ZnO纳米片修饰石墨烯增强聚丁二酸丁二醇酯纳米复合材料的综合性能及其在多功能应用中的潜力

为解决传统塑料难降解导致的污染问题，研究人员通过马来酸酐(MAH)接枝和ZnO纳米片包覆石墨烯(G-ZnP)增强改性聚丁二酸丁二醇酯(PBS)，开发出兼具优异力学性能(拉伸强度提升39.5%)、抗菌性(对大肠杆菌灭菌率>97%)和生物降解性(180天降解>50%)的纳米复合材料，为可持续食品包装和医用材料提供了创新解决方案。

　　

在全球塑料污染危机日益严峻的背景下，传统石油基塑料的不可降解性导致"白色污染"持续累积。据统计，每年约有800万吨塑料垃圾进入海洋，这些材料需要数百年才能自然分解。与此同时，食品包装和医疗领域对兼具功能性、安全性和环境友好型的材料需求迫切。聚丁二酸丁二醇酯(PBS)作为一种生物基可降解聚酯，因其良好的加工性能和机械强度被视为理想替代品，但存在成本高、降解速率慢、缺乏功能性等缺陷。如何通过纳米技术赋予PBS更优异的综合性能，成为当前材料科学领域的重要课题。

四川大学的研究团队在《Reactive and Functional Polymers》发表创新研究，通过双重改性策略开发出高性能PBS-g-MAH/G-ZnP纳米复合材料。该研究采用熔融共混技术，首先通过自由基接枝将马来酸酐(MAH)引入PBS主链形成PBS-g-MAH，再与氧化锌纳米片修饰的石墨烯(G-ZnP)复合。通过FTIR、XPS、GPC等技术表征化学结构，采用万能试验机、热重分析仪、水蒸气透过率测试仪等评估性能，并通过土壤埋藏实验验证降解性。

【Experimental materials】
研究选用TH8035型PBS(M_w
=130,000 g/mol)为基体，MAH为接枝单体，过氧化二异丙苯(DCP)为引发剂。石墨烯比表面积500-700 m²
/g，ZnO纳米片通过水热法负载于石墨烯表面形成G-ZnP杂化填料。

【Mechanical properties】
力学测试显示，0.2 wt% G-ZnP的纳米复合材料表现出最优性能：拉伸强度、屈服强度和断裂伸长率分别比纯PBS提高39.5%、52.2%和128.2%。这归因于MAH引入的酯键和极性基团增强了界面相互作用，而G-ZnP的纳米增强效应形成了三维交联网络。

【Conclusions】
研究证实PBS-g-MAH/G-ZnP纳米复合材料具有显著优势：(1)MAH接枝改善了PBS与填料的界面相容性；(2)G-ZnP同时发挥增强相和抗菌剂作用，在0.2 wt%添加量时实现性能最优；(3)水蒸气透过率降低27.8%，接触角增大表明疏水性增强；(4)对大肠杆菌的灭菌率≥97%；(5)食品保鲜测试中，该材料使蔬菜失水率降至9.8%，冷藏鸡肉保质期延长至108小时以上；(6)180天土壤降解率超50%，保持环境友好性。

该研究的创新价值在于：首次系统研究石墨烯(非GO/rGO)与ZnO协同增强PBS的机理，突破了石墨烯在生物基聚酯中分散性差的技术瓶颈。通过巧妙的MAH接枝和ZnO纳米片修饰，实现了填料-基体的多尺度界面调控，为开发"强度-韧性-功能"协同提升的可降解材料提供了新思路。这种纳米复合材料在一次性医用器材、智能食品包装等领域的应用前景广阔，对推动塑料工业绿色转型具有重要意义。