氧化锌在聚丙烯发泡材料中的多元应用与性能影响

一、改善发泡效果

• 促进发泡剂分解：在 AC 发泡剂中添加纳米氧化锌，可以明显降低 AC 发泡剂的初始分解温度。添加纳米氧化锌的 AC 发泡剂分解速度明显高于未添加纳米氧化锌和添加微米氧化锌的样品710。这样有助于在聚丙烯发泡过程中产生更多的气体，从而改善发泡效果。
• 影响发泡倍率：研究发现，AC/ZnO 体系在 PP 中的发泡倍率，添加纳米氧化锌的样品明显高于未添加纳米氧化锌和添加微米氧化锌的样品710。这说明纳米氧化锌能够有效提高聚丙烯发泡材料的发泡倍率，使发泡材料更加轻盈，具有更好的隔热、隔音等性能。

二、对力学性能的影响

• 拉伸强度：一方面，硅烷处理的 ZnO 在聚丙烯 / 氧化锌纳米复合材料中虽然能有效促进细胞生成，但会降低复合泡沫的拉伸强度12。另一方面，未经处理的 ZnO 由于诱导了较低的细胞生成，会使聚丙烯发泡材料的抗拉强度略微增加。当同时考虑重量减轻和拉伸强度改善时，加入 3wt.% 未经处理的 ZnO 被认为对聚丙烯发泡是成功的12。此外，硬脂酸锌和氧化锌均能使发泡材料的力学性能得到提升。在探究不同填料对注射成型发泡材料的力学性能影响时发现，硬脂酸锌和氧化锌的加入能提高聚丙烯发泡材料的力学性能3。
• 冲击性能：对于发泡聚丙烯材料，其厚度会影响冲击性能。当冲击能一定时，增加发泡聚丙烯材料的厚度，其接触力会逐渐减小，接触时间会逐渐增加。冲击能和厚度一定时，厚度与最大位移、吸收能成正比例相关，但对最大接触力和最大应变无明显影响。任意厚度的发泡聚丙烯材料，其冲击能和厚度的增加会导致其最大接触力、最大位移、最大应变、吸收能的增加4。虽然这里没有直接提到氧化锌对冲击性能的影响，但可以推测，由于氧化锌对发泡材料的力学性能有一定的提升作用，可能也会对冲击性能产生积极影响。

三、对热性能的影响

• 通过差示扫描量热法测定复合材料的热性能：在聚丙烯 / 氧化锌纳米复合材料中，有机硅烷改性 ZnO 和未处理的 ZnO 以及添加的硬脂酸的组合物在双螺杆挤出机中制备，通过差示扫描量热法可以测定复合材料的热性能12。但具体的热性能变化在文献中未详细阐述，需要进一步的研究来明确氧化锌对聚丙烯发泡材料热性能的具体影响。

四、在其他方面的应用

• 抗菌和光催化性能：将一种新型纳米材料 —— 氧化锌掺杂石墨烯（G-nZnO）与聚丙烯熔融共混制备抗菌纳米复合材料。研究发现，当 G-nZnO 含量为 0.2 phr 时，纳米复合材料的力学性能、热稳定性和阻隔性能达到最高值。抗菌测试结果表明，纳米复合材料的抗菌活性随 G-nZnO 含量的增加而增加9。
• 在高电压直流电缆绝缘材料中的应用：在高电压直流（HVDC）电缆绝缘材料中，采用熔融共混法制备的填充有聚苯乙烯 – 聚（乙烯 – 共 – 丁烯） – 聚苯乙烯（SEBS）和多维氧化锌复合填料（co-ZnO）的聚丙烯纳米复合材料表现出优异的性能。由于 co-ZnO 填料与 PP/SEBS 共混物具有良好的相容性，复合材料的介电常数在 co-ZnO 掺杂量为 1wt% 时可达 3.1。与 PP/SEBS 相比，引入 co-ZnO 填料可以大大抑制空间电荷积累和电场畸变，并将击穿强度提高 14%。这表明聚丙烯 / 氧化锌纳米复合材料在高电压直流电缆绝缘材料中有很大的应用潜力6。
• 在分离过程中的应用：通过水热化学浴沉积（CBD）方法调整，可以在由熔喷技术制成的纤维状聚丙烯材料表面覆盖各种 ZnO 纳米棒（NRs），制备具有高生物和光催化活性的功能化氧化锌纳米棒 – 聚丙烯非织造复合材料。这种材料对室内空气中的气溶胶和生物气溶胶颗粒有很好的分离效果，同时保持了原有的气流阻力，并对大于 200nm 的颗粒具有更高的过滤效率

