載納米碘化銀的含全氟聚醚鏈聚乙烯吡啶的制備及其性能表征

吳潔瓊，黃焰根

（東華大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620）

載納米碘化銀的含全氟聚醚鏈聚乙烯吡啶的制備及其性能表征

吳潔瓊，黃焰根

（東華大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620）

以接枝全氟聚醚鏈聚乙烯吡啶與對(duì)甲苯磺酸銀反應(yīng)，原位沉降生成碘化銀納米粒子而獲得一個(gè)多功能的復(fù)合物.通過透射電子顯微鏡（TEM）、X射線光電子能譜（XPS）和能量彌散X射線譜圖（EDS）表征了該復(fù)合物各種形貌及成分.抑菌圈法測試結(jié)果表明該復(fù)合物對(duì)革蘭氏陽性細(xì)菌和陰性細(xì)菌都具有一定的抗菌能力；雙疏性能測試結(jié)果表明該復(fù)合物在玻璃板表面形成的薄膜對(duì)水接觸角范圍為93°～115°，拒油等級(jí)可達(dá)7級(jí).

全氟聚醚鏈；季銨鹽；碘化銀納米粒子；疏水疏油；抗菌

黃焰根（聯(lián)系人），男，副教授，E－mail：hyg＠dhu.edu.cn

有機(jī)氟材料由于其雙疏（即疏水疏油）性、防污性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐候性、耐腐蝕性、耐磨性等性能均十分卓越［1－2］，成為固體石蠟整理劑、有機(jī)硅整理劑后應(yīng)用廣泛的疏水疏油性能均良好的一類整理劑，其中，應(yīng)用最多的就是含全氟辛基（—C8F17）化合物.然而近年來，大量的研究調(diào)查報(bào)告表明，該類化合物化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、難以生物降解，容易生物累積，能隨著環(huán)境遷移，同時(shí)還具有毒性，會(huì)對(duì)人體和環(huán)境造成潛在威脅，并可致畸、致癌［3］.為此，各國相繼發(fā)布了關(guān)于限制該類化合物銷售以及使用的禁令，尋求環(huán)保、高效的新型雙疏性材料迫在眉睫.在有機(jī)氟材料中引入易生物降解的含氟聚醚鏈，既可以保證該材料的雙疏性能，又能克服由于全氟長烷基鏈聚合物難以生物降解等缺點(diǎn).

此外，自然界中的細(xì)菌種類繁多且分布廣泛，嚴(yán)重威脅人類的健康，甚至危及生命［4］.而隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)于自身健康愈發(fā)重視，因此，如果能賦予含氟整理劑抗菌性能必將大大提高其附加值.

文獻(xiàn)［5－7］的研究發(fā)現(xiàn)，帶有長鏈烷烴的季銨鹽具有很強(qiáng)的抗菌性，由于含N陽離子聚合物對(duì)動(dòng)植物細(xì)胞壁的破壞能力，使它們對(duì)革蘭氏陰性菌、陽性菌均具有非常好的抗菌效果.相對(duì)于小分子抗菌劑而言，聚合物不但不會(huì)滲入人體，而且具有抗菌性更強(qiáng)、更穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)更可控、合成方式更多樣化等優(yōu)點(diǎn)［8］，同時(shí)，文獻(xiàn)［9］通過研究證明了吡啶類聚合物對(duì)于哺乳動(dòng)物的細(xì)胞是無毒的.因此，本文通過全氟聚醚碘化物與聚乙烯吡啶發(fā)生季銨化反應(yīng)，在季銨鹽抗菌劑中引入含氟醚鏈以賦予其雙疏性能.

文獻(xiàn)［10－11］的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)銀以納米溴化銀顆粒形式存在時(shí)，會(huì)持續(xù)地釋放出具有抗菌能力的銀離子.由于銀離子抗菌能力遠(yuǎn)強(qiáng)于其他抗菌劑，因此，本文在合成含氟醚鏈的聚乙烯吡啶后，又加入對(duì)甲苯磺酸銀，通過原位沉降在聚合物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中生成納米碘化銀粒子，得到負(fù)載有納米碘化銀粒子的含全氟聚醚鏈的聚乙烯吡啶（AgI／PFPVP），其中的季銨鹽結(jié)構(gòu)與碘化銀納米顆粒同時(shí)為該材料提供了抗菌能力，使其抗菌性更強(qiáng)，持續(xù)性也更好.通過改變季銨化率或?qū)妆交撬徙y的加入量，可以實(shí)現(xiàn)抗菌能力的可控調(diào)節(jié).

