抗菌塑料的研究進展簡述

張立娟（金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 201714）

?

抗菌塑料的研究進展簡述

張立娟
（金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 201714）

摘 要：介紹了無機、有機和天然生物三類抗菌劑，重點介紹了無機抗菌劑的種類和應用現(xiàn)狀；對比了五種常用抗菌塑料制備方法，直接添加法、抗菌母粒法、表面黏合法、層壓法和后加工處理法；針對國內(nèi)外抗菌塑料的檢測標準，簡單介紹了最常用的評價抗菌性能的兩個指標，抗菌率和抑菌環(huán)；最后對抗菌塑料的發(fā)展做了一些展望。

關(guān)鍵詞：抗菌塑料；抗菌劑；應用

隨著塑料的廣泛使用，塑料制品已經(jīng)走進千家萬戶和人們生活的方方面面，如食品包裝、家用電器、廚衛(wèi)用品、汽車配件和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。日常生活中塑料制品表面往往會帶有大量的細菌，成為疾病傳染的媒介，對于人類的健康和生命產(chǎn)生很大的威脅?？咕芰献鳛橐环N新型功能材料，可從根源解決細菌感染問題，進而提高人們健康水平。而近些年來頻繁出現(xiàn)的疫情，如2003年的SARS、2009年的H1N1流感和2015的埃博拉病毒等，更是讓人們認識到發(fā)展抗菌塑料的緊迫性[1]。

顧名思義，抗菌塑料就是在塑料中加入一定量的抗菌劑，使其具有抗菌性能，同時又不損失其原有的常規(guī)性能和加工性能。理想的抗菌塑料應具有高效、長效、廣譜、安全無毒無刺激等性能，抗菌劑的種類和加工工藝將直接決定最終產(chǎn)品的使用性能，從安全角度講，人們希望加入少量的抗菌劑而達到高效的抗菌性能。

本文綜述了近幾年來抗菌劑的研究發(fā)展狀況、抗菌塑料的制備方法及其性能檢測標準，并對抗菌塑料的今后發(fā)展做了一些展望。

1 抗菌劑的研究

目前，抗菌劑主要分為無機、有機和天然生物抗菌劑三大類?？咕鷦┑姆N類和加工能力是決定抗菌塑料制備的關(guān)鍵因素，以下分別對三種抗菌劑加以闡述，對在工業(yè)生產(chǎn)中應用最廣泛的無機抗菌劑進行重點說明。

1.1 無機抗菌劑

常用的無機抗菌劑可以分為金屬元素抗菌劑和光催化型抗菌劑兩大類。傳統(tǒng)的金屬元素抗菌劑主要有Ag、Cu和Zn等金屬及其化合物，Ag、Cu和Zn三種元素的抗菌性依次減弱[2]。目前我國主要使用銀系抗菌劑，而美國主要采用銅系抗菌劑。銀在一定波長的照射下可作為催化活性中心，在其周圍空間產(chǎn)生氧原子，由氧原子的強氧化性起到殺菌的作用。光催化型抗菌劑是以銳鈦礦型的半導體氧化物，如TiO2、ZnO以及SiO2等。

目前無機抗菌劑的研究重點集中于抗菌劑的納米化，研究發(fā)現(xiàn)抗菌劑粒子的抗菌性能隨著粒徑的減小而提高[3]。目前，在生物醫(yī)療器械制備領(lǐng)域，納米銀抗菌劑已成為國內(nèi)外研究熱點，并且已有大量產(chǎn)品應用生物醫(yī)用材料和醫(yī)用耗材[4]。而對于半導體氧化物，其吸收光能后，納米粒子可生成離子―空穴對，離子―空穴對與表面吸附的水、空氣反應，將OH-轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W活性很強的氫氧自由基（·OH）和超氧化物陰離子自由基，這些高活性自由基可用來殺死微生物[5-6]。

無機抗菌劑優(yōu)點是具有安全性、持久性、耐熱性，并且制備工藝簡單，加工過程主要是利用離子交換或物理吸附等方法將其固定在多孔蜂窩形狀的載體上，如沸石、活性炭和硅膠等[7-8]。鑒于塑料的加工工藝，即加工過程需要較高的溫度，無機抗菌劑的耐熱性是其能夠大批量的應用于工業(yè)化大批量制備抗菌塑料的關(guān)鍵。

1.2 有機抗菌劑

有機抗菌劑主要指合成有機抗菌劑，其突出特點是種類多、針對性強等，常見有機抗菌劑種類有季銨鹽類、雙肌類、醇類、酚類、有機金屬類、毗陡類、咪哇類、唾吩類等。有機抗菌劑在抗菌塑料加工工業(yè)中使用量較少，因其耐熱性差，只能在300℃以下使用，在塑料加工成型過程中易分解，喪失抗菌效果。1.3 天然抗菌劑

