《Materials Chemistry and Physics》：Interface Engineering of Sustainable Flexible and Transparent PMMA/g-C3N4 Composites: Influence on Mechanical, Thermal and Efficient UV Shielding Properties
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本研究采用溶液铸造法制备了PMMA与石墨相氮化碳（GCN）的复合薄膜，通过FTIR、XRD、FE-SEM、UV-Vis、TGA和UTM表征发现，GCN均匀分散在PMMA基体中并与PMMA形成氢键，显著提升了薄膜的紫外屏蔽性能、热稳定性和力学强度，为柔性电子和可持续包装材料提供了新方案。
汉尼夫·蒙希博士（Md. Hanif Munshi）|拉隆·米亚博士（Md. Lalon Mia）|S.M. 法兹勒·拉比（S.M. Fazle Rabbi）|福伊萨尔·西克德博士（Md. Foysal Sikder）|沙里菲尔·伊斯兰（Shariful Islam）|卡姆鲁扎曼博士（Md. Kamruzzaman）|迪达尔·伊斯兰博士（Md. Didarul Islam）|A.N.M. 哈米杜尔·卡比尔（A.N.M. Hamidul Kabir）
孟加拉国戈帕尔甘杰科学与技术大学工程学院应用化学与化学工程系，戈帕尔甘杰-8100
摘要
本研究采用溶液浇铸法制备了一种新型的薄而柔性的复合薄膜，该薄膜由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和石墨碳氮化物（graphitic-C3N450、TMAX值上升以及残余炭含量增加。此外，随着GCN含量的增加，薄膜的紫外线阻挡性能也显著提升。同时，拉伸强度（从48.4 MPa增加到63 MPa）和杨氏模量（从25.3 MPa增加到38.1 MPa）也有所改善。这些结果表明，PCN复合薄膜是适用于防护涂层和可持续包装应用的免金属氧化物紫外线屏蔽材料的理想选择。
引言
太阳光是地球主要的可再生能源，其中可见光约占43%，红外（IR）辐射约占52%，紫外线（UV）辐射约占5%。紫外线辐射分为三个波段：UV-A（315-400 nm）、UV-B（280-315 nm）和UV-C（200-280 nm）[1] [2]。UV-C辐射由于被平流层臭氧层完全吸收而不会造成严重危害，但UV-A和部分UV-B辐射会到达地球表面，对生物体和材料产生有益或有害的影响[2]。UV-A辐射会损害真皮层的结缔组织和血管，并通过引发慢性氧化应激加速皮肤老化；UV-B辐射主要被表皮吸收，增加皮肤癌风险并导致DNA损伤。人为污染导致臭氧层破坏，使得UV-A和UV-B辐射的强度增加，因此防止这些辐射对材料和生物系统的损害比以往任何时候都更为紧迫[3]。此外，包括智能手机和显示器在内的电子设备使用发光二极管（LED）背光，会释放高能量的蓝光（HEBL，400-500 nm），长期暴露可能对眼睛造成伤害，并干扰生物钟，甚至导致视网膜和角膜损伤[3] [4]。因此，开发能够阻挡紫外线和HEBL辐射同时保持可见光透明度的材料至关重要[3] [5]。
为了制备这类薄膜，传统的紫外线屏蔽聚合物（如聚（N,N-二甲基丙烯酰胺）、聚碳酸酯（PC）和聚苯乙烯（PS）通常由不可再生的石油原料制成[3]。这些材料回收率低，且会对环境造成污染[6]。无机氧化物纳米颗粒（如TiO2、ZnO和CeO2）虽然具有很强的紫外线衰减能力，但脆性和不透明度限制了其在柔性表面的应用；此外，有机紫外线吸收剂在长期使用后会失效，影响其长期效果[1] [7]。因此，将碳基纳米结构成分整合到可生物降解的聚合物基体中是一种可行的方法。基于纤维素或海藻酸盐的复合材料的研究进一步扩展了这一领域。据报道，氧化石墨烯-纤维素复合材料在低负载下可衰减66.7%的UV-A辐射和54.2%的UV-B辐射，而碳点-聚乙烯醇薄膜的紫外线吸收率超过90%，同时可见光透射率超过80%[1]。一些合成聚合物（如聚乙烯醇（PVA）因其良好的成膜性能而被广泛使用，并添加了紫外线-HEBL吸收剂。木质素衍生的碳量子点在聚乙烯醇基体中可完全阻挡紫外线和HEBL辐射，同时减轻薄膜的重量并提高透明度[8]。例如，掺杂Ga3+的ZnO纳米颗粒与PVA结合可制成薄而柔性的薄膜，具有优异的紫外线衰减性能[9]。
