家用電器納米抗菌材料

陳吞 沈劍 楊樂庭 黃勇 張輝

合肥美的電冰箱有限公司 安徽合肥 340100

1 引言

如今，中國絕大多數(shù)家庭都擁有一臺(tái)及以上的家電設(shè)備，如常見的冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)等。隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)生活品質(zhì)的要求在不斷的進(jìn)步。而家用電器作為每個(gè)家庭都需要的高頻使用設(shè)備，其行業(yè)也相應(yīng)的提出了抗菌等概念以適應(yīng)新的消費(fèi)理念[1]。以冰箱為例，冷藏對(duì)于維持許多食品的安全性和質(zhì)量以及使食品能夠在日益城市化的社會(huì)中進(jìn)行供應(yīng)和消費(fèi)都至關(guān)重要。但是由于未經(jīng)消毒的食材常常攜帶沙門氏菌、大腸桿菌等細(xì)菌，容易導(dǎo)致交叉污染和二次感染，如若不慎食用，會(huì)導(dǎo)致腹瀉、食物中毒等狀況，甚至可能進(jìn)一步導(dǎo)致患者死亡[2]。因此，冰箱等家用電器需要具有一定的抗菌能力以保證家庭的正常使用。

現(xiàn)如今常見的家用設(shè)備的主要抗菌技術(shù)有高溫消毒、紫外線照射、光觸媒除菌、金屬納米材料薄膜等。不同的抗菌技術(shù)都有其優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，例如：高溫消毒由于在使用過程中需要產(chǎn)生高溫，使用場(chǎng)景嚴(yán)重受限，僅能應(yīng)用在消毒柜等家用設(shè)備中。本文主要關(guān)注如今納米抗菌技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，總結(jié)并分析了當(dāng)前和未來有望大規(guī)模應(yīng)用在家用設(shè)備的抗菌納米技術(shù)。

2 活性金屬納米材料

金屬基納米材料可以由金屬和金屬氧化物的兩種納米材料構(gòu)成，納米材料區(qū)別于普通材料的地方在于納米尺度，常用的納米材料為金屬或金屬氧化物納米材料，包括銀、金、氧化鋅、二氧化鈦和氧化銅等材料。金、銀和銅等材料主要通過對(duì)細(xì)菌的細(xì)胞膜進(jìn)行破壞從而起到抗菌的作用[3][4]，并且其能夠有效抑制代謝酶活性并干擾細(xì)菌遺傳物質(zhì)的表達(dá)。而金屬納米顆粒氧化物如TiO2、ZnO、CuO、Cu2O、Fe2O3、SnO2、Ag2O、CeO2，均具有一定的抗菌效果。其中，ZnO、TiO2和CuO、Cu2O在物理和化學(xué)特性上都具有相似之處，如無毒、無刺激性、熱穩(wěn)定性、耐熱性、持久的抗菌作用和高效殺菌。應(yīng)用于預(yù)防疾病傳播具有重要意義，可以凈化環(huán)境。

活性金屬納米材料現(xiàn)如今也廣泛的應(yīng)用于日常的家用電器中，其多以抗菌劑的形式與樹脂聚合物材料混合以制備納米抗菌塑料[5-8]。由于金屬納米材料以粉末形式呈現(xiàn)，通常需要在加工過程中將這些粉末在樹脂中均勻地分散以獲得所需的抗菌效果。因此，抗菌劑通常先被制成抗菌母料，然后將其與樹脂混合所需比例（然后按照所需比例將其與樹脂混合）。另外，還必須考慮與樹脂一起使用的抗菌劑的相容性，因此通常需要添加偶聯(lián)劑，以及對(duì)抗菌劑進(jìn)行預(yù)處理。而制備完成的納米金屬材料會(huì)在樹脂表面形成具有抗菌能力的表面層，然后通過與物體接觸而發(fā)揮殺菌作用。如常放置食物的冰箱盛物臺(tái)、塑料外殼和洗衣機(jī)滾筒等，并已經(jīng)有相應(yīng)的產(chǎn)品以此為賣點(diǎn)進(jìn)行大面積推廣[9]。

3 仿生納米結(jié)構(gòu)

自2006年以來，研究人員一直致力于通過材料表面的物理形貌而非化學(xué)機(jī)理來消除細(xì)菌。研究表明，物體的表面形貌和粗糙度對(duì)細(xì)菌附著有著很大的影響，其主要原因是影響其對(duì)細(xì)菌生物膜的形成[10]。而決定細(xì)菌在物體外表面附著的因素主要有疏水性、靜電相互作用、范德華力和位阻等常見物理特性。細(xì)菌細(xì)胞壁與表面紋理相互作用時(shí)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞壁拉伸并變形，如果拉伸的力足夠大，則會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞破裂、死亡。納米和微米結(jié)構(gòu)極大地增加了接觸粘合面積，比平坦表面有更有效的殺菌性能。因此，物體表面的殺菌效率與微結(jié)構(gòu)的高度、半徑和間距等參數(shù)密切相關(guān)。

