GO/Cu2O硅烷復(fù)合涂層對水泥基材料微生物污損防護效果的研究

張 浩，李紹純，劉 昂，劉彥岑，段玉瑩

（青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033）

0 引言

在海洋和污水等富含微生物的環(huán)境中，混凝土結(jié)構(gòu)不僅會受到常規(guī)的物理和化學(xué)因素破壞，還會遭受嚴重的微生物腐蝕破壞［1］。微生物容易在混凝土表面附著、生長，造成污損。此外，微生物代謝產(chǎn)生的生物酸會分解混凝土中的水化產(chǎn)物，生成膨脹性的石膏和鈣礬石，從而導(dǎo)致混凝土表層損傷、脫落，甚至引起開裂和鋼筋銹蝕，對混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成極大的威脅［2］。

為了應(yīng)對混凝土微生物腐蝕，當今主流的保護措施包括表面涂層保護、生物滅殺技術(shù)以及混凝土改性處理，其中表面涂層保護是最簡單有效的方法之一［3］。硅烷是一種新型的混凝土涂層材料，可以在混凝土表面形成滲透性防護涂層，通過其低表面能和高疏水性的特點來抑制微生物附著［4］。此外，硅烷涂層具有較強的抗化學(xué)侵蝕能力，能夠在惡劣的海洋環(huán)境中長期使用。

為了提高涂層對微生物腐蝕的防護效果，可以采用在涂層中添加殺菌劑的方法，將涂層保護與生物滅殺技術(shù)聯(lián)合使用。氧化亞銅（Cu2O）作為一種經(jīng)典的殺菌材料，具有高效、廉價、廣譜的優(yōu)點［5］。然而，Cu2O作為涂層殺菌劑時容易出現(xiàn)團聚、沉淀等問題，導(dǎo)致其抑菌能力減弱，防污作用失效。為了克服這些問題，可以采用氧化石墨烯（GO）作為載體與Cu2O結(jié)合，以提高Cu2O的分散性和穩(wěn)定性，從而更好地發(fā)揮出Cu2O的抗菌性能和防污效果［6］。

本研究采用異丁基三乙氧基硅烷（IBTS）作為疏水涂層，分別以納米Cu2O和氧化石墨烯/氧化亞銅復(fù)合物（GO/Cu2O）作為抑菌劑，研制出復(fù)合型硅烷防污涂層。通過芽孢桿菌菌液浸漬試驗?zāi)M微生物對砂漿的附著，研究復(fù)合涂層的防污效果和砂漿表面生物膜的生長規(guī)律，以期為我國混凝土微生物腐蝕防護工作提供參考與幫助。

1 試驗部分

1.1 材料準備

1.1.1 Cu2O、GO/Cu2O的制備

以硫酸銅作為銅源，聚乙二醇2000（PEG 2000）作為表面活性劑，抗壞血酸作為還原劑，采用化學(xué)沉淀法制備Cu2O和GO/Cu2O。在制備Cu2O時，首先將PEG 2000加入硫酸銅溶液中，充分攪拌，然后加入氫氧化鈉和抗壞血酸，在50 ℃水浴條件下磁力攪拌2 h。反應(yīng)完成后，通過過濾、洗滌、干燥，得到淡黃色的Cu2O微粒。在制備GO/Cu2O時，先將GO分散液與硫酸銅溶液混合，超聲30 min，后續(xù)步驟與Cu2O的制備步驟相同，最后得到黑褐色的GO/Cu2O微粒。

1.1.2 乳液的制備

以IBTS作為硅烷單體，司盤80（Span 80）和平平加O（PPG O）作為乳化劑，PEG 2000作為分散劑，采用溶膠-凝膠法制備硅烷乳液。本試驗共制備3種乳液，包括IBTS硅烷乳液（S）、Cu2O/IBTS硅烷乳液（CS）、GO/Cu2O/IBTS硅烷乳液（CGS）。乳液的合成過程如圖1所示，首先用均質(zhì)機分別制備出水相（去離子水、PPG O）和油相（IBTS、Span 80、PEG 2000）。然后，在三口燒瓶中將水相逐滴加入的油相中，恒溫恒速攪拌5 h后得到S。在制備CS和CGS時，分別以Cu2O和GO/Cu2O作為外加劑加入水相中，其余步驟與S的制備過程相同。

