利用低溫?zé)崽幚砑夹g(shù)制備高效持久抗菌陶瓷磚*

李傳寶 黃佳奇 馬 杰

(新明珠集團(tuán)股份有限公司 廣東 佛山 528000)

隨著生活水平的不斷提高,人們對(duì)生活環(huán)境和各種生活用品的品質(zhì)要求也隨之提高,特別是隨之新技術(shù)新工藝的發(fā)展,使得在一些傳統(tǒng)的商品上,也賦予了一些新的附加功能,如抗菌功能、除甲醛功能和易清潔功能等?？咕δ苁悄壳吧唐饭δ芑矫孀畛晒Φ囊粋€(gè)應(yīng)用方向,應(yīng)用十分地廣泛,如抗菌織物、抗菌皮革、抗菌洗滌劑、抗菌口罩、抗菌塑料制品、抗菌乳膠制品、抗菌衛(wèi)生潔具和抗菌陶瓷等。

在產(chǎn)品上增加抗菌功能,常用的方法是通過(guò)在生產(chǎn)過(guò)程中添加合適的抗菌劑,從而賦予產(chǎn)品優(yōu)異的抗菌性能?？咕鷦┑姆诸?lèi)一般有三種,包括有機(jī)抗菌材料、天然抗菌材料和無(wú)機(jī)抗菌材料。有機(jī)抗菌材料(如乙醇[1]、季銨鹽[2]等)和天然抗菌材料(如殼聚糖[3]等)的特點(diǎn)是殺菌迅速殺菌率高,缺點(diǎn)是耐熱性差、和壽命短等,無(wú)機(jī)抗菌材料(如氧化銀[4]、氧化鋅[5]和二氧化鈦[6]等)的特點(diǎn)是耐高溫和具有抗菌廣譜性等,但是其缺點(diǎn)是成本高、抗菌性能相對(duì)較低,并且有的無(wú)機(jī)抗菌材料需要再特定條件下才能發(fā)揮抗菌功能,如二氧化鈦需要再光照條件下才能釋放活性氧從而起到抗菌的作用。隨著納米技術(shù)的發(fā)展,無(wú)機(jī)抗菌材料的尺寸減小到納米級(jí)別,比表面積大,反應(yīng)活性大大提升,進(jìn)而展現(xiàn)出極高的抗菌性能,這使得無(wú)機(jī)抗菌材料越來(lái)越多的應(yīng)用到各行各業(yè)的抗菌領(lǐng)域當(dāng)中。

在建筑陶瓷領(lǐng)域當(dāng)中,抗菌劑的施加工藝通常有三種。第一種是抗菌劑以涂層的形式涂覆在陶瓷磚表面,這種工藝操作簡(jiǎn)單,但是存在抗菌劑附著力差的缺點(diǎn)。第二種工藝是將抗菌劑加入到釉料當(dāng)中進(jìn)行坯釉共燒的方式,這種工藝可以解決了附著力的問(wèn)題,但與此同時(shí)又易出現(xiàn)抗菌劑被玻璃相包覆難以發(fā)揮抗菌作用的問(wèn)題。第三種工藝是前兩種工藝的復(fù)合,性能方面在一定程度上得到了提升,但是仍然存在工藝復(fù)雜成本高的缺點(diǎn)。

本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)前期在陶瓷表面微孔中引入納米銀線(xiàn)材料,并且獲得了抗菌性能優(yōu)異的抗菌陶瓷[7],但在研究的后期發(fā)現(xiàn),由于防污硅溶膠中納米銀線(xiàn)的濃度太高,隨著時(shí)間的延長(zhǎng)納米銀線(xiàn)在硅溶膠溶液中發(fā)生團(tuán)聚,極易導(dǎo)致蠟水通道堵塞,進(jìn)而導(dǎo)致所獲得的抗菌陶瓷磚抗菌性能不穩(wěn)定,因此,筆者通過(guò)引入新的施加工藝,并結(jié)合低溫?zé)崽幚砑夹g(shù),可以有效解決以上問(wèn)題,最終獲得穩(wěn)定持久高效抗菌的抗菌陶瓷磚。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 抗菌液的制備

抗菌液的主要成分為納米銀線(xiàn)、十二烷基硫酸鈉和水,納米銀線(xiàn)的制備是參考Zhang X 等[8]人報(bào)道的多元醇法并增加助劑制備獲得,其他化學(xué)試劑均為外購(gòu)。納米銀線(xiàn)與十二烷基硫酸鈉的質(zhì)量比為10∶1,其中納米銀線(xiàn)的固含量為0.2 mg/m L。

1.2 持久高效抗菌陶瓷磚的制備

(1)取精拋后的陶瓷磚備用;

(2)在精拋后的陶瓷磚表面均勻施加1.1配置的抗菌液,將所述抗菌液以30 g/m2的用量和600 rpm/min的速度均勻旋涂在精拋后的陶瓷磚表面,以6臺(tái)旋涂裝置連續(xù)施加;

(3)將步驟(2)完成的陶瓷磚傳送到溫度設(shè)定為180℃的加熱箱組中進(jìn)行熱處理,停留時(shí)間為10 s。

(4)將步驟(3)完成的陶瓷磚進(jìn)行后續(xù)的常規(guī)后處理工藝(打蠟和磨切邊等操作),制得抗菌陶瓷巖板Z。

1.3 研究不同低溫處理溫度對(duì)抗菌陶瓷磚抗菌性能的影響

將2.2中步驟(3)的低溫?zé)崽幚頊囟纫来握{(diào)整為120℃、160℃和240℃,并分別進(jìn)行試驗(yàn)獲得抗菌陶瓷磚Z1、Z2和Z3。