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是一种重要的合成聚合物，与PVA类似，具有透明性和非晶态特性，因其优异的光学性能、低成本、耐候性和生物相容性而被广泛应用于电子、光学、医疗设备和航空领域[10]。尽管PMMA在长时间紫外线照射下不会降解，但在-70°C至100°C的温度范围内仍能保持强度和耐用性，使其成为户外和光子应用的理想材料[11]。然而，其较低的紫外线吸收能力限制了其在高级光过滤和能量收集涂层中的应用。将半导体（如ZnO或TiO2）或其他有机半导体物质（如石墨碳氮化物（graphitic-C3N42和ZnO）相比，GCN在光照下几乎不会发生光催化降解，从而提高了材料的长期稳定性[12] [13]。GCN易于合成，化学和热稳定性良好，且具有优异的光学特性，因此被广泛应用于各种前沿技术[14]。与传统的锡掺杂氧化铟材料相比，基于GCN的复合材料具有更好的紫外线和近红外辐射屏蔽性能，已被成功应用于智能窗户涂层和环境净化领域。除了吸收紫外线和近红外辐射外，GCN@CsxWO3纳米复合材料还能利用吸收的光能分解挥发性有机化合物（VOC）[15]。基于GCN纳米片的氢凝胶（如CNNS/polyacrylamide（PAM）系统）具有宽范围的紫外线屏蔽性能（280–400 nm），同时保持良好的可见光透明度和光稳定性，证明GCN是高效的紫外线和HEBL吸收剂[16]。将GCN嵌入海藻酸盐薄膜中可提高材料的机械和热耐久性，阻挡紫外线和HEBL辐射，同时促进生物降解并保持透明度[17]。最近的研究开发了掺杂g-C3N4的PMMA纳米复合材料，可用于电子和光电子应用[18]。该研究评估了PMMA中加入g-C3N4后的吸收光谱、光学带隙、折射率、介电常数、介电损耗和交流电导率等性能。
虽然单独使用PMMA、GCN或其他成分已被证明可用于紫外线屏蔽，但PMMA与GCN的组合尚未被充分探索。因此，我们提出将PMMA与GCN结合是一种可行的方法，可以结合PMMA的光学透明性和机械稳定性以及GCN的光活性、能量收集和紫外线屏蔽性能，从而开发出下一代紫外线屏蔽薄膜、智能窗户和光稳定涂层。
材料
本研究使用了纯度为99%的甲基丙烯酸甲酯（MMA）单体（Sigma Aldrich），以及作为引发剂的二甲基甲酰胺（DMF；Merck，德国）和过氧化苯甲酰（BPO；Merck，德国）。硝酸（HNO3，60%）、乙醇（96%）、聚乙烯醇（PVA）作为悬浮剂，以及尿素（CO(NH2)2（99%）均购自Merck，德国。
PMMA的合成
PMMA的合成过程较为简单：首先在500毫升去离子水中制备了浓度为1 g/L的PVA溶液。
傅里叶变换红外光谱（FTIR）研究
为了分析纯PMMA、GCN和PCN复合薄膜中的官能团，使用Nicolet 6700型傅里叶变换红外光谱仪（Thermo Fisher Scientific，美国）进行了检测。扫描范围为4000至500 cm-1，分辨率为5 cm-1。
X射线衍射（XRD）分析
使用Rigaku Ultima IV（日本）仪器分析了PMMA和PCN薄膜的XRD图谱。在40 mA电流和40 kV电压下，通过Cu-Kα射线获得了样品的衍射图谱。
FTIR分析
如图2（a）和表S1所示的FTIR数据表明，PMMA、GCN和PCN-0.5薄膜含有以下官能团：PMMA显示C–O伸缩、–O–CH3不对称弯曲和C–O–C伸缩峰；PMMA在2947 cm-1处还有一个峰，对应于–CH3和–CH2–伸缩；1716 cm-1
结论
总结来说，通过简单的单步薄膜浇铸法将GCN（0.05至0.5%）掺入PMMA基体中。FE-SEM分析证实薄膜表面均匀且光滑；XRD和FTIR证实PMMA与GCN之间存在强烈的氢键相互作用。热重分析和差示热重分析表明PCN薄膜的热稳定性得到提升。此外，掺有GCN的PMMA复合薄膜在紫外线A、B和C波段的屏蔽性能显著增强。
CRediT作者贡献声明
卡姆鲁扎曼博士（Md. Kamruzzaman）：负责撰写、审稿与编辑、项目管理和资金获取、概念构思。汉尼夫·蒙希博士（Md. Hanif Munshi）：负责撰写初稿、资源准备、方法论设计、数据分析。拉隆·米亚博士（Md. Lalon Mia）：软件支持、资源提供、数据分析。S.M. 法兹勒·拉比（S.M. Fazle Rabbi）：结果验证、软件支持、资源提供、数据分析。福伊萨尔·西克德博士（Md. Foysal Sikder）：撰写初稿。沙里菲尔·伊斯兰（Shariful Islam）：软件支持、资源提供、数据分析。迪达尔·伊斯兰博士（Md. Didarul Islam）：撰写、审稿与编辑、数据可视化。
数据可用性
补充信息中包含了支持本文的研究数据。
利益冲突
作者声明没有利益冲突。
利益冲突声明
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致谢
孟加拉国大学拨款委员会（UGC）根据研究代码3257103为本项目提供了资金支持。
