PAMAM 和 γ-辐射对聚丙烯生物复合包装材料物理-力学性能的影响

高分子包装材料行业面临的科学挑战之一是抗辐射耐久性。包装材料暴露在不同波长的光下会因高分子链断裂降解而影响其机械性能和包装物品的物理外观。此外，硬包装盒用于灭菌辐照，低剂量的kGy会影响包装物品的安全性。开发抗辐照添加剂是解决这一问题的重要研究方向；开发无毒、生物相容、高效的添加剂是另一大挑战。

市售的聚烯烃，如聚丙烯（PP），其热性能及机械性能良好，通常被用作第三类包装材料。由于刚度大、可加工性强且经济适用，PP是一种广泛使用的热塑性聚合物。 此外，由于其优异的性能，如良好的防潮性、良好的性价比、低密度、易于加工等，PP也被广泛用作热塑性树脂。混合两种或两种以上的材料可形成一种新材料，称为复合材料，其先进性能是单个材料无法达到的。

在包装材料工业中，大多数共轭聚合物被设计为抗紫外线添加剂和交联剂。众所周知，PAMAM是具有众多支链的树枝状大分子。该聚合物以乙二胺为核心，具有多个端胺基支链。PAMAM能够与不同的聚合物包装材料混合，且在末端基团的氮原子上带正电荷。随着代数增加，PAMAM表面带正电荷的氨基增加，提高了辐照吸附程度且增加了交联效率。

生物复合材料是由两种以上不同组份组成的材料，该类组合材料比单个组分材料具有更好的性能。以木浆和PP为原料研制了生物复合纤维。将废榛子壳（HNS）制成粉末，能用作可持续高分子生物复合材料的填料。PP（20-80%）可与线形低密度聚乙烯（LLDPE）混合在10%的基于明胶纤维的生物发泡复合材料中。此外，六甲基二硅氧烷显示出最高的表面能，并被用于等离子涂层木粉，以改善其与PP作为生物复合材料的结合和分散性质。

聚合物的辐照处理可作为一种实际方法替代化学方法来修饰聚合物的分子结构。通过电离辐射处理聚合物在整体上和能量上是安全的，因为不需要在高温下使用溶剂或引发剂，避免了处理聚合物熔体所特有的副反应。一些研究文章已经提出了开发辐照聚合物在不同工具和不同领域的应用。采用不同的研究方法探索了电离辐射对PP力学参数和理化稳定性的影响。由于链断裂和降解，经辐照的PP物理化学性质发生了显著变化。另外，辐照剂量大于20kGy，PP的力学性能从柔软变为脆性或半柔性的。

埃及国家辐射研究与技术中心、国家研究中心、Benha大学的E.S. Fathy等人合成了具有多氮末端基的、生物 相容性的、无毒的树枝状高分子材料聚酰胺-胺（PAMAM），将其以1.0，2.0，3.0%的不同比例与聚丙烯（PP）混合。然后将所制备的生物复合物暴露于20kGy的γ-辐照下，研究了电离辐射对所制备样品的影响；研究了复合材料的力学性能，如抗拉强度（TS）、弹性模量（EM）、断裂伸长率（%）、硬度（邵氏硬度D），研究了样品的应力-应变曲线；对样品进行了FTIR测试和热分析（TGA、DSC）；在DSC测量基础上计算了所有样品的结晶度（%）；作为食品包装的一项应用性指标，研究了样品的整体迁移。FTIR结果显示，形成PP/PAMAM复合材料后，PAMAM的羰基（1730cm-1）吸收峰消失，表明PP与PAMAM结合。加入PAMAM使PP的熔融温度（Tm）稳步提高。PP/PAMAM复合材料的热稳定性随PAMAM增加以及经20kGy辐照而增加。当PAMAM含量达到3.0%时，PP的实例抗拉强度（TS）增加。PP的TS值为20MPa，而PP/2%PAMAM生物复合材料的TS提高到45MPa，表明PAMAM与PP之间具有良好的相互作用。此外，所制备的生物复合材料薄膜显示出高度可接受的迁移极限，适用于食品包装。

文献来源：E.S. Fathy, Saber Ibrahim, Mona Y Elnaggar, Hager Fahmy and Salah Lotfy*. Journal of Thermoplastic Composite Materials, DOI: 10.1177/ 08927057231169902, 2023.