天然抗菌劑主要來源于動植物，如薄荷、檸檬葉提取物，節(jié)肢動物提取物甲殼素脫乙?；频玫臍ぞ厶?，其中殼聚糖是目前的研究熱點[9]，它具有良好的生物相容性和可降解性，對人體無害。對于殼聚糖的抗菌機理，目前主要有兩種理論：一是殼聚糖分子中的NH3+帶正電，吸附在細胞表面，形成一層高分子膜，阻止細胞內(nèi)外營養(yǎng)物質(zhì)運輸；另一理論為殼聚糖使細胞膜和細胞壁上的正負電荷分布不均，破壞細胞壁的合成與溶解平衡，溶解細胞壁，從而起到抗菌作用[10]。

2 抗菌塑料的制備

抗菌塑料加工的關(guān)鍵在于提高抗菌劑在塑料中的分散性、相容性以及在制備過程中的穩(wěn)定性[11]?？咕芰仙a(chǎn)工藝復雜，不僅需要滿足塑料本身應該具備的機械性能、耐老化性能、化學性能等，同時需具備抗菌功能，常用抗菌塑料制備方法有直接添加法、抗菌母粒法、表面黏合法、層壓法和后加工處理法等[12]。

直接添加法和抗菌母粒法主要應用于抗菌塑料粒子，即原材料制備。塑料粒子加工過程主要分為混料和擠出工序，在混料段可直接將抗菌劑或抗菌母粒加入高混機，通過物理手段使抗菌劑同其他材料充分混合，提高抗菌劑在塑料中的分散性。表面黏合法、層壓法和后加工處理法主要應用于抗菌產(chǎn)品成型過程中，根據(jù)最終抗菌產(chǎn)品的加工過程選擇不同的方法，如表面黏合法是在通過在成型模具表面噴灑抗菌劑使產(chǎn)品表面黏附抗菌劑，后加工處理法是對塑料制品進行表面處理，目前可采用的方法主要有噴鍍法和真空濺射表面噴鍍法[12]，但設(shè)備成本較高，不利于工廠大批量生產(chǎn)。分析抗菌塑料的加工過程可知，表面粘合法抗菌劑的用量更少，可有效降低生產(chǎn)成品，但抗菌劑僅存在與材料表面其抗菌功能的穩(wěn)定性和長效性較差。

母粒法是目前最常用的制備方法[13-14]，該方法借鑒于色粉母粒、玻纖母粒的加工方法，通過兩步加工法將抗菌劑添加至塑料基體中。首先將抗菌劑和基體樹脂充分混合，然后利用螺桿擠出機造粒，制備抗菌母粒，在批量化生產(chǎn)過程中，將抗菌母粒與樹脂再次混合，擠出并造粒?？咕噶Ｖ锌咕鷦┑臐舛仁亲罱K抗菌塑料制品中濃度的25到50倍[15]。相較于直接添加法，抗菌劑的分散效果更好，同時抗菌劑同塑料基體的相容性有所改善[16]。

3 抗菌塑料的性能檢測

抗菌塑料是具備抗菌功能的塑料，需要同時達到作為塑料使用時的性能要求和抗菌要求。本文只關(guān)注抗菌塑料的抗菌性能檢測。

目前國內(nèi)外抗菌塑料的檢測標準主要有ASTM E 2149(2010)、ISO 22196(2007)、JIS Z 2801(2006)、QB/T 2591(2003)、JC/T 939(2004)和GB21551.1(2008)。

根據(jù)抗菌塑料的親疏水性、形態(tài)結(jié)構(gòu)和抗菌劑的類型，可運用不同的測試方法[17]。檢測方法主要是根據(jù)微生物對樣品敏感程度來進行分類。

最常用的評價抗菌性能的兩個指標是抗菌率和抑菌環(huán)。

抗菌率的計算見式（1），是一種定量表征的測試方法，主要有振蕩法和貼膜法，其中貼膜法用于表面平整試樣的性能測定，而振蕩法則用于表面不規(guī)則樣品或是塑料母粒的抗菌性能測定。

抗菌率/ %＝（空白試樣上的菌數(shù)－抗菌試樣菌數(shù)）/空白樣菌數(shù)×100 式（1）抗菌環(huán)是一種半定量式表征方法，通過測量抗菌環(huán)的大小來評價抗菌能力的強和弱，該方法簡便快速，但是對于不同的抗菌劑，數(shù)據(jù)的可比性較差，實際使用的過程中存在一定的局限性[18]。

4 結(jié)語與展望

抗菌塑料，尤其是納米抗菌塑料作為國家重點支持的新材料產(chǎn)業(yè)，在近幾年得到了快速發(fā)展，目前僅抗菌聚丙烯年消耗量就已超過5萬噸，隨著人們環(huán)境和健康意識的增強，抗菌塑料的需求量會越來越大。在過去的三十年里，抗菌劑的研究取得了一定的成果，但研發(fā)高效廣譜、安全無毒、效果持久的抗菌劑仍是一個重要課題，是推動抗菌塑料產(chǎn)品開發(fā)的必要條件?？咕芰霞庸し矫妫柙诳咕噶＜庸し绞降幕A(chǔ)上開發(fā)更加成本低廉、綠色無毒的加工方法，才能為抗菌塑料的制備帶來新的變革。抗菌效果的評價方面， 目前存在諸多方法，難于進行橫向比較不利于進行工業(yè)化生產(chǎn)評估，因此發(fā)展一個簡單易行的統(tǒng)一的檢測標準是未來發(fā)展趨勢。

