納米級二氧化鈦在塑料制品中的抗菌作用

楊程(山東天納元新材料科技有限公司，山東 淄博 255000)

0 引言

塑料制品在日常生活使用量十分巨大，廣泛用于食物包裝、存儲容器、新型廚具等，直接與食物接觸，此外在醫(yī)療輔材以及包材方面也被大量采用。以上使用環(huán)境均要求塑料具有一定的防止菌群滋生的功能，在生產(chǎn)滅菌后，如何保證其在使用過程中依然保持良好的抗菌性能，避免滋生新的菌群，一直是此類材料應(yīng)用領(lǐng)域重要的關(guān)注點。而以鈦化合物為代表的無機物與塑料的結(jié)合運用所表現(xiàn)的顯著的抗菌能力，已經(jīng)得到塑料包裝領(lǐng)域的高度關(guān)注和認可[1]。

1 抗菌標準的選取

在檢驗以及實測塑料材料的菌群抑制效果時，我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)以下幾個基礎(chǔ)的標準進行：

首先是針對紡織物品的抗菌性能檢測標準，這一標準為國家標準。該標準被選取的待檢測產(chǎn)物的無菌的確認以及提取制定了較為明確的規(guī)范，同時包含以明確菌群并采取定量的方法進行菌群再生狀況的規(guī)范性的基本實驗要求。

其次是實際的實驗方法的固定上，我們使用了按照一次性衛(wèi)生產(chǎn)品的國標檢測要求中關(guān)于菌群固定以及抑制菌群效果的判定標準以及參考數(shù)據(jù)的相關(guān)要求。具體實驗流程該規(guī)范標準中進行了較為明確的規(guī)定，本次實驗將完全按照以上規(guī)范的要求進行[2]。

同時實驗的過程參考最新版本的衛(wèi)生主管部門要求的技術(shù)規(guī)范，該規(guī)范同樣用以直接引導(dǎo)本次實驗的進展過程。此外在本次驗證過程中我們使用的待檢測材料以及菌群相關(guān)的數(shù)據(jù)內(nèi)容均來自于具備相關(guān)國家資質(zhì)的規(guī)范的專業(yè)機構(gòu)。

2 二氧化鈦結(jié)構(gòu)類型的選取

以二氧化鈦為主要化學(xué)成分的鈦化合產(chǎn)物在自然以及工業(yè)生產(chǎn)中以多種形式存在，出于使用的便捷性以及對菌群再生抑制效果的兩方面的考慮，最終確定采用工業(yè)制成銳鈦礦同型以及工業(yè)制成的金紅石同型。

其中前者本身為自然環(huán)境中儲存量較大的一種二氧化鈦的穩(wěn)定狀態(tài)，其一般以堅固高亮度的標準方晶體形式存在，具備轉(zhuǎn)化為金紅石的可能性。在工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中該種化合物質(zhì)主要通過液態(tài)的鈦化合溶液低溫反應(yīng)的形式進行制取，作為原料時的基礎(chǔ)形態(tài)為白色粉末。選用此狀態(tài)晶體作為對象的主要理由是其光的靈敏度更高、能夠?qū)崿F(xiàn)更為明顯的光觸媒效果，因此在抑制菌群生長等方面效果更為明確[3]。

后者金紅石型的二氧化鈦有效物質(zhì)含量更高，該類型的鈦白粉是很多工業(yè)生產(chǎn)中均會選用的較為純凈的等級更高的產(chǎn)品。在抗菌效果方面，金紅石型二氧化鈦是世界上存在各類結(jié)構(gòu)的二氧化鈦當(dāng)中，抑菌能力表現(xiàn)較為突出。但該結(jié)構(gòu)類型二氧化鈦在我國的天然礦藏儲量有限，需要從國外進口，其成本會比銳鈦型二氧化鈦高很多。

3 二氧化鈦的抗菌原理

二氧化鈦作為抗菌劑，其抗菌原理可以從其物理狀態(tài)以及化學(xué)屬性等方面進行分析。鈦的化合產(chǎn)物之所以能產(chǎn)生抗菌效果，主要是通過將光的流子由材料的表面引入到內(nèi)部，直接作用于菌群表面以光能量實現(xiàn)滅活作用。

這一效用的達成主要由于采用的鈦的化合產(chǎn)物從形態(tài)而言屬于導(dǎo)體類型，能夠?qū)膺M行有效的引導(dǎo)。通過τ=γ2Π2D對光流子進行計算，當(dāng)分子尺寸維持在200 nm的常見尺寸時，光的流子能夠以納秒、皮秒乃至飛秒的時間周期內(nèi)擴散至需要展開消殺的部位，因此，此種材料能夠表現(xiàn)出更好的抗菌效應(yīng)[4]。

