一、项目简介
纳米氧化锌(ZnO)属于光催化型无机抗菌剂,具有抗菌谱广泛、抗菌效果优异、耐热性好、对人体无毒性等特点。聚丙烯(PP)属于五大通用塑料之一,是目前发展最快的聚烯烃,其比强度高、透明度好、价格低廉,耐腐蚀性强。如果能将二者成功嫁接,制备出成本低廉、综合机械性能优良,同时兼有优秀抗菌功能的纳米ZnO/PP复合材料,将可广泛运用于家用电器、食品包装、医疗医药、文具玩具、建筑用材、汽车生产等诸多行业领域,市场前景广阔。本项目重点针对工业生产条件下无机纳米ZnO粒子在聚丙烯基体中的分散与软、硬团聚因素的消除这两个问题实行了技术攻关,并通过前期纳米粒子表面官能团修饰处理与后期成型加工设备的设计与工艺控制相结合,最后在中试生产中成功制备出了分散均匀、综合机械性能良好的ZnO/PP纳米抗菌复合材料,经南京市卫生防疫站按GB15979-2002《国家一次性使用卫生用品卫生标准》检测,产品抗菌率高达97.03%,抗菌性能优异。
二、技术优点
1. 采用“两步法”从原理上消除纳米颗粒团聚因素
A. 前期偶联剂表面修饰处理:通过特殊工艺,采用复合偶联剂对纳米ZnO表面进行表面修饰处理,利用偶联剂“分子桥”功能,改变纳米颗粒表面形态结构与能态分布。不但可增加纳米ZnO粒子与PP基体之间的亲和性,有利于纳米粒子的均匀分散,同时从原理上消除了导致纳米粒子硬团聚的化学键因素。
B. 后期挤出成型:与前期填料表面改性效果好坏一样,后期成型加工设备分散性能的优劣对纳米复合材料制品的最终性能也有重要影响。在后续加工中我们参与设计了一种新型塑料混炼挤出设备——单螺杆往复式混炼机,其结构新颖,混炼、分散能力强大,同时能较好地解决纳米粒子软团聚的问题,较常规塑料挤出设备更适合于纳米复合材料的加工与成型。
2.抗菌效果明显,综合性能优于同类型产品
ZnO/PP纳米抗菌复合材料抗菌效果显著,平均在95%以上。与市场上现有的有机类抗菌材料相比,具有耐较高温度、持续抑菌的缓释时间长和安全无毒等优点;与无机类抗菌材料如银系抗菌材料相比,ZnO/PP纳米抗菌复合材料性能更稳定,成本更低廉,对光、热的稳定性更好。
3.工艺简单易行,生产成本低廉,具有实际生产意义
由于抗菌改性不是通过合成新结构聚合物来完成的,所以不必改变原有塑料加工的工艺路线,利用现有设备或稍加改造便可进行生产,设备投入资金少;同时ZnO/PP纳米抗菌复合材料的制备流程简单、操作方便,产品性能稳定,具有实际生产意义。
4.节约资源,保护环境
主原料直接采用石化工业的下游产品(聚丙烯),填料也是常规的氧化锌纳米粉体,除少量助剂外,不需要使用其它新型物质,是资源节约型的材料;同时整个加工生产过程无污染物产生,符合环保要求。
三、性能指标:
抗菌率≥95% (检测标准:GB15979-2002)
拉伸强度30~50MPa(纯PP:21~39MPa)
缺口冲击强度5~7kJ/m2 (纯PP:2.2~5kJ/m2)
断裂伸长率300~500%
四、经济效益分析
抗菌复合材料被世界公认为是跨世纪的环保和健康产品,开发具有高效抗菌功能的ZnO/PP复合材料将对我国各行业的发展起到很大的促进作用。既可延长商品的存放期,保证产品质量,又可提高产品附加值,增强市场竞争力。在生产实践中广泛运用ZnO/PP抗菌纳米复合材料有着可观的经济效益:例如2000年我国粮食产量近5亿吨,若其中的5%使用抗菌复合材料包装,则仅此一项的使用量就将近50万吨。目前,海尔、小鸭等企业已经将抗菌复合材料应用于冰箱、空调、微波炉等家用电器中,产品销售形势喜人。据专家预测,继在家电和日用品领域得到应用后,抗菌复合材料发展的第二阶段市场应用将主要集中在建筑材料和室内装饰材料,到2015年,各类抗菌复合材料的总需求量估计将达到100万吨左右,市场前景广阔。
21世纪抗菌复合材料的发展趋势,是把高科技与时代经济和人类身体健康紧密结合,进一步融入消费者生活。抗菌制品对创造洁净、健康的生活环境具有重要作用,随着我国人民生活水平及健康环境意识的提高,其需求也将构成潜在的巨大市场。中国抗菌材料及制品行业协会理事长严庆博士分析认为,从上次全球非典疫情的分布分析,在人口密集的日本没有出现严重的非典流行,很重要的原因是预防到位。而日本在日常疾病预防方面很重要的一条措施就是在生活用品和公共设施上普及推广抗菌材料,其公共场所的很多设施如公用电话话筒、公用楼梯扶手、座椅等都采用了抗菌复合材料。实现民用产品的健康化和生活环境的清洁化,已成为当今世界发展的潮流与新时尚。因此,生产具有抗菌功效的ZnO/PP复合材料必将受到广大消费者的欢迎。不但可以拓宽传统复合材料的应用领域,提高其产品附加值,增强竞争力,同时相当于在消费者与有害细菌间建立了一道有效的“防火墙”,极大地降低了细菌接触感染的机率,减少了病毒的传播途径,从而保障人民群众的生产、生活安全,具有明显的社会效益。
五、合作方式
技术开发、技术转让。
六、联系方式
南京航空航天大学 孔祥浩 科技开发办公室主任
电话:025-84892757 手机:13851550745 邮箱:std01@nuaa.edu.cn
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