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塑料 | 橡膠 | 纖維 | 復(fù)合材料 | 涂料、油墨及膠粘劑 | 天然高分子 | 新產(chǎn)業(yè) | 標(biāo)準(zhǔn) | 技術(shù)項(xiàng)目 | 返回首頁 |
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摘要 : 抗菌涂料是涂料發(fā)展方向之一 , 本文對(duì)涂料所用三種類型抗菌劑進(jìn)行介紹 , 并對(duì)其抗菌機(jī)理進(jìn)行概述 , 期望促進(jìn)涂料業(yè)發(fā)展 , 更好的滿足人民生活需要。
關(guān)鍵詞 : 抗菌劑 涂料 抗菌機(jī)理
隨著人們對(duì)功能保健性和環(huán)境安全性要求的提高 , 開發(fā)具有抗菌功能的涂料或油漆是涂料工業(yè)發(fā)展方向之一 [ 1 ] 。以前人們將其定義為防霉殺菌涂料 , 現(xiàn)在則常用抗菌涂料來稱謂?？咕苛匣蛴推崾侵冈谟推?、涂料中加入抗菌劑 , 使涂料、油漆具有抗菌性能。使用抗菌涂料 , 當(dāng)用于家庭時(shí) , 可以有效降低居室、家具表面、家用電器的細(xì)菌密度 ; 當(dāng)用于公共場(chǎng)合時(shí) , 可以降低公共場(chǎng)所如公共汽車的把手、候車室座椅的細(xì)菌濃度 , 降低交叉感染和接觸感染的可能性 ; 當(dāng)用于食品加工廠、藥品生產(chǎn)車間時(shí) , 可以防止食品或藥品受微生物污染的可能性 , 提高產(chǎn)品質(zhì)量。
抗菌涂料的研究重點(diǎn)是新型抗菌劑的研制、抗菌劑與各種涂料的相容性及相應(yīng)涂裝技術(shù)的開發(fā)。其中抗菌劑的研究成果保密 , 大多申請(qǐng)專利。本文對(duì)一般使用的抗菌劑 ( 天然抗菌劑、有機(jī)抗菌劑和無機(jī)抗菌劑 ) 及其抗菌機(jī)理進(jìn)行介紹 , 期望促進(jìn)涂料業(yè)發(fā)展 , 更好的滿足人民生活需要。
1 有機(jī)抗菌劑
有機(jī)抗菌劑的開發(fā)已有 30 多年的歷史 , 在醫(yī)療領(lǐng)域及各工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前歐美等國家主要使用的是有機(jī)抗菌劑 , 主要有異噻唑啉酮類、苯并異噻唑啉酮類、甲醛釋放劑、有機(jī)胺類、哌三嗪類等幾種。有機(jī)抗菌劑雖然具有抗變色能力強(qiáng)的特點(diǎn) , 但往往存在耐熱性差、易分解和使用壽命短等缺點(diǎn) , 更有甚者有的還有毒副作用 , 某些單體甚至有致癌作用。
1935 年 Domagk 發(fā)現(xiàn)氯化芐叉毒芹具有很強(qiáng)的殺死微生物特性 , 由此開辟了表面活性劑用作抗菌劑的新領(lǐng)域。目前廣泛研究和使用的有機(jī)表面活性 抗菌劑是含氮陽離子化合物 , 如季銨钅翁鹽、吡啶钅翁鹽、咪唑钅翁鹽、異奎啉钅翁鹽等含氮雜環(huán)的钅翁鹽。而新近的研究結(jié)果表明 , 季磷鹽較季銨鹽具有更佳的抗菌活性 [ 2 ] 。由于小分子存在毒性 , 目前人們正通過將抗菌劑單體化合物聚合或?qū)⒖咕鷦┓肿庸潭ㄔ诟叻肿虞d體上制成聚合物抗菌劑 , 尤其是水不溶性聚合物抗菌劑。
1 . 1 含氮及其聚合物抗菌劑的抗菌性
在含氮陽離子表面活性劑抗菌劑中 , 季銨鹽型抗菌劑已被廣泛應(yīng)用 , 目前國際上已開發(fā)出 4 代典型季銨鹽型抗菌劑。近年來的研究重點(diǎn)是一方面用它與其它抗菌協(xié)同復(fù)配來提高其抗菌力 , 如與氧化型抗菌劑 ClO 2 、 H 2 O 2 、次氯酸鹽復(fù)配或季銨鹽之間的復(fù)配 ; 另一方面是利用已知的定量結(jié)構(gòu)關(guān)系 (QSAR) 、溶血性研究及雙分子膜抗菌機(jī)制的指導(dǎo)作用 , 設(shè)計(jì)合成新的抗菌劑化合物。