4 二氧化鈦抗菌劑的核心優(yōu)勢

4.1 二氧化鈦具有長期抑菌效果

雖然塑料制品大都作為單次使用的產(chǎn)物存在，但需要注意的是包括外包裝在內(nèi)的很多材料使用的綜合周期實際并不短，部分在廚房等使用的塑料制品由于所處環(huán)境中的水含量較高且容易受到各種化學(xué)物質(zhì)的影響，因此更加可能發(fā)生抗菌劑失效現(xiàn)象。此種情況下塑料中添加的抗菌材料是否能夠繼續(xù)保持較高的抑制效果，對材料的選用起到明顯的參考作用。

包括銅等金屬材料在內(nèi)的抑制性輔助材料，在反應(yīng)發(fā)生前化學(xué)狀態(tài)較為活潑的情況下整體的抑制效果極為明顯，但當(dāng)反應(yīng)進行到一定量級自身的活潑性降低后抑制的能力明顯下降。

與之相反，本文所述的鈦的化合產(chǎn)物的抑制作用與直接的化學(xué)反應(yīng)的關(guān)聯(lián)度較低，因此雖然在暴露環(huán)境中本材料同樣會出現(xiàn)一定的化學(xué)變化，但依然能夠保持較高的抑制能力。實驗結(jié)果顯示，對3種更具代表性的菌群的抑制實驗中，在材料老化發(fā)生前，對3種菌群的抑制作用率分別為99.97%、99.98%、97.39%；當(dāng)承載物及塑料產(chǎn)品出現(xiàn)老化狀態(tài)后對其進行同樣的檢驗顯示抑制的效果依然維持在99.86%、99.64%以及95.37%，結(jié)果證明本種材料即便在產(chǎn)品出現(xiàn)老化后同樣維持較好的抑制效果，能夠?qū)崿F(xiàn)長期作用[5]。

此外根據(jù)對作用原理的討論我們發(fā)現(xiàn)，銅等金屬在抑制過程中雖然能夠殺死細菌但無法同時破壞死亡菌體的結(jié)構(gòu)，因此死亡的菌體繼續(xù)駐留于產(chǎn)品中可能產(chǎn)生一定的毒性，而鈦的化合產(chǎn)物的作用則能夠從細胞層面破壞細菌，使菌體出現(xiàn)由內(nèi)部開始破裂，因此死亡的菌體不會繼續(xù)存在也不會產(chǎn)生另外的風(fēng)險可能。

4.2 二氧化鈦具有廣譜抑制效果

根據(jù)對使用環(huán)境的分析，塑料制品使用的環(huán)境一般為自然狀態(tài)的環(huán)境，環(huán)境中包含有害性微生物門類復(fù)雜且多樣，因此在選擇抑菌劑時，單獨殺滅的方式將存在極大的差異性等特征，因此在選擇能夠維持塑料制品安全使用的抑菌添加劑的過程中，需要選擇具有廣譜抗菌效果的抗菌劑。

上述的危害性微生物當(dāng)中，既包含常見的各類細菌生物也存在一定量的霉菌類生物，不同生物的生物構(gòu)成、細胞形態(tài)以及形成生物體連接的各種蛋白和酶均存在較大的差異性，這些生物的生存和適應(yīng)環(huán)境也同樣存在一定的差別，因此，采用化學(xué)抑菌法很難起到全面有效的抑菌作用。而考慮到塑料材質(zhì)本身大都無法耐受過高的溫度，因此對于塑料制品而言，高溫等物理方法對塑料材料上的菌群抑制中同樣難以取得從成效。

而我們使用的二氧化鈦產(chǎn)品其抑菌的途徑與以上化學(xué)和物理方法均不相同，其通過光的流子引導(dǎo)直接供給菌體的細胞結(jié)構(gòu)，對所有具備生物基本形態(tài)的菌體均能造成有效的殺傷。此外其起效的途徑不會引發(fā)明顯的物理或化學(xué)的反應(yīng)，因此不會造成產(chǎn)品本身的性質(zhì)改變等問題。

4.3 二氧化鈦具有長期穩(wěn)定性

耐久性的塑料制品添加的抗菌劑需要有一定的穩(wěn)定性，才能保證塑料制品的抑菌作用長期穩(wěn)定有效。由于我們選擇的二氧化鈦材料主要結(jié)構(gòu)并非是具有更高活性的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，而是已經(jīng)處于穩(wěn)定的狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，且該化合產(chǎn)物是化學(xué)穩(wěn)定性極好的化合物，因此首先從穩(wěn)定性而言，我們選擇的此類材料能夠維持長期的固定狀態(tài)[6]。

與之相比在某些場合中同樣使用較為頻繁的金屬離子抑制劑，雖然這些物質(zhì)由于離子較為活潑在初始階段能夠通過快速而活潑的反應(yīng)實現(xiàn)較為明顯的抑制效果，但是正由于金屬離子的屬性過分活躍因此其不僅能夠通過化學(xué)變化實現(xiàn)菌群抑制，同樣化學(xué)反應(yīng)也會給承載材料造成一些影響，塑料制品的形狀會因此而發(fā)生性狀改變，甚至出現(xiàn)過早老化的情況，一些分子結(jié)構(gòu)較為特殊的塑料，還會與離子結(jié)合，存在形成危害性物質(zhì)的可能。

