TRUC T A, et al. Effect of silane modified nano ZnO on UV degradation of polyurethane coatings[J]. Progress in Organic Coatings,2015,79:68-74. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2014.11.008
    [23]

    FAN X, YAN Y. Poly (amino acid)/ZnO nanoparticles nanocomposites with enhanced thermal, mechanical, and antibacterial properties[J]. Polymer Bulletin,2020,77(5):2325-2343. DOI: 10.1007/s00289-019-02860-6
    [24]

    SHANKAR S, WANG L F, RHIM J W. Incorporation of zinc oxide nanoparticles improved the mechanical, water vapor barrier, UV-light barrier, and antibacterial properties of PLA-based nanocomposite films[J]. Materials Science and Engineering: C,2018,93:289-298. DOI: 10.1016/j.msec.2018.08.002
    [25]

    ASANO T, BALTÁ CALLEJA F J, GIR L, et al. Structure and mechanical properties of nylon 612 prepared by temperature slope crystallization. II. Rolling deformation and microhardness of the oriented negative spherulite[J]. Journal of Macromolecular Science, Part B: Physics,1997,36(6):799-812. DOI: 10.1080/00222349708212403
    [26]

    SHOJAEIARANI J, BAJWA D, JIANG L, et al. Insight on the influence of nano zinc oxide on the thermal, dynamic mechanical, and flow characteristics of poly(lactic acid)-zinc oxide composites[J]. Polymer Engineering & Science,2019,59(6):1242-1249. DOI: 10.1002/pen.25107
    [27]

    MALLAKPOUR S, NOURUZI N. Effect of modified ZnO nanoparticles with biosafe molecule on the morphology and physiochemical properties of novel polycaprolactone nanocomposites[J]. Polymer,2016,89:94-101. DOI: 10.1016/j.polymer.2016.02.038
    [28]

    LIU J, WANG Y, MA J, et al. A review on bidirectional analogies between the photocatalysis and antibacterial properties of ZnO[J]. Journal of Alloys and Compounds,2019,783:898-918. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.12.330
    [29]

    HU C, GUO J, QU J, et al. Photocatalytic degradation of pathogenic bacteria with AgI/TiO2 under visible light irradiation[J]. Langmuir,2007,23(9):4982-4987. DOI: 10.1021/la063626x
    • 相关文章
    • 施引文献(3)

  • 期刊类型引用(1)

    1. 朱旭，徐燕，郝新敏，郭亚飞，李江滢，宫玉梅. 多功能生物基聚酰胺56复合纤维的制备与性能. 精细化工. 2024(10): 2143-2149+2188 . 百度学术

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-10
  • 修回日期:  2021-12-26
  • 录用日期:  2022-01-14
  • 网络出版日期:  2022-02-07
  • 刊出日期:  2023-01-14

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摘要
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  • 1.   实验材料及方法

  • 1.1   原材料

  • 1.2   m-ZnO/PA612纳米复合材料的制备

  • 1.3   改性ZnO和ZnO/PA612复合膜的表征

  • 2.   结果与讨论

  • 2.1   ZnO/PA612 复合膜的结构与形貌

  • 2.2   ZnO/PA612复合膜的结晶性能

  • 2.3   ZnO/PA612复合膜的热稳定性能

  • 2.4   ZnO/PA612复合膜的力学性能

  • 2.5   ZnO/PA612复合膜的光学性能

  • 2.6   ZnO/PA612复合膜的抗菌性能

  • 3.   结 论

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