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)試劑

碳酸鈉、二甲亞砜（DMSO）、N，N－二甲基甲酰胺（DMF）、三氟甲苯、乙酸乙酯（EA）、甲醇、乙醇、乙醚等，AR級(jí)，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司（上海）；聚（4－乙烯吡啶），Sigma－Aldrich；1－ 碘癸烷，百靈威科技有限公司；全氟聚醚碘化物，中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所有機(jī)氟實(shí)驗(yàn)室提供.

1.2 含全氟聚醚鏈的聚乙烯吡啶（PFPVP）的合成

對(duì)三口燒瓶進(jìn)行除水除氧、氮?dú)獗Ｗo(hù)，加入15 mL體積比為2∶1的干燥DMF／三氟甲苯混合溶液，然后加入0.6g聚（4－乙烯吡啶）（相對(duì)分子質(zhì)量為60 000）分散溶于溶液中，逐滴滴加6.9g全氟聚醚碘化物1［12－13］，回流24h.反應(yīng)過程中，溶液由透明逐漸變?yōu)樯畛燃t色.產(chǎn)物用500mL乙酸乙酯稀釋沉淀，過濾后用乙醚反復(fù)洗滌，真空干燥，得到黃色固體粉末即為PFPVP，通過核磁譜圖分析計(jì)算可得其季銨化率為33%.改變碘化物的投料量，分別得到季銨化率為23%和10% 的PFPVP.

1.3 AgI／PFPVP復(fù)合物的合成

除水除氧后，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，將1.0mmol的PFPVP溶于3mL干燥的DMF中，冷卻到0 ℃.按不同季銨化率的聚合物中碘離子的摩爾量取適量的對(duì)甲苯磺酸銀（AgPTS）［14］溶于3mL干燥的 DMF／DMSO混合溶液（體積比1∶1）中，同樣冷卻到0 ℃.在15min內(nèi)將AgPTS溶液逐滴加入PFPVP溶液中，常溫反應(yīng)1h，得明黃或橙黃色懸浮液.產(chǎn)物用乙醚稀釋沉淀，過濾后用乙醚反復(fù)洗滌，真空干燥，得到黃色固體粉末.

PFPVP及AgI／PFPVP復(fù)合物的合成路線如圖1所示.

圖1 AgI／PFPVP復(fù)合物的合成Fig.1 Synthetic route of AgI／PFPVP composite

表1 樣品組成Table 1 Composition of samples

1.4 AgI／PFPVP復(fù)合物的表征

將AgI／PFPVP復(fù)合物樣品溶于乙醇中，配制成1mg／mL的懸浮液，然后超聲分散5min，滴于銅網(wǎng)上，烘干后用透射電子顯微鏡（TEM）觀察其形貌.熱重分析采用Netzsch（German）TGA 209F1系統(tǒng)，在氮?dú)夥諊?，?0℃／min的速率升溫，在室溫～700℃范圍內(nèi)測定.將樣品分散于甲醇中，超聲后滴涂在干凈的玻璃板上，自然風(fēng)干成膜，然后將涂膜的玻璃板以DCA－322W型表面張力及接觸角儀測量水接觸角.

疏油測試則按照文獻(xiàn)［15］進(jìn)行，各標(biāo)準(zhǔn)測試液組成如表2所示.將試樣平放在光滑的平面上，用滴管在試樣表面隔一定距離同時(shí)滴上兩小滴最低一級(jí)拒油試液，每滴直徑大約5mm.以約45°角觀察液滴在約30s內(nèi)的潤濕情況.若試樣不潤濕，則在液滴鄰近處再滴一滴高一等級(jí)的試液，用上述同樣方法進(jìn)行觀察.繼續(xù)這樣的操作，直至某一個(gè)等級(jí)的液滴在試樣上30s內(nèi)在液滴下面或液滴周圍顯示明顯的潤濕現(xiàn)象為止.以操作中進(jìn)行試驗(yàn)的試液中最后一個(gè)使試樣表面不潤濕的等級(jí)為該試樣的拒油等級(jí)，即開始出現(xiàn)潤濕試液的拒油等級(jí)的上一個(gè)等級(jí).