氧化锌在聚丙烯发泡材料中的应用有着广阔的前景，通过对现有研究的分析，可以从多个方面进一步优化其应用。

一、优化氧化锌的表面处理

• 使用硅烷处理的氧化锌：研究发现，硅烷处理的氧化锌在细胞生成中较为有效，但会降低复合泡沫的拉伸强度12。这表明在利用其促进细胞生成的特性时，需要考虑对拉伸强度的影响。可以进一步研究不同的硅烷处理方法和处理剂浓度，以平衡细胞生成和拉伸强度之间的关系。
• 未处理的氧化锌：未处理的氧化锌能使聚丙烯发泡材料的拉伸强度有轻微增加，这是由于其较低的细胞生成作用12。可以深入研究未处理氧化锌的添加量对发泡材料性能的影响，寻找最佳的添加比例，以在保证一定拉伸强度的同时，尽可能减少对细胞形态的不利影响。

二、调整氧化锌的添加量

• 考虑多性能综合优化：当同时考虑重量减轻和拉伸强度的改善时，添加 3wt.% 的未处理氧化锌被认为对聚丙烯发泡是成功的12。然而，这个比例可能不是在所有应用场景下的最优值。可以通过更广泛的实验设计，考察不同氧化锌添加量对发泡材料的力学性能、热性能、形态等多方面的影响，以确定特定应用需求下的最佳添加量。

三、与其他填料协同作用

• 与硬脂酸协同：在聚丙烯发泡材料中，硬脂酸锌和纳米氧化锌的单一填料及复合填料都对泡孔形貌和热学性能有影响3。可以进一步研究氧化锌与硬脂酸等其他填料的协同作用机制，通过调整两者的比例和添加方式，优化泡孔分布、尺寸和结晶性能等。例如，硬脂酸锌可使泡孔分布更加均匀、形状均一，纳米氧化锌能提高熔体强度并减小泡孔尺寸。复合填料的泡孔尺寸介于单纯加入硬脂酸锌和氧化锌之间，且结晶度会有所变化。通过深入研究这些变化规律，可以实现对发泡材料性能的更精准调控。

四、改进成型工艺

• 探索不同成型方法的影响：目前的研究涉及了多种成型工艺，如模压成型、注射成型和泡沫注射成型等。不同的成型工艺可能会对氧化锌在聚丙烯发泡材料中的作用产生影响。可以进一步比较不同成型工艺下氧化锌的应用效果，优化成型工艺参数，以充分发挥氧化锌的优势。例如，在注射成型中，硬脂酸锌和氧化锌均能使发泡材料的力学性能得到提升3，而在泡沫注射成型中，需要考虑氧化锌对细胞形态、拉伸强度和重量减少的影响12。

五、拓展应用领域

• 结合特定性能需求：除了传统的力学性能和形态方面的优化，还可以结合聚丙烯发泡材料在不同领域的应用需求进行针对性优化。例如，在包装领域，可以重点关注发泡聚丙烯材料的动态缓冲性能和厚度对冲击性能的影响48。通过调整氧化锌的添加量和成型工艺，使发泡材料在满足缓冲和抗冲击要求的同时，降低成本和重量。在环境工程领域，可以利用氧化锌的抗菌和光催化性能，开发具有高生物和光催化活性的聚丙烯 – 氧化锌复合材料，用于室内空气净化和分离过程5。

六、深入研究作用机制

• 从微观层面理解性能变化：进一步研究氧化锌在聚丙烯发泡材料中的作用机制，包括对发泡过程中化学反应的影响、与聚丙烯分子的相互作用等。通过先进的分析技术，如扫描电子显微镜、红外光谱等，观察氧化锌在发泡材料中的微观结构和分布状态，揭示其对性能影响的本质原因。这将为更精准地优化氧化锌的应用提供理论依据。

综上所述，通过优化氧化锌的表面处理、调整添加量、与其他填料协同作用、改进成型工艺、拓展应用领域和深入研究作用机制等多方面的努力，可以进一步优化氧化锌在聚丙烯发泡材料中的应用，提高发泡材料的性能和应用价值。