研究工作者已經(jīng)嘗試復(fù)制天然存在的動(dòng)植物如蟬和蜻蜓的翅膀、荷葉和鯊魚皮表面的納米結(jié)構(gòu)紋理以達(dá)到抗菌的效果。蟬和蜻蜓的翅膀的外表面由于存在納米級(jí)的柱狀結(jié)構(gòu)從而對(duì)大腸桿菌等細(xì)菌能起到一定的阻礙作用，而荷葉表面存在的納米和微米級(jí)分層結(jié)構(gòu)則起到了超疏水和自清潔的作用，從而影響細(xì)菌生物膜的合成[11-12]。壁虎的皮膚上的納米尺度的刺突結(jié)構(gòu)對(duì)軟壁菌有殺傷作用，能夠特異性的對(duì)革蘭氏陰性菌起到抗菌效果，而有效的保護(hù)人類真核細(xì)胞[13]。這些微納結(jié)構(gòu)及其各種物理性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)使得人們可以模仿這些自然存在的表面結(jié)構(gòu)以在應(yīng)用中重現(xiàn)其抗菌效果。

由于仿生納米結(jié)構(gòu)不用改變材料本身，可以直接應(yīng)用在傳統(tǒng)家電材料中，無需其他復(fù)雜的加工條件與安全測(cè)試，可以節(jié)約較多的研發(fā)成本。但是同樣的，其需要在外表面實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的微納結(jié)構(gòu)，并且需要一定的復(fù)制精度。這導(dǎo)致在成本可控的情況下僅僅只有硅膠、塑料等少部分材料能夠適用。但是仍具有一定的推廣價(jià)值，如可直接改造傳統(tǒng)的冰箱門硅膠密封條與塑料把手等高頻接觸的部件。

4 基于光催化的納米材料

光催化的納米材料主要以納米TiO2為主，以銳鈦礦、金紅石和板鈦礦為三種主要的晶相結(jié)構(gòu)。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的研究發(fā)現(xiàn)，銳鈦礦型TiO2被認(rèn)為是光敏性最強(qiáng)的晶形，有著較為廣泛的應(yīng)用[14]。其原理主要為當(dāng)光照射二氧化鈦，使其能量達(dá)到二氧化鈦的禁帶寬度時(shí)，就會(huì)激發(fā)電子躍，形成電子-空穴對(duì)，電子-空穴對(duì)與周圍水分子和氧氣分子發(fā)生作用，生成具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基和超氧離子自由基，可以侵蝕各種生物分子并損害其正常功能，達(dá)到抑制細(xì)胞呼吸，改變細(xì)菌細(xì)胞通透性和分解細(xì)胞壁等效果[15-16]。

現(xiàn)如今工業(yè)上光催化納米抗菌材料以抗菌陶瓷為主[17]，同樣也可以大規(guī)模應(yīng)用在家用電器中，通過在燒結(jié)后的陶瓷制品上涂覆二氧化鈦膜，然后以較低的溫度燒結(jié)，可以達(dá)到光催化抗菌作用的效果，從而抑制細(xì)菌在陶瓷表面擴(kuò)散[18]?？梢酝ㄟ^在消毒柜或者凈水器中大量使用陶瓷材料從而增強(qiáng)紫外線殺菌的效果[19]。

圖1 光觸媒抗菌示意圖

5 結(jié)論

家用電器作為一個(gè)高頻使用設(shè)備，如果不定期進(jìn)行清潔和維護(hù)，常常會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌的滋生，污染食物與水源，容易對(duì)使用者的身體健康造成一定的影響。因此，需要定時(shí)對(duì)家電進(jìn)行擦拭和消毒，否則會(huì)堆積污垢。適當(dāng)?shù)膽?yīng)用納米抗菌材料，可以有效的降低細(xì)菌的數(shù)量。在常與食物、衣物、水源接觸之處使用抗菌材料是十分有必要的。以冰箱為例，在承物架內(nèi)混入金屬納米顆粒，在冰箱門硅膠封條處使用仿生抗菌微結(jié)構(gòu)，在可以接觸到光照的冰箱外殼上涂覆二氧化鈦納米涂層，增強(qiáng)抗菌效果。因此，深入的分析并研究納米抗菌設(shè)計(jì)，能延長(zhǎng)電器的使用壽命，提高使用者的生活品質(zhì)。此外，納米抗菌無材料可廣泛應(yīng)用在母嬰產(chǎn)品、醫(yī)療衛(wèi)生用品、空氣過濾等領(lǐng)域，為嬰童、女性、成人群體營造安全舒適的衛(wèi)生環(huán)境。