1.1.3 試塊的制備

制備砂漿試塊所用水泥為P·O 42.5硅酸鹽水泥，細集料為ISO標準砂，配比為m（水泥）∶m（砂）∶m（水）=1∶3∶0.5，模具尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。試塊制備成型后，置于標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護28 d（溫度為21 ℃、相對濕度大于95 %）。養(yǎng)護完成后將試塊切割為40 mm×40 mm×5 mm的薄片，并將表面打磨平整，最后涂覆涂層。

1.1.4 細菌的培養(yǎng)

微生物菌種為大洋芽孢桿菌、類芽孢桿菌混合菌種。采用LB培養(yǎng)基（胰蛋白胨10.0 g/L、酵母浸粉5.0 g/L、氯化鈉10.0 g/L），pH為7.2±0.2。將菌種放入恒溫搖床培養(yǎng)箱中培養(yǎng)（溫度30 ℃，搖晃速度150 r/min）。

1.2 測試方法

1.2.1 Cu2O、GO/Cu2O、硅烷復(fù)合乳液的表征

Cu2O、GO/Cu2O的結(jié)構(gòu)和組成使用D8 Advance型X射線衍射儀（XRD）測定；微粒的形貌使用JEM-1200EX型透射電子顯微鏡（TEM）測定；GO/Cu2O的熱重分析（TGA）使用TG209F3型熱重分析儀測定；硅烷乳液的官能團種類（FTIR）使用TENSOR型紅外光譜儀測定；涂層的接觸角使用SL150型靜態(tài)接觸角測量儀測定，選擇試塊的不同位置測量3次，測試結(jié)果取平均值。

1.2.2 生物膜的掃描電鏡（SEM）和激光共聚焦掃描顯微鏡（CLSM）分析

首先將分別涂覆S、CS、CGS、Cu2O分散液（CW）的試塊及空白對照組分別放入250 mL的芽孢桿菌菌液中。將浸漬14 d后的試塊取出，切割成5 mm×5 mm×5 mm的正方體。然后，將試塊進行固化、洗滌、晾干、噴金處理，使用SU8010型掃描電鏡觀察試塊表面微觀形貌。接著，對樣品進行熒光染色，使用FV1200型激光共聚焦掃描顯微鏡對試塊表面的細胞進行成像。在CLSM圖像中，活細胞呈現(xiàn)綠色斑點，死細胞呈現(xiàn)紅色斑點。

1.2.3 試塊表面細菌附著數(shù)量

將涂覆S、CS、CGS、CW的試塊及空白對照組分別放入250 mL的芽孢桿菌菌液中，進行為期1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d的菌液浸漬試驗。試塊從菌液中取出后，用磷酸鹽（PBS）緩沖液沖洗3次，然后浸泡在10 mL的PBS緩沖液中，超聲清洗20 min，超聲清洗會使試塊表面附著的細菌脫落到PBS緩沖液中。最后，將PBS緩沖液稀釋，用平板菌落計數(shù)法統(tǒng)計稀釋液中的菌落數(shù)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 Cu2O、GO/Cu2O、硅烷乳液的表征分析

2.1.1 Cu2O、GO/Cu2O表征分析

圖2為GO、Cu2O、GO/Cu2O的XRD譜圖。

圖2 GO、Cu2O、GO/Cu2O的XRD分析Figure 2 XRD analysis of GO，Cu2O and GO/Cu2O

由圖2可見，Cu2O的衍射峰與標準Cu2O譜圖（JCPDS No.05-0667）很好地吻合，并未出現(xiàn)屬于銅或氫氧化銅的峰值，這表明Cu2O純度很高，產(chǎn)物中雜質(zhì)較少。GO/Cu2O與Cu2O的峰值基本相同，這表明Cu2O與GO結(jié)合后晶體結(jié)構(gòu)基本保持原樣。GO在11°處有一個明顯的特征衍射峰，但在GO/Cu2O中，這個特征峰消失了。這是因為在制備GO/Cu2O時，超聲處理會使GO分散和剝離。在剝離過程中GO可能會發(fā)生晶格常數(shù)、晶格結(jié)構(gòu)的變化，剝離后的GO層疊狀態(tài)破壞、層數(shù)減少，這都會導(dǎo)致GO的XRD信號變?nèi)趸蛳В?］。并且，在Cu2O與GO的結(jié)合過程中，Cu2O微粒會向GO薄片之間的層間遷移，阻止了GO薄片的再堆積，使其處于剝離狀態(tài)。處于剝離狀態(tài)的GO具有更大的比表面積，能夠承載更多的Cu2O。

