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抗菌材料作为一种有效抑制有害细菌繁殖的新兴材料正被人们日益重视和使用。纳米二氧化钛(nano-TiO2)正是这种新型的抗菌材料之一,具有无毒、无味、无刺激性、抗菌能力强,抗菌范围广,对人体安全等优点。往塑料中添加少量的纳米二氧化钛可赋予塑料长期的抗菌和杀菌机能。
本论文采用纳米二氧化钛作为抗菌剂,对其进行改性,然后将改性后的纳米二氧化钛和高抗冲聚苯乙烯(HIPS)共混,制得纳米粒子含量不同的nano-TiO2/HIPS复合材料。nano-TiO2/HIPS复合材料既可以改善HIPS的缺点,同时又具有其它新的功能,如抗菌性能、增强性能、增韧性能。
本论文主要包括以下几个方面的内容:
1.综述了纳米粒子,尤其是nano-TiO2的结构、性能以及应用,着重介绍了nano-TiO2作为抗菌材料的优点、局限和修饰改性。总结了nano-TiO2/HIPS的研究进展,并提出了本论文的目的、意义及设计思路。
2.采用贵金属银和Al2O3对nano-TiO2进行复合改性,使得多种杀菌机理相结合,产生协同作用,提高nano-TiO2在可见光照射下的抗菌性能。另外,采用硅烷偶联剂KH-570对纳米粒子进行表面处理,以改善纳米颗粒的分散性。实验利用红外光谱、热重分析仪、扫描电镜、X射线光电子能谱等手段对纳米粒子进行了表征,研究结果表明nano-TiO2成功复合了贵金属银离子、Al2O3,并且偶联剂KH-570改性后的纳米粒子的分散性也得到了提高。
3.利用熔融共混的方法制备了一系列纳米粒子/HIPS的共混体系。考察了共混体系的力学性能,并采用TGA、DSC、超显微硬度计和抗菌性能试验等方法研究了共混体系的热行为、表面硬度和抗菌性能。研究结果表明:
a.添加了纳米粒子后的材料与未添加纳米粒子的HIPS相比,拉伸模量和拉伸强度普遍得到提高,而弯曲强度和冲击强度则影响不大。纳米粒子经过偶联剂表面处理之后,有效改善了其在基体中的分散,从而有利于提高复合材料的力学性能。TiO2-KH/HIPS、Ag-TiO2-KH/HIPS和Al2O3-TiO2-KH/HIPS体系的力学性能均分别优于TiO2/HIPS、Ag-TiO2/HIPS和Al2O3-TiO2/HIPS。
b.硬度分析结果表明,加入纳米粒子之后,复合材料的硬度和弹性都得到提高。而且,TiO2-KH/HIPS、Ag-TiO2-KH/HIPS、Al2O3-TiO2-KH/HIPS体系的硬度和弹性均分别低于TiO2/HIPS、Ag-TiO2/HIPS、Al2O3-TiO2/HIPS。
c.TGA、DSC分析结果显示,纳米粒子的添加,对复合材料的热行为的影响不大。
d.抗菌性能测试结果显示,在可见光的照射下,纳米粒子填充的复合材料对金黄色葡萄球菌有良好的抑菌作用,在实验的范围之内,最大的抑菌率可以达到93.6%。而复合材料对大肠杆菌的抑菌作用则不明显。而且,未经KH-570改性的纳米粒子填充的复合材料的抑菌率比经过KH-570改性的纳米粒子填充的复合材料高。