二氧化鈦并非依賴化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)抑菌功能，而且二氧化鈦性質(zhì)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，該化學(xué)結(jié)構(gòu)屬于內(nèi)部聚合作用較為明顯的穩(wěn)定類型的產(chǎn)物，因此在非特定環(huán)境中不會與周圍的其他物質(zhì)發(fā)生明顯的反應(yīng)。另外我們選擇的兩種物質(zhì)的形態(tài)本身從物理的結(jié)構(gòu)以及化學(xué)結(jié)構(gòu)的維持雙方面考量變化的可能性同樣較小[7]。

對添加材料而言，添加入主材料的輔助性材料能夠維持更好的穩(wěn)定狀態(tài)，不會對主材料的物理以及化學(xué)性狀造成負面的改變是材料選取中重要的參考因素，有鑒于此二氧化鈦在塑料抑制菌群需求中屬于首選的抑菌材料。

5 嵌入金屬離子強化二氧化鈦的抑菌效果

5.1 二氧化鈦嵌入金屬離子的可行性

如上所述我們可知金屬的自由離子在實現(xiàn)初期的抑制效果時表現(xiàn)較好，同時以適當(dāng)?shù)氖侄螌㈦x子的位置和受力固化，防止其過速發(fā)生反應(yīng)的前提下此種離子理論而言能夠在更長的周期中體現(xiàn)抑制效果的增大。

通過對二氧化鈦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分解，我們能夠發(fā)現(xiàn)，諸如使用較多的銀離子在空間層面具備鑲嵌入備選材料分子結(jié)構(gòu)的可行性。另外由于金屬離子自身的能量等級相較結(jié)合較為緊密的化合物而言明顯更低，因此金屬的離子在實現(xiàn)嵌入后不會如同游離狀態(tài)一般快速發(fā)生反應(yīng)并脫離離子形態(tài)，因此鑲嵌有金屬離子的原始材料具備維持較長周期的可行性[8]。

而在實現(xiàn)作用方面，已經(jīng)嵌入其他化合物結(jié)構(gòu)當(dāng)中的金屬離子的作用原理以其原本的作用已經(jīng)存在較大的區(qū)別。由于離子的嵌入，原本結(jié)構(gòu)已經(jīng)較為緊密的材料分子結(jié)構(gòu)的空間空隙得到進一步的縮小，因此電子在躍遷等過程當(dāng)中必須經(jīng)歷的能量層更少，能夠?qū)崿F(xiàn)以更短的速度抵達預(yù)計區(qū)域的效果。因此當(dāng)離子加入時原本材料的起效時間得到了有效的縮短。此外雖然其他以化學(xué)的形式結(jié)構(gòu)的金屬與鈦的化合產(chǎn)物的結(jié)合物同樣具備類似的效果，但是由于作用的空間布局必須，其在結(jié)構(gòu)上往往更為復(fù)雜在空間的控制上效果更差，對某些類別的較小的對象的作用效果并不明顯。

5.2 嵌入金屬離子后抑菌效果提升

從數(shù)據(jù)角度而言，在原始的二氧化鈦中，嵌入離子狀態(tài)的金屬能夠起到更為有效的菌群抑制作用。

如在正常的周期實驗中，原始狀態(tài)下，備選材料的抑制率雖然均能夠達到97%以上，并且大部分能夠保持在99%以上，然而這一結(jié)構(gòu)意味依然存在小部分菌群能夠逃離抗菌材料的抑制作用。但是加入離子狀態(tài)的金屬后，在針對以上檢驗菌群進行周期統(tǒng)計后，得到的數(shù)據(jù)顯示，各類菌群的消殺率均由原本的數(shù)值提升至99.9%以上，從理論上講，此類材料能夠形成完全的抑制消殺作用[9]。

另外在環(huán)境光亮的影響層面，按照我們以上的驗證數(shù)據(jù)我們能夠明確，在紫外光線更高的情況下備選材料的消殺效果更為明顯，但是通過金屬銀離子等的加入我們在驗證中發(fā)現(xiàn)，各類光線中添加材料的抑制利用均得到了較為明顯的提升，在缺乏紫外光源的環(huán)境中新的復(fù)合類型的材料同樣能夠起到有效的抑制效用[10]。

而與含有游離的金屬離子的材料相比，被嵌入的金屬離子對光照的反應(yīng)更小，更不易發(fā)生變異的問題，能夠在更長的時間內(nèi)保持基本屬性。

6 結(jié)語

隨著塑料制品在食品和醫(yī)療等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，其抗菌性能也受到越來越多的重視。納米級二氧化鈦作為一種穩(wěn)定安全的抗菌化合物，以及其所具有光學(xué)抗菌性能，使其成為塑料制品抗菌劑的優(yōu)選品種。該類抗菌劑不僅具有廣譜的抑菌效果，抑制效果極為顯著，而且價格與塑料較為匹配，具備較高的安全維持能力，因此在滿足塑料抑制的需求方面應(yīng)得到優(yōu)先使用。