1.4 耐擦洗試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證新方案成品的耐久性能,設(shè)計(jì)耐擦洗方案如下:在多功能耐擦洗儀(型號(hào):BGD528)上,以5%的洗潔精溶液為洗滌劑,用海綿磨頭來(lái)回往復(fù)擦洗,總次數(shù)控制為10萬(wàn)次,之后測(cè)試其抗菌性能。

1.5 測(cè)試表征

通過(guò)光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)觀察制備的銀納米線(xiàn)形貌及觀察納米銀線(xiàn)形貌隨不同溫度處理后表面形貌的變化,根據(jù)JC/T 897-2014 抗菌陶瓷制品抗菌性能的試驗(yàn)方法完成抗菌性能測(cè)試,驗(yàn)證所制備抗菌陶瓷磚的抗菌效果。本文抗菌性能和抗菌耐久性能測(cè)試委托第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)測(cè)試,檢測(cè)結(jié)果為佛山海關(guān)綜合技術(shù)中心提供。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米銀線(xiàn)的表面形貌照片

圖1為所制備納米銀線(xiàn)的掃描電子顯微鏡照片(a)和光學(xué)顯微鏡照片(b),掃描電子顯微鏡照片顯示。其所制備的納米銀線(xiàn)平均線(xiàn)徑為30 nm,光學(xué)顯微鏡的照片顯示,所制備的納米銀線(xiàn)平均線(xiàn)長(zhǎng)為11μm,這組照片說(shuō)明通過(guò)多元醇法成功制備了尺寸均勻的納米銀線(xiàn)。

圖1 納米銀線(xiàn)掃描電子顯微鏡照片(a)和納米銀線(xiàn)光學(xué)顯微鏡照片(b)

2.2 納米銀線(xiàn)低溫?zé)崽幚砗蠊鈱W(xué)顯微照片

將本項(xiàng)目用平均線(xiàn)徑30 nm 的納米銀線(xiàn)分別涂覆 在 六 塊 載 玻 片 表 面,分 別 在80 ℃、120 ℃、160 ℃、180℃、220℃和240℃不同的溫度下對(duì)其進(jìn)行10 s熱處理,并用光學(xué)顯微鏡觀察低溫?zé)崽幚砗蟮募{米銀線(xiàn)光學(xué)顯微照片。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果:圖2 為本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的光學(xué)顯微照片?？刂频蜏?zé)崽幚頃r(shí)間為10 s時(shí),納米銀線(xiàn)在180℃以前不會(huì)發(fā)生明顯軟化收縮現(xiàn)象,而在220℃后將出現(xiàn)明顯熔斷現(xiàn)象,說(shuō)明≤180℃可以確保納米銀線(xiàn)不發(fā)生受熱熔斷現(xiàn)象。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果為低溫?zé)崽幚泶偈辜{米銀線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在陶瓷板材微孔中穩(wěn)定填充提供實(shí)驗(yàn)支撐。①受熱軟化后的納米銀線(xiàn)在微孔中填充更加緊湊,利于其牢固填充;②部分熔斷后納米銀線(xiàn)比表面積更大,反應(yīng)活性更高,抗菌性能會(huì)進(jìn)一步提高。

圖2 納米銀線(xiàn)低溫?zé)崽幚砉鈱W(xué)顯微照片(標(biāo)尺25μm)

2.3 不同溫度下抗菌陶瓷磚抗菌性能對(duì)比

表1結(jié)果顯示,不高于180℃低溫?zé)崽幚砗笏苽涞目咕沾纱u的抗菌性能均可以達(dá)到99%以上,120℃低溫?zé)崽幚砗笏苽涞目咕沾纱u對(duì)大腸埃希氏菌的抗菌耐久性能低于85%,說(shuō)明該溫度處理的納米銀線(xiàn)不能特別穩(wěn)定地固定在陶瓷磚表面微孔中;160～180℃溫度段低溫?zé)崽幚砗笏苽涞目咕沾纱u的抗菌性能及抗菌耐久性能滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 897-2014抗菌陶瓷制品抗菌性能,說(shuō)明該熱處理溫度區(qū)間的溫度可以用于納米銀線(xiàn)在陶瓷表面微孔中固定,并且最合適的熱處理溫度在180℃左右;熱處理溫度達(dá)240℃后,所制備的抗菌陶瓷磚的抗菌性能及抗菌耐久性能數(shù)據(jù)不足35%,說(shuō)明熱處理溫度太高后,納米銀線(xiàn)全部發(fā)生熔斷。一方面,顆粒狀新形貌不利于其穩(wěn)定固定在陶瓷表面微孔中;另一方面收縮后的銀材料尺寸可能超過(guò)100 nm 級(jí)別,抗菌活性下降,因此發(fā)揮不了高效抗菌的作用。

表1 陶瓷巖板的抗菌性能和抗菌耐久性能檢測(cè)

2.4 耐擦洗試驗(yàn)

結(jié)果如表2所示,數(shù)據(jù)顯示,180℃低溫?zé)崽幚硐轮苽涞目咕沾纱u在經(jīng)過(guò)10萬(wàn)次擦洗以后,其抗菌性能仍能達(dá)到99.9%以上,進(jìn)一步表明采用該工藝獲得的抗菌陶瓷磚的抗菌性能高效持久。

表2 擦洗十萬(wàn)次后抗菌陶瓷板材抗菌性能測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

筆者通過(guò)低溫?zé)崽幚砑夹g(shù),成功制備了對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸埃希氏菌的抗菌性能和抗菌耐久性能均達(dá)99.99%的抗菌陶瓷,并且經(jīng)過(guò)耐擦洗試驗(yàn),進(jìn)一步證明了該工藝所制備的抗菌陶瓷磚具有持久高效抗菌的特點(diǎn),而最佳低溫?zé)崽幚頊囟葹?80℃左右。