圖3為GO/Cu2O的TGA圖譜。

圖3 GO/Cu2O的TGA分析Figure 3 TGA analysis of GO/Cu2O

由圖3可見，GO/Cu2O的失重率為9.133 %，其在150～300 ℃內(nèi)的質(zhì)量下降速度最快。GO/Cu2O的失重主要是含氧官能團（如羥基、羧基）加熱裂解導(dǎo)致，而這些含氧官能團主要來自其中的GO。這表明在GO/Cu2O的合成過程中，僅有部分GO被抗壞血酸還原，仍能保留大量的含氧官能團。

圖4為Cu2O、GO/Cu2O的TEM圖。

圖4 TEM圖Figure 4 TEM images

由圖4a可見，Cu2O顆粒呈多面體結(jié)構(gòu)，粒徑為30～50 nm。由圖4b可見，Cu2O顆粒緊密地附著在GO表面，基本沒有出現(xiàn)團聚。GO薄片呈獨立的單層結(jié)構(gòu)，這表明GO已被很好地剝離，這與XRD的分析得出的結(jié)果相一致。

2.1.2 硅烷乳液的表征分析

圖5為硅烷乳液的FTIR分析。

圖5 硅烷乳液的FTIR分析Figure 5 FTIR analysis of silane emulsion

由圖5可見，650 cm-1屬于Cu（I）—O的伸縮振動峰，1 090 cm-1屬于Si—O—C的伸縮振動峰，1 630 cm-1屬于C=O的伸縮振動峰，3 380 cm-1屬于—OH的伸縮振動峰［8-9］。CGS在1 090 cm-1和1 630 cm-1處的峰值強度均高于S和CS，而在3 380 cm-1處的峰值均低于S和CS。這表明，CGS中Si—O—C和C=O的含量最多，而—OH含量最少。根據(jù)GO與硅烷的結(jié)合機理可知，兩者主要是通過GO攜帶的含氧官能團與硅烷分子中的—OH脫水縮合形成共價鍵連接［8］。因此，在CGS中除了硅烷分子自身的Si—O—C外，GO也以Si—O—C的形式與硅烷分子連接，這會導(dǎo)致Si—O—C的數(shù)量增加。同時，CGS中的GO含有大量的含氧官能團，這會導(dǎo)致C=O的數(shù)量增多。乳液中的—OH主要來自于硅烷分子，而在CGS中，GO與硅烷分子進行脫水縮合，會消耗大量的—OH，這會導(dǎo)致—OH的數(shù)量減少。

在CS和CGS的紅外光譜圖中都有屬于Cu（I）—O的峰，這表明了兩種復(fù)合乳液中都存在Cu2O。在CS的合成過程中，硅烷分子可以與Cu2O中的—OH反應(yīng)形成Si—O—Cu，這會導(dǎo)致乳液中Si—O—C含量降低［10］。然而，CS與S的Si—O—C峰值相似，這說明Cu2O中的—OH含量有限，Cu2O與硅烷分子以Si—O—Cu結(jié)合的形式相對較少，主要通過靜電相互作用力和范德華力結(jié)合。相比之下，在CGS中的Cu2O負載在GO表面，通過GO與硅烷分子間接結(jié)合。

2.2 涂層對砂漿表面生物膜的影響

生物膜是微生物生存的主要場所。在水泥基材料表面，微生物通過形成生物膜來適應(yīng)環(huán)境變化，維持生長和繁殖［11］。通過觀察砂漿表面生物膜的狀態(tài)，可以判斷微生物的污損情況，同時有助于研究涂層的防護效果。圖6為在菌液中浸泡14 d后試塊表面的形貌。

圖6 在菌液中浸泡14 d后試塊表面的形貌Figure 6 Surface morphology images of sample blocks after soaking in bacteria solution for 14 days

由圖6a可見，可以觀察到對照組試塊表面布滿了白色的絮狀物質(zhì)，這是由芽孢桿菌附著形成的生物膜。而在圖6b和圖6c中，也能夠觀察到在試塊表面有薄薄的一層生物膜，但是在圖6d和圖6e中，試塊表面上的生物膜并不明顯。這表明，涂覆涂層均能抑制生物膜的生長，從而保護試塊免受微生物污染。在涂層中，具有疏水性能和抑菌性能的CS和CGS保護效果最好。