由于小分子的毒性問題 , 聚氮陽離子型抗菌劑的開發(fā)是當(dāng)前研究熱點(diǎn) , 其中不溶性聚氮陽離子型抗菌劑已引起人們的普遍關(guān)注。不溶性聚氮陽離子型抗菌劑抗菌性好 , 并具有緩釋、長(zhǎng)效、低毒安全等特點(diǎn) [ 3 ] 。從合成線路上看 , 一種采用聚合單體連接抗菌活性官能團(tuán)后再聚合的方法 , 這種方法比較復(fù)雜 , 對(duì)合成原料的要求較高 ; 另一種可以采用先單體聚合再掛上抗菌活性官能團(tuán)的方法。
1 . 2 含磷及其聚合物抗菌劑的抗菌性
1990 年 Gramham 指出 , 季磷鹽是抗菌劑研究的發(fā)展方向之一 [ 4 ] 。這類化合物與季銨鹽具有相似的結(jié)構(gòu) , 只是用磷陽離子代替氮陽離子。早期的季磷鹽主要是帶有三苯基磷結(jié)構(gòu) , 以顯示出良好的抗菌性 , 而近年來 Akihiko 等研究發(fā)現(xiàn)帶有長(zhǎng)烷基鏈的季磷鹽具有更佳的抗菌性能 [ 5 ] 。同時(shí) Akihiko 也進(jìn)行 了聚磷陽離子型抗菌劑的研究 , 并已合成出五種聚季磷鹽 , 證明了聚季磷鹽較聚季銨鹽有更佳的抗菌性 [ 6 ] 。這類聚合物緩釋、長(zhǎng)效性突出 , 但有一定水溶性 , 而且合成原料受限 , 故需進(jìn)行更多的研究和探討。
水溶性小分子和高分子抗菌劑往往存在毒性和余毒問題 , 為了改善有機(jī)抗菌劑的性能 , 降低其對(duì)環(huán)境、人畜的刺激和毒害 , 研制具有緩釋、長(zhǎng)效、高效、低毒安全特性的抗菌劑是今后有機(jī)抗菌劑的研究和發(fā)展重點(diǎn)。
2 無機(jī)抗菌劑
2 . 1 無機(jī)抗菌劑分類無機(jī)抗菌劑可分為兩大類 , 一類是無機(jī)化合物中含有抗菌性離子 , 如銀、銅、鋅等金屬離子。引入抗菌離子的方法有離子交換法、熔融法和吸附法等。另一類是以 TiO 2 為代表的光催化類抗菌劑 , 此類抗菌劑耐熱性較一般無機(jī)抗菌劑高 , 但必須有紫外線照射、氧氣或水的存在才能起到殺菌作用。無機(jī)抗菌劑具有無機(jī)材料所固有的高穩(wěn)定性、優(yōu)異的抗菌性 , 安全性高 , 已成為抗菌劑研究的主流 [ 7 ] 。
由于一些具有抗菌能力的金屬離子具有毒性或成本過高 , 目前廣泛采用的抗菌離子僅限于銀、鋅兩種。以 Zn 2 + 、 Cu 2 + 、 Ag + 為例 , 其對(duì)人體毒性為 : Zn 2 + > Cu 2 + > Ag + ; 對(duì)病菌致死能力為 Ag + > Cu 2 + > Zn 2 + ; 其制成沸石型抗菌劑對(duì)各種病菌的抑制能力如表 1 [ 8 ] 。
表 1 沸石載體抗菌劑最低抑菌濃度 (MIC) 比較
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金屬離子含量 |
Ag -Zeolite (2. 5 %wt) |
Zn -Zeolite (10 %wt) |
Cu -Zeolite (10 %wt) |
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大腸桿菌 |
62. 5 |
> 2000 |
> 2000 |
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綠膿桿菌 |
62. 5 |
> 2000 |
> 2000 |
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金黃色葡萄球菌 |
125 |
> 2000 |
> 2000 |
由表 1 看出 , 銀離子的抗菌能力最強(qiáng) , 單從抗菌能力看其是無機(jī)抗菌劑的最佳選擇。
2 . 2 無機(jī)抗菌劑的抗菌機(jī)理
