利用混合TiO2/少层石墨烯/光稳定剂体系减轻聚丙烯中的UV-C降解

《ACS Omega》：Mitigating UV-C Degradation in Polypropylene Using Hybrid TiO2/Few-Layer Graphene/Photostabilizer Systems

本研究通过设计实验评估TiO?与少层石墨烯（FLG）及Irganox B215的协同效应，发现FLG与TiO?组合在最高质量百分比（3% TiO? + 2% FLG）时显著减少PP的链断裂和活性氧物种生成，EPR显示OH自由基减少30%，同时FTIR和流变学分析证实其光保护效果优于单独使用TiO?或B215。

　　聚丙烯（PP）作为一种广泛应用的热塑性材料，因其优异的物理化学性能和良好的生物惰性，被广泛用于工业领域，包括食品包装、汽车部件、实验室设备以及医疗设备。在医疗领域，PP特别适用于储存或接触生物液体的设备，因其具有较低的生物反应性。然而，PP在暴露于UV-C光时会发生光降解过程，这种光降解会导致链断裂和支化反应，从而影响材料的分子量分布和整体性能，缩短其使用寿命。为了解决这一问题，研究者们探索了多种光稳定剂，包括无机光稳定剂如二氧化钛（TiO?），有机抗氧化剂如Irganox B215，以及近年来受到关注的石墨烯及其衍生物，如少层石墨烯（FLG）。石墨烯因其独特的二维六边形蜂窝结构和多种光保护机制，如紫外线吸收/屏蔽、自由基清除剂以及物理屏障效应，被广泛研究作为新型光稳定剂。

尽管单层石墨烯具有良好的光保护性能，但由于其合成成本高且工业化生产难度大，难以大规模应用。相比之下，少层石墨烯（FLG）因其商业可得性和成本效益，成为一种更具前景的替代材料。FLG通常由石墨的机械化学剥离法制备，该方法已被工业界广泛采用。研究表明，FLG在UV-A和UV-B光保护方面具有良好的效果，而在UV-C光保护方面的研究较少。此外，将石墨烯或其他自由基清除剂与TiO?结合使用，以增强聚合物的光稳定性并清除由TiO?的电子-空穴反应产生的活性氧物种（ROS），这一研究方向仍处于初步探索阶段。

在本研究中，通过设计实验（DoE）方法，评估了FLG和Irganox B215作为自由基清除剂与TiO?结合使用的效果。研究采用红外光谱（FTIR-ATR）和流变学测试来评估UV-C光降解对PP的影响，利用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析稳定剂在聚合物基体中的分布和分散情况，并通过电子自旋共振（EPR）测试评估FLG和Irganox B215作为自由基清除剂的效果。EPR结果显示，当FLG与TiO?混合时，羟基自由基（OH·）的生成减少了约30%，而Irganox B215混合时减少了约25%。尽管这些稳定剂在分散性方面表现不佳，但它们在聚合物基体中的分布较为均匀，FLG与TiO?的结合显示出协同效应。

研究发现，当TiO?和FLG的质量百分比分别为3%和2%时，PP在UV-C光下的光保护效果最佳。此时，PP的链断裂和ROS的生成得到了有效抑制。相比之下，Irganox B215虽然在清除自由基方面表现出色，但在与TiO?结合使用时未能有效清除由TiO?电子-空穴反应产生的自由基。这可能是因为Irganox B215的分子量较小，容易在聚合物基体中分散，但其对TiO?平行反应的抑制能力较弱。而FLG由于其二维结构和高比表面积，不仅能够作为自由基清除剂，还能作为物理屏障，减少小分子如氧气和自由基在聚合物基体中的扩散，从而降低光降解的可能性。

研究还指出，TiO?在UV-C光下能够吸收光能并产生电子-空穴对，这些电子-空穴对在水的存在下会发生氧化还原反应，生成ROS，如过氧化物、单线态氧和羟基自由基，这些ROS会进一步攻击聚合物，导致降解反应。因此，结合自由基清除剂能够有效减少ROS的生成，从而提高PP的光稳定性。FLG不仅具有良好的光屏蔽能力，还能通过其表面的活性位点清除由TiO?和PP降解过程中产生的自由基，显示出比Irganox B215更强的协同效应。

此外，研究通过响应面法（RSM）对实验数据进行了分析，评估了不同稳定剂组合对PP光保护效果的影响。结果显示，TiO?的添加对MI和粘度指数有显著影响，而FLG的加入则在粘度指数方面表现出更强的保护作用。这表明，FLG在减少链断裂和维持聚合物性能方面优于Irganox B215。同时，EPR测试进一步验证了FLG和Irganox B215作为自由基清除剂的有效性，尤其是在抑制由TiO?平行反应产生的ROS方面。

综上所述，本研究通过系统的实验设计和多种分析手段，揭示了FLG和Irganox B215在UV-C光保护PP中的作用机制。结果显示，FLG与TiO?的结合能够有效减少ROS的生成和链断裂，从而提高PP的光稳定性。这一发现为PP在医疗和工业领域的应用提供了新的思路，尤其是在需要长期暴露于UV-C光的场景中。未来的研究可以进一步探索稳定剂的表面改性技术，以提高其在聚合物基体中的分散性和相容性，从而实现更高效的光保护效果。