表2 標(biāo)準(zhǔn)測試液Table 2 Standard test liquid

抗菌測試使用抑菌圈法，參照GB／T 20944.1—2007《紡織品抗菌性能的評(píng)價(jià)第1部分：瓊脂擴(kuò)散法》測定.將各種樣品分別分散于甲醇溶液中，配制成10mg／mL的溶液，超聲分散后取1mL溶液涂覆在直徑1.5cm的圓形濾紙片上，然后令溶劑自然揮發(fā).配置好液體培養(yǎng)基和固體平板培養(yǎng)基后，將大腸桿菌E.Coli和金黃色葡萄球菌S.Aureus從斜面種子培養(yǎng)基接種到液體培養(yǎng)基中，37℃恒溫培養(yǎng)12 h后得到種子液.取0.1mL種子液均勻涂布到固體平板培養(yǎng)基上，將準(zhǔn)備好的濾紙片放在培養(yǎng)基平板上方中央，37 ℃恒溫倒置培養(yǎng)24h.對(duì)長好抑菌圈的培養(yǎng)皿拍攝數(shù)碼照片，用Image J測量抑菌圈的范圍，每個(gè)試樣測量3次以上，抑菌帶寬度H（cm）＝（D－d）／2，其中，D為抑菌帶外徑的平均值（cm），d為試樣直徑（cm）.抑菌圈越大，抑菌效果越好.

2 結(jié)果與討論

2.1 AgI／PFPVP復(fù)合物的結(jié)構(gòu)表征

聚乙烯吡啶（PVP）經(jīng)全氟聚醚碘化物季銨化的產(chǎn)物（10%PFPVP）的核磁共振氫譜如圖2所示.由圖2可知，未被季銨化的吡啶環(huán)上（a）和（b）位的氫分別出現(xiàn)在化學(xué)位移為8.25和6.89處，季銨化后的吡啶環(huán)的電子云密度降低，從而使吡啶環(huán)上（a′）和（b′）位氫的化學(xué)位移向低場移動(dòng)，分別到達(dá)8.78和7.58處，因此，可以由（a′），（a），（b′），（b）的峰面積之比來判斷聚合物的季銨化率大約為10%.

圖2 10%PFPVP的1 H NMR譜圖Fig.2 1 H NMR of 10%PFPVP

通過TEM可以觀察物質(zhì)的形貌.圖3是3＃樣品在放大10萬倍后的TEM圖.由圖3可以看到反應(yīng)中制得的碘化銀納米粒子呈單分散狀態(tài)，被包裹在聚合物內(nèi)部，與復(fù)合物設(shè)計(jì)的形態(tài)相符.圖4（a），4（b），4（c）分別為5＃樣品和3＃樣品放大50萬倍，以及1＃樣品放大20萬倍的TEM圖，可以看出其中的碘化銀粒徑分別為（8±2），（12±3），（47±3）nm.對(duì)比Ag＋和I－的摩爾比為1∶2的樣品，從2＃樣品的TEM圖（圖5）中可以看到，樣品內(nèi)的碘化銀粒子的粒徑約為（3±2）nm，而4＃和6＃樣品的TEM圖十分模糊，這可能是由于這些樣品中納米粒子外層包裹的聚合物較Ag＋和I－的摩爾比為1∶1的樣品的厚，且納米顆粒的尺寸也要小很多，從而無法分辨.可以得知，季銨化程度越高，或者含銀量越高，合成的復(fù)合物中AgI納米顆粒越大，即可以通過調(diào)節(jié)聚合物的季銨化率和銀離子的投入量來調(diào)節(jié)復(fù)合物中AgI納米粒子的粒徑.