圖7為試塊表面生物膜的SEM圖，放大倍數(shù)為10K倍。在圖7a對照組中，試塊表面已經(jīng)形成了較為成熟的生物膜，生物膜的表面結(jié)構(gòu)并不是均勻、平整的，而是呈現(xiàn)出層疊狀態(tài)，生物膜上還存在有明顯的孔洞，這些孔洞被認為是底物和營養(yǎng)物進入生物膜的通道［12］。在圖7b和圖7c中，試塊表面的生物膜處于生長期，生物膜以絲狀菌為骨架，通過絮狀的胞外聚合物交聯(lián)在一起。在圖7c中，還可以觀察到有菌體裂解的現(xiàn)象，根據(jù)Cu2O的抑菌原理可以得知，這是由于Cu2O引起了生物膜的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，從而破壞生物膜的完整性，導(dǎo)致細胞內(nèi)容物的泄露和細胞死亡［13］。而在圖7d和圖7e中，沒有明顯的生物膜結(jié)構(gòu)存在，只能看到一些散落分布的細菌。同時，依然能觀察到IBTS與砂漿構(gòu)建的疏水涂層，這種涂層呈連續(xù)多孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖7 試塊表面生物膜的SEM圖Figure 7 SEM images of biofilms on the surface of sample blocks

圖8為接觸角示意圖。

圖8 接觸角示意圖Figure 8 Schematic diagrams of contact angles

由圖8b、圖8d和圖8e可見，S、CS和CGS的接觸角分別為104.76°、101.22°、112.76°，這能說明3種硅烷涂層均具有良好的疏水性能。硅烷涂層對細菌附著的影響有以下幾方面：第一，硅烷會與砂漿中的羥基反應(yīng)，形成一個由硅氧烷鏈構(gòu)成的疏水層。這種疏水層限制了菌液在砂漿表面的接觸和浸入，從而抑制細菌的定植；第二，根據(jù)巴克斯特模型（Cassie-Baxter模型），涂層中粗糙的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會在內(nèi)部形成許多微小的孔隙，這些孔隙可以形成“氣穴”［14］。當涂層表面浸入液體中時，液體會填充這些氣穴，并在液體和涂層表面之間形成一個微小的空氣層。這種空氣層會減少菌液和涂層的接觸面，從而降低微生物的粘附；第三，硅烷涂層的Si—O—Si骨架的表面能較低，這使得與其接觸的生物分子（如蛋白質(zhì)、細胞膜等）難以發(fā)生相互作用。同時，微生物在這種低表面能的表面上的粘附能力也會降低，這意味著微生物不容易在表面上形成聚集體，也不容易沿表面擴散生長［15］；第四，硅氧化物表面的化學(xué)性質(zhì)也具有一定的惰性，不容易與生物分子發(fā)生反應(yīng)，這也降低了微生物在表面附著的可能性［16］。

圖9為試塊表面生物膜的CLSM圖。由圖9可見，具有疏水性質(zhì)的S、CS、CGS表面細菌較為分散，而親水性質(zhì)的對照組和CW表面細菌較為聚集，并且CW的細菌聚集狀態(tài)較對照組更為明顯。這是因為在Cu2O的影響下，細菌更傾向于生成群落抵御殺菌物質(zhì)的侵害［17］。然而，在CS和CGS中沒有出現(xiàn)明顯的細菌群落，這說明硅烷涂層可以有效限制細菌的聚集，從而增強Cu2O的殺菌效果。

圖9 試塊表面生物膜的CLSM圖Figure 9 CLSM images of biofilms on the surface of sample blocks

圖10為CLSM圖中活細胞和死細胞的粘附面積占比。由圖10可見，在CW中活細胞的數(shù)量是死細胞的1.35倍，而在CS和CGS中，活細胞的數(shù)量分別是死細胞的2.16倍和2.18倍。這表明，在CS和CGS中，涂層不僅殺死了細胞，還使死亡細胞從表面脫離，從而導(dǎo)致活細胞和死細胞的比值升高。在生物膜中，死亡的細胞可以作為生長基質(zhì)為周圍細胞提供養(yǎng)分，從而促進生物膜的生長［18］。然而，死亡后的細胞會失去其原有的生命活力和細胞膜完整性，通常表現(xiàn)出較低的表面張力和粘附能力［19］。在疏水涂層中，這些失去了粘附能力的死亡細胞很容易從表面分離或剝落，因此疏水涂層具有一定的自清潔能力，可以有效減緩生物膜的生成。

