具有增强介电、机械和抗菌性能的ABS/ZnS纳米复合材料的结构-性能相关性

《Materials Chemistry and Physics》：Structure–Property Correlations in ABS/ZnS Nanocomposites with Enhanced Dielectric, Mechanical, and Antibacterial Performance

　　

摘要

纯聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）有限的电学、力学和抗菌性能限制了其在高级多功能应用中的潜力。本研究旨在通过在ABS基体中通过熔融混合法掺入不同负载量的硫化锌（ZnS）纳米颗粒来克服这些局限性。对ABS/ZnS纳米复合材料的结构、形貌、光学、热学、介电、力学和抗菌性能进行了系统研究。FTIR、XRD、FE-SEM和HR-TEM分析表明，ZnS纳米颗粒在ABS基体中形成了良好的界面相互作用和均匀分散，同时保持了其晶体结构。紫外-可见光谱显示出更高的光学吸收，光学带隙从纯ABS的4.50 eV降低至含7 wt% ZnS纳米复合材料的4.44 eV。这种降低归因于界面电子相互作用和局域能态的形成。ZnS的添加还提高了ABS的热稳定性。含7 wt% ZnS的ABS/ZnS纳米复合材料表现出最优的介电性能，具有优异的AC电导率、更高的介电常数和更低的活化能，这得益于有效的界面极化和电荷传输。ABS/ZnS纳米复合材料在抗拉强度、杨氏模量、弯曲强度和硬度方面均表现出显著提升，同时断裂伸长率略有下降，表明实现了有效增强而未显著损害延展性。此外，该纳米复合材料对大肠杆菌（Escherichia coli）表现出改善的抗菌活性，突显了ZnS纳米颗粒的有益作用。这些结果表明，熔融混合的ABS/ZnS纳米复合材料是有前景的多功能材料，适用于高级工程部件、电子封装、介电器件和抗菌结构应用。

引言

热塑性聚合物纳米复合材料因其纳米级无机填料能够通过强界面相互作用和有效的应力传递显著提升聚合物基体的光学、电学、热学和力学特性，而受到了广泛关注^{1, 2, 3, 4}。这些改进拓宽了聚合物纳米复合材料在电磁干扰屏蔽、柔性电子器件、生物医学器件结构部件和能源相关技术领域中的应用^{5, 6, 7}。性能提升的程度主要受纳米填料分布和聚合物-填料界面特性的影响，后者调控着电荷传导、热稳定性和力学增强^{8, 9}。

在工程热塑性塑料中，ABS因其优异的加工性能、尺寸稳定性、抗冲击韧性和化学耐久性而被广泛应用^[10]。这些特性的协同结合使ABS成为汽车和家电行业中不可或缺的材料^{11, 12, 13, 14}。ABS中的丁二烯橡胶和苯乙烯-丙烯腈组分有助于增强其抗拉强度和韧性^[15]。ABS可通过注塑成型、挤出和热成型等方式灵活加工^[16]。然而，与许多聚合物材料一样，ABS在热学和电学性能方面存在局限性，这限制了其在高级领域中的应用。将纳米填料掺入ABS基体中可有效提升其力学、热学和介电性能。因此，大量研究致力于利用纳米填料增强ABS的功能特性，包括碳纳米管、石墨烯、金属氧化物和陶瓷纳米颗粒等^{17, 18, 19, 20, 21, 22}。然而，许多此类纳米填料的效果受限于高负载量、复杂的加工方法和较差的分散性，这可能严重影响复合材料的整体性能。

在各种II-VI族半导体纳米材料中，硫化锌（ZnS）因其宽的直接带隙、高光学透明性、化学稳定性、低毒性和优异的介电及光电特性而成为一种可行的增强材料^{23, 24, 25, 26, 27}。这些特性使ZnS成为提升聚合物系统力学和电学性能的优良候选材料。尽管ZnS作为纳米颗粒已在多种聚合物基体中得到研究，但ZnS增强ABS的研究仍然稀缺，尤其是在具有可扩展性和工业相关性的加工路线方面。

熔融混合是一种引人注目的制备技术，因其无溶剂特性、降低的环境影响、易于规模化以及与传统聚合物加工技术的兼容性而备受关注。尽管具有这些潜在优势，但熔融混合制备的ABS/ZnS纳米复合材料及其系统的结构-性能相关性尚未见报道。特别是，不同ZnS浓度对ABS的光学、热学、介电、力学和抗菌性能的影响仍 largely 未被探索。

为填补这一研究空白，本研究采用熔融混合法制备了不同ZnS纳米颗粒负载量的ABS/ZnS纳米复合材料。本研究全面探讨了ZnS掺入对ABS的结构、形貌、光学、热学、介电、力学和抗菌性能的影响，以建立组成-性能关系并确定最优填料负载量。研究结果突显了ABS基纳米复合材料作为多功能材料在电子封装、介电组件、轻量化结构应用和抗菌工程方面的潜力。

章节摘要

材料与方法

ABS购自印度Strylotion公司，商品名为Terluran GP-22，熔体流动指数为19 g/10 min。七水硫化钠（99%）、五水硫酸锌（98%）和分析级乙醇购自印度Merck公司。研究中全程使用去离子水。

ZnS纳米颗粒的制备

ZnS纳米颗粒通过水热法合成，使用五水硫酸锌（ZnSO₄·5H₂O）和七水硫化钠（Na₂S·7H₂O）作为前驱体，遵循此前报道的方法。

FT-IR光谱分析

FTIR光谱是一种用于确定高分子共混物链与纳米颗粒之间可能相互作用的强大技术。图1展示了纯ABS、ZnS纳米颗粒以及不同重量百分比ABS/ZnS纳米复合材料的FTIR光谱。在纯ABS的红外光谱中，波长2238.5 cm^-1处的典型低强度吸收峰表明存在硝基基团。除了硝基峰之外，纯ABS的FTIR还显示出峰值。

结论

本研究证明了使用可扩展的、无溶剂熔融混合技术成功制备了ABS/ZnS纳米复合材料。FTIR光谱通过特征吸收带的轻微位移证实了ZnS纳米颗粒与ABS链之间的相互作用。XRD结果证实了ZnS纳米颗粒成功整合到ABS基体中。FE-SEM和HR-TEM研究表明，在7 wt%负载量下实现了均匀的纳米颗粒分散，在更高负载量下检测到团聚现象。

CRediT作者贡献声明

A.C. Labeeba Abdulla：撰写——初稿，方法论，调查研究，形式分析，数据管理，概念化。M.T. Ramesan：撰写——审稿与编辑，可视化，验证，监督，资源，概念化。

利益冲突

作者声明在本论文所述结果中没有已知的竞争性经济利益或其他利益关系。

数据可用性

数据可向作者索取。

资助

本工作未获得任何资助。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能被认为影响本文所述工作的完成。

致谢

作者感谢印度卡拉库特大学中央精密仪器设施提供的表征设备支持。

A.C. Labeeba Abdulla | M.T. Ramesan

印度喀拉拉邦卡拉库特大学化学系聚合物科学与技术中心，卡拉库特大学邮政信箱，喀拉拉邦，印度673 635