圖3 3＃樣品的TEM圖ig.3 TEM image of the 3＃sample

圖4 AgI／PFPVP復(fù)合物的TEM圖Fig.4 TEM images of the AgI／PFPVP composites

圖5 2＃樣品的TEM圖ig.5 TEM image of the 2＃ sample

圖6為1＃樣品的能量彌散X射線譜圖（EDS），從中可以明顯地看出樣品中Ag元素和I元素的存在，其中S元素信號(hào)源自對(duì)甲苯磺酸根離子，Na元素信號(hào)是由樣品中殘留的對(duì)甲苯磺酸鈉引起，O和F元素信號(hào)源自全氟聚醚鏈，而Pt和Zn元素信號(hào)則是由于電子束照射在樣品上時(shí)，穿透樣品打擊在儀器的基板上所產(chǎn)生的.

圖6 1＃樣品的能量彌散X射線譜圖（EDS）Fig.6 Energy－dispersive X－ray spectroscopy（EDS）of 1＃sample

采用X射線光電子能譜（XPS）對(duì)聚合物涂層表面元素組成做了進(jìn)一步測試和分析.在1＃樣品的XPS全譜（圖 7（a））中，在 54.2，172.4，236，289.4，372.8，404，536，578，624.2，693.8，881 eV出現(xiàn)的吸收峰分別歸屬于I 4d，S 2p，S 2s，C 1s，Ag 3d，N 1s，O 1s，Ag 3p，I 3d，F(xiàn) 1s，I 3p，表明在樣品表面存在I，S，C，Ag，N，O，F(xiàn)元素，與1＃樣品的分子設(shè)計(jì)符合.對(duì)C元素進(jìn)行窄區(qū)掃描，得到C元素分譜（圖7（b）），圖中在284.8，286，291.8，293.2eV 出 現(xiàn) 的 吸 收 峰 分 別 歸 屬 于C—C（H），C—N／C—O—C／C—F，CF2，CF3基團(tuán)上的C，這個(gè)結(jié)果也符合1＃樣品的分子設(shè)計(jì).

圖7 1＃樣品的XPS圖Fig.7 XPS spectra of 1＃ sample

2.2 熱穩(wěn)定性測試

1＃和2＃樣品以及純33%PFPVP的熱重分析曲線如圖8所示.由圖8可知，200℃之前，3種聚合物都沒有明顯的失重，這一段少量失重主要是由3種樣品中殘留的水或者小分子溶劑在升溫過程中揮發(fā)造成的.其中，純33%PFPVP失重最少，1＃樣品次之，2＃樣品最多，這個(gè)現(xiàn)象首先可能是由于純33%PFPVP是直鏈的聚合物，而1＃和2＃樣品形成了一個(gè)網(wǎng)狀的聚合物，并有AgI納米粒子嵌在里面，聚合物內(nèi)可能殘留更多的水或溶劑分子；其次，1＃和2＃樣品相比，2＃樣品的粒徑更小，比表面積更大，吸附能力比1＃樣品強(qiáng)，吸附的水或溶劑分子較多，因此，2＃樣品失重最多.200～700℃時(shí)，失重情況則是1＃樣品＜2＃樣品＜純33%PFPVP，這是由于1＃樣品中AgI含量最高，而純33%PFPVP中沒有AgI.其中，在300℃左右時(shí)，熱分解速率有一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這可能是由于聚合物發(fā)生了分步分解，首先是聚合物上全氟聚醚鏈的脫落而導(dǎo)致的失重，發(fā)生在200～300℃.脫去全氟聚醚鏈后，吡啶季銨鹽還原成吡啶，穩(wěn)定性提高（TG曲線下降減緩）.到了300～420℃時(shí)，聚合物大分子鏈斷裂，形成再次失重.由于純33%PFPVP中不含AgI，因此，全氟聚醚鏈所占的比重最大，到轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)失重最多，最后700℃時(shí)的殘余量也最少，只剩下21.43%；1＃樣品中AgI含量最多，全氟聚醚鏈所占的比重最小，到轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度時(shí)失重是最少的，由于0～700℃范圍內(nèi)，氮?dú)夥罩蠥gI不分解，在700 ℃時(shí)，1＃樣品的殘余量高達(dá)43.76%.

圖8 3種樣品的熱失重曲線Fig.8 Thermogravimetric analysis curves of three samples

2.3 雙疏性能測試

將AgI／PFPVP樣品涂膜于玻璃板上，然后進(jìn)行雙疏性能測試，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.由表3可知，樣品疏油等級(jí)非常高，可以達(dá)到7級(jí)，具有良好的疏油性能；樣品表面對(duì)水接觸角介于93°～115°之間，與涂層表面F元素含量相關(guān)，F(xiàn)元素含量越高，接觸角越大，疏水能力也越好.