抗菌塑料的開發(fā)和應用是高科技發(fā)展應用于提升人類生活品質(zhì)的典型案例，需要從抗菌劑、加工工藝和評價手段等方面不斷提升，以制備抗菌效果更加優(yōu)良的塑料產(chǎn)品，從而減少細菌感染，為保護全民健康提供保障。

參考文獻：

[1] 楊中文. 塑料用抗菌劑的研究進展[J]. 國外塑料, 2010, 28(9): 45-48.

[2] 湯京龍, 奚廷斐. 納米銀生物安全性研究[J]. 生物醫(yī)學工程學雜志, 2008, 25(4): 958-961.

[3] 夏金蘭, 王春, 劉新星. 抗菌劑及其抗菌機理[J]. 中南大學學報（自然科學版）, 2004, 35(1): 31-38.

[4] 代小英, 許欣, 陳昭斌, 等. 納米抗菌劑的概況[J]. 現(xiàn)代預防醫(yī)學, 2008, 35(13): 2513-2515.

[5] 李京明. 塑料抗菌劑的研究進展[J]. 精細化工原料及中間體, 2012, 11: 19-22.

[6] 鄧玉明, 毛勇. 納米TiO2抗菌劑的改性及在抗菌塑料中的應用研究[J]. 塑料制造, 2011(6): 83-87.

[7] 俞波, 王芳. 復合金屬離子抗菌沸石的制備及研究[J]. 無機材料學報, 2005, 20(4): 921-923.

[8] 毋婭娟. 沸石載銀鋅抗菌發(fā)泡聚氯乙烯塑料的實驗室研究[J]. 中國氯堿, 2011, 10: 16-18.

[9] 謝長志, 劉俊龍. 殼聚糖衍生物抗菌塑料制備與性能評價[J]. 塑料工業(yè), 2006, 34(7): 62-64.

[10] 張惠珍. 不同種類殼聚糖/LDPE抗菌塑料性能初探[J]. 塑料工業(yè), 2008, 36(11): 39-42.

[11] 潘曉勇, 杜巖巖, 陳偉, 等. 載銀納米二氧化鈦在抗菌塑料中的應用研究進展[J]. 工程塑料應用, 2012, 40(11): 101-105.

[12] 譚紹早. 聚丙烯抗菌塑料的制備及性能研究[J]. 中國塑料, 2005, 19(2): 41-44.

[13] 盧焱林. 納米氧化鋅抗菌塑料性能研究[J]. 化工管理, 2015, 2: 76-77.

[14] 代大慶, 張慧茄, 陳建軍, 等. 塑料薄膜專用抗菌母粒制備及其應用[J]. 塑料包裝, 2009, 19(1): 44-48.

[15] 趙斯梅. 載銀抗菌ABS塑料的制備及性能分析[J]. 遼寧絲綢, 2013, 3: 30-32.

[16] 劉方, 唐旭東, 張家鶴. 抗菌塑料研究進展[J]. 塑料制造, 2009, 4: 84-87.

[17] 彭如群, 謝小保, 李金蘭, 等. 抗菌塑料的應用及抗菌性能評價[J]. 塑料工業(yè), 2011, 39(10): 95-98.

[18] 劉峰, 王旭, 葉開其, 等. 塑料表面載銀微凝膠層層組裝膜的制備及抗菌活性[J]. 高等學?；瘜W學報, 2011, 32(4): 990-994.

Briefly Introduction of Progress in Antibacterial Plastics

ZHANG Li-juan
（Kingfa Sci.&Tech.co.Ltd., Shanghai 201714, China）

Abstract:Three kinds of antibacterial agents were introduced in this paper, including inorganic, organic and natural chemicals, and it was focused on the types and applications of inorganic antibacterial agents. Five common methods to prepare antibacterial plastic were compared, including the direct addition method, antimicrobial masterbatch method, surface sticky method, lamination and post-processing method. According to the domestic and international standards, a brief introduction to the two most used indicators of antimicrobial performance, antibacterial rate and inhibition zone, were given here. Finally the prospects on the development of antimicrobial plastics was showed.

Key words:antibacterial plastic; antibacterial agent; application

作者簡介：張立娟（1987~），女，碩士，助理工程師；主要從事塑料檢測的研究。ljzhang0417@163.com

收稿日期：2015-10-30

文章編號：1009-220X(2016)01-0076-04

DOI:10.16560/j.cnki.gzhx.20160111

中圖分類號：320.7

文獻標識碼：A