無機(jī)抗菌劑根據(jù)抗菌劑類型的不同主要有兩種抗菌機(jī)理。其一是金屬離子溶出型 , 即在抗菌劑使用過程中 , 逐漸溶出的金屬離子與微生物體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸中存在的巰基 ( -SH) 、氨基 ( -NH 2 ) 等含硫、氨的官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng) , 破壞了細(xì)胞膜或細(xì)胞原生質(zhì)中酶的活性 , 從而具有抗菌能力 , 另一種原理是氧化型 , 即抗菌劑在水或空氣中自行分解出自由電子 (e -) 和空穴 (h +) , 由空穴激活空氣中的氧產(chǎn)生活性氧和 OH , 其與微生物體內(nèi)多種有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng) , 破壞細(xì)菌結(jié)構(gòu) , 達(dá)到抗菌效果 [ 9 ] 。 2 . 3 應(yīng)用無機(jī)抗菌劑存在的問題 與有機(jī)抗菌劑相比 , 無機(jī)抗菌劑在安全性、持久性、光譜抗菌型、耐熱性等方面都存在優(yōu)勢(shì) , 故其應(yīng)用和研究越來越受到人們的重視。 1999 年日本無機(jī)抗菌劑的產(chǎn)量為 450 噸 , 產(chǎn)值已達(dá) 60 億日元 , 無機(jī)抗菌劑的生產(chǎn)廠家已達(dá) 100 家以上。據(jù)報(bào)道 , 工程塑料國家工程研究中心研制的無機(jī)抗菌劑添加 1 % ～ 1. 5 % 到涂料中去 , 可以使涂料對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等病菌的抑菌率達(dá) 99 % 以上 , 同時(shí)并不影響涂料原有的性能 [ 10 ] 。
但應(yīng)用無機(jī)抗菌劑也存在一些問題 : ① 抗菌穩(wěn)定性問題。因?yàn)闊o機(jī)抗菌劑多數(shù)含有銀離子 , 易轉(zhuǎn)變成棕色的氧化銀或經(jīng)紫外線催化還原成黑色單質(zhì)銀 , 變色不僅降低了其抗菌性 , 而且還有限制其應(yīng)用到白色或淺色涂料中去。② 大量使用銀成本高 , 制約了其在更大范圍的應(yīng)用。為克服上述無機(jī)抗菌劑的缺點(diǎn) , 各國研究人員正努力研究并已取得的一些成效。如 Nittetse 公司開發(fā)出一種銀鋅二氧化鈦抗菌劑 , 經(jīng)紫外線照射或加熱前后該產(chǎn)品白度幾乎不變。日本海水化學(xué)研究所研制出一種以 Ca (OH) 2 MgOA1203 為基體 , 負(fù)載鋅離子的抗菌劑 , 其成本較載銀抗菌劑低 , 盡管其抗菌性能稍遜于載銀抗菌劑 , 但其抗真菌效果優(yōu)于載銀抗菌劑 , 并幾乎不存在變色問題 [ 11 ] 。
目前根據(jù)不同抗菌劑的抗菌特點(diǎn) , 將不同抗菌劑進(jìn)行復(fù)配 , 以達(dá)到抗菌譜更廣、作用時(shí)間更長(zhǎng)、效果更理想的目的。 3 天然抗菌劑 天然抗菌劑主要是天然植物的一些提取物 , 因來源、提取水平、成本等條件的限制 , 其應(yīng)用推廣有一定困難 , 同時(shí)天然抗菌劑存在穩(wěn)定性差 , 有色度等問題 , 其應(yīng)用到涂料中有一定難度 , 如有色涂料的調(diào)配將很困難。目前國內(nèi)外還沒有將天然抗菌劑應(yīng)用到涂料中這方面的報(bào)道。
4 展望
目前 , 人們通常采用物理或化學(xué)的方法進(jìn)行消毒殺菌 , 這些方法雖然有其相應(yīng)的優(yōu)勢(shì) , 但也不同程度的存在如下缺點(diǎn) : 難聞氣味、藥效短、操作復(fù)雜、一次投資大等。而使用抗菌涂料 , 實(shí)效長(zhǎng) , 經(jīng)濟(jì)方便 , 可以達(dá)到一勞永逸的效果 , 故抗菌涂料的研制和發(fā)展 , 是涂料發(fā)展方向之一。