圖10 表面活細胞和死細胞的粘附面積占比Figure 10 Percentage of adhesion area between live cells and dead cells on the surface

2.3 涂層對砂漿表面細菌附著的影響

圖11為砂漿表面細菌生長曲線。

圖11 砂漿表面細菌生長曲線Figure 11 Growth cruves of bacteria on the surface of mortar

由圖11可見，對照組中的細菌數(shù)量在1～14 d內(nèi)呈指數(shù)增長，隨后在14～21 d內(nèi)細菌數(shù)量增長速度放緩，呈對數(shù)增長。到21 d左右時，細菌數(shù)量逐漸趨于穩(wěn)定，砂漿表面細菌達到了動態(tài)平衡狀態(tài)。與對照組相比，涂覆涂層的各組細菌數(shù)量都有不同程度的減少，這表明涂層對細菌附著均具有抑制作用。S和CW對細菌的抑制作用在早期較為顯著，但隨著浸泡時間的增加，抑制作用逐漸減弱。S和CW的防護效果衰減的原因是不同的。對于S而言，隨著表面生物膜的生成，硅烷涂層的疏水性能降低，涂層抑制微生物附著的能力也不再顯著。對于CW而言，涂層中Cu2O的流失導(dǎo)致抑菌性能的減弱。

CS和CGS對微生物附著都具有較好的抑制作用，其中CGS的效果更好。產(chǎn)生這種差異的原因有幾個方面：第一，CGS中的Cu2O負載在GO表面后具有更好的分散性，這限制了Cu2O的團聚，使得Cu2O殺菌效果提高；第二，根據(jù)復(fù)合乳液的FTIR分析可知，CS中的Cu2O主要以范德華力和靜電作用與硅烷分子結(jié)合，而CGS中的Cu2O是在GO表面原位生成，通過電子偶合作用吸附，并以GO為載體與硅烷分子成鍵結(jié)合［20-21］。因此，CGS中Cu2O的穩(wěn)定性更高，表現(xiàn)出更為持久的抑菌效果。另外，CGS比CS的接觸角更大，這是因為添加了GO的硅烷涂層具有更好的疏水性［8］。

2.4 復(fù)合涂層的作用機理

圖12為CS、CGS抑菌疏水涂層的作用機理。

圖12 復(fù)合涂層防污機理Figure 12 Antifouling mechanism of the composite coating

由圖12可見，首先，IBTS的疏水效果可以阻止外界中細菌與有機物的附著，從而抑制生物膜的生長。其次，當細菌附著在涂層表面時，涂層中的Cu2O能夠滅殺這些細菌。同時，死亡的細菌在疏水表面上很容易被水流沖走，從而減緩細菌在涂層表面的沉積，使得涂層具備自清潔能力。此外，疏水涂層還可以產(chǎn)生分散效應(yīng)，防止細菌的聚集，這可以進一步提升Cu2O的殺菌效果?？偟膩碚f，IBTS的疏水效果和Cu2O的殺菌效果相互協(xié)作，能夠更加有效地抑制細菌在涂層表面的附著和生長。

3 結(jié)語

（1） Cu2O與GO結(jié)合后，不僅可以阻止Cu2O的團聚，而且還可以阻止GO薄片的層疊堆積，這會使兩者的比表面積增大，性能提高。

（2） 在CS中，Cu2O主要以靜電相互作用力和范德華力與硅烷分子結(jié)合。在CGS中，Cu2O是通過負載在GO表面，由GO與硅烷分子形成共價鍵，從而間接與硅烷分子結(jié)合，這種結(jié)合形式更為穩(wěn)定。

（3） CS和CGS中的抑菌性和疏水性在微生物防護方面具有協(xié)同效果，兩種復(fù)合涂層的防護效果要好于單一屬性的S和CW。

（4） CGS比CS防護效果更好，這得益于GO提高了CGS的疏水性能，以及GO/Cu2O帶來的更為高效和持久的抑菌性能。