表3 AgI／PFPVP復(fù)合物的疏水疏油性能Table 3 Water and oil repellent ability of AgI／PFPVP composite

2.4 抗菌測試

選用大腸桿菌（E.Coli）和金黃色葡萄球菌（S.Aureus）菌種對(duì)AgI／PFPVP復(fù)合物的抑菌性能進(jìn)行了測試，結(jié)果如表4所示.由表4可知，各個(gè)樣品對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌都具有一定的抗菌效果，這說明季銨鹽和納米銀都具有廣譜抗菌效果，而AgI／PFPVP復(fù)合物對(duì)金黃色葡萄球菌的抑制效果要優(yōu)于大腸桿菌.這是因?yàn)榻瘘S色葡萄球菌是革蘭氏陽性細(xì)菌，其細(xì)胞壁比較薄，藥劑分子能更快、更多地穿透細(xì)胞壁，到達(dá)作用部位，破壞細(xì)胞膜，從而達(dá)到殺死細(xì)菌的作用.當(dāng)以未包覆碘化銀的季銨鹽PFPVP進(jìn)行抑菌測試，雖然沒有明顯的抑菌圈，但是細(xì)菌在濾紙片上沒有繁殖；而以未季銨化的聚乙烯吡啶（PVP）和對(duì)甲苯磺酸鈉（NaPTS）為樣品時(shí)，濾紙片上明顯有細(xì)菌繁殖，說明季銨鹽也有一定的抗菌效果.從表4中還可以看出，隨著納米碘化銀粒徑的增大，樣品對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌能力是逐漸增大的.

表4 不同樣品的抑菌圈法測試數(shù)據(jù)Table 4 Data of the zone of inhibition test for different samples

3 結(jié) 語

本文通過季銨化反應(yīng)成功地合成了一種接枝有含氟聚醚鏈的聚乙烯吡啶季銨鹽，然后通過原位沉降法在其中載入了納米銀粒子，并對(duì)AgI／PFPVP復(fù)合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征和確認(rèn).該復(fù)合物在玻璃板上的涂層對(duì)水接觸角范圍為93°～115°，疏水效果并不突出；而其疏油性能達(dá)到7級(jí)，具備了較高的疏油能力.抑菌測試證明，AgI／PFPVP復(fù)合物具有一定的抑制革蘭氏陽性菌和陰性菌生長的能力，且該能力隨納米碘化銀粒徑的增大而增加.由于納米碘化銀粒子的粒徑可由季銨化程度以及銀鹽的加入量實(shí)現(xiàn)可控調(diào)節(jié)，該復(fù)合物的抗菌能力也能實(shí)現(xiàn)可控調(diào)節(jié).

參 考 文 獻(xiàn)

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Preparation and Characterization of Silver Iodide Nanoparticle／Polyvinyl Pyridine，Grafted with Perfluoropolyether Chain

WUJie－qiong，HUANGYan－gen

（Key Laboratory of Science ＆Technology of Eco－textile，Ministry of Education，Donghua University，Shanghai 201620，China）

A multifunctional fluorinated polyvinyl pyridine embedded silver iodide nanoparticles was prepared by reaction between polymer grafted with perfluoropolyether chains and silver ptoluenesulfonate to precipitate silver iodide on site.The composite was characterized by transmission electron microscopy （TEM），X－ray photoelectron spectroscopy （XPS），and energy－dispersive X－ray spectroscopy（EDS）.Zone of inhibition test indicated that the composite possessed good antibacterial activity against both gram－positive and gram－negative bacteria.The glass coated with the composites possessed 93－115°water contact angle while the oil repellency can reach rating 7.

perfluoropolyether chain；quaternary ammonium salt；silver iodide nanoparticle；water and oil repellent；antibacterial

TS 195.57

A

1671－0444（2013）05－0633－06

2012－06－01

教育部留學(xué)歸國人員科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目（教外司留［2011］1139號(hào)）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目

吳潔瓊（1988—），女，浙江寧波人，碩士研究生，研究方向?yàn)楹酆衔锏暮铣?E－mail：ednamint＿ting＠163.com