塑料抗菌技術的新發展
時間:2006-08-07
本文在分析國內外抗菌材料的發展現狀和存在問題的基礎上，著重介紹了分子組裝抗菌化技術的原理，以及在抗菌防霉、安全持久、加工性能等方面所具有的優勢，并且展望了該技術廣泛的應用前景。
人類的生活環境存在著大量肉眼看不見的微生物，包括各種各樣的細菌和真菌，它們在一定的條件下（適宜的溫度、濕度以及充足的養分），便會成幾何級數地迅速繁殖起來，表現為物品的腐敗、變質、發霉和傷口的感染化膿等現象，直至給人類帶來致命的疾病，對社會造成了很大危害。據美國WHO雜志1996年統計，全世界1995年因細菌傳染引起的死亡為1700萬人，約占死亡人口的1／3。1996年日本發生致病性大腸桿菌O－157全國性感染事件。同樣，我國每年有5000萬人住院治療，其中有500萬人發生交叉感染，造成的經濟損失約100億人民幣。因此，隨經濟的發展和生活水平的提高，人們越來越重視自身健康和日常環境的衛生與舒適性，根據1997年的CBS調查顯示，歐美國家已逐漸重視日用產品的抗菌性，52％的美國民眾購買日用品時，會注意產品是否具備抗菌、防霉、防臭功能。為響應社會的需求，各種各樣高分子材料的制品都面臨著抗菌化的革命，其中用于食品包裝的PE薄膜、BOPP、CPP薄膜在其中占有相當大的份額。
國內外抗菌材料和技術的發展概況
現代抗菌材料的實用化始于防微生物纖維制品，60年代以后，抗菌纖維開始出現；抗菌塑料的應用起始于80年代初，90年代進入一個大發展時期，化工、纖維、食品、電機、水泥等行業均開發出抗菌產品，幾乎覆蓋滌綸、丙綸、腈綸、PP、ABS、PE、PVC等所有主要纖維和塑料品種。
抗菌材料中的核心成分是抗菌劑。根據化學組成，抗菌劑大致可分為無機、有機和天然三大類。天然系抗菌劑，受到原料和加工條件的制約，目前尚不能實現大規模市場化。有機抗菌劑具有殺菌速度快、抗菌范圍廣等優點，但也存在耐熱性差、易滲出、溶出物毒性問題、不耐洗滌、使用壽命短等問題，因此其使用有很大的局限性。無機系抗菌劑以銀系抗菌劑為主，其特點是安全性、耐熱性、耐久性較好，是目前纖維、塑料、建材等中使用較多的抗菌劑，不足之處在于價格較高和抗菌的遲效性，不能像有機系抗菌劑那樣能迅速殺死細菌，而且對真菌、霉菌幾乎沒有抑制效果；同時，由于銀的化學性質活潑，易氧化而成為棕色的氧化銀，從而降低抗菌效力及影響制品外觀；另外，無機抗菌粉體與高分子材料相容性差，在基體樹脂中易于團聚，會給材料的紡絲、拉膜等加工帶來很大困難。
筆者等在長期研究的基礎上，發展了一種分子組裝抗菌化新技術，即通過精選具有高效廣譜抗菌活性、對人體安全無毒、耐熱性好的抗菌功能團，將其通過嵌段、接枝官能團反應等化學方法組裝到基體樹脂的分子鏈上，從而得到抗菌母粒，其分子結構如圖1所示。圖中，淺色的細長線條代表基體樹脂的大分子鏈，而深色的粗短線條代表組裝上去的抗菌功能團。
分子組裝抗菌技術的原理和特色
一般細菌和真菌的細胞膜或細胞壁均含有帶負電的蛋白質，而組裝上去的抗菌功能團帶有正電，因為庫侖力的作用而吸附到微生物細胞上，影響細胞正常的呼吸和代謝功能；或造成細胞膜（壁）破裂，內容物流出，從而殺死微生物，達到抗菌的目的。
因為電荷環境是細菌、真菌生長與繁殖的基礎，就如同空氣與水對人體一樣。缺乏這一環境，細菌與真菌都要死亡，這就是分子組裝抗菌化技術具有廣譜抗菌性能的原因。但這種電荷的物理作用對人卻無影響，從而保證了使用的安全性。再者，由于抗菌功能團是通過化學鍵與基體高分子材料相連，不僅進一步保證了使用的安全性，而且也保證了抗菌效果的長效性。因此，與有機、無機抗菌劑相比，該技術在以下幾方面具有突出的優勢：
（1）高效廣譜抗菌：由于抗菌功能團是經過精心設計和優選的，因此對日常生活環境常見的細菌、真菌、霉菌等都有優異的抑制效果，可有效防止易導致常見病多發病的細菌以及常造成的黑點、粘滑和臭氣的霉菌，具體結果。
（2）安全無毒：制品經上海衛生防疫站檢測，屬無毒、無刺激性材料，其浸提液的促染色體畸變形與純水相當，達到了食品包裝級的安全衛生要求。
（3）抗菌效果持久：抗菌功能團是以化學鍵與基體樹脂分子牢固結合成一體的，因而能夠經受洗滌劑的多次洗滌，其抗菌效力也不會下降。
（4）優良的穩定性：組裝的抗菌功能團在設計時就對其穩定性進行了充分的考慮，因此作為一種功能化母料，可耐360℃的高溫，化學性質穩定，完全可以滿足一般塑料及纖維的加工要求。
（5）優異的加工性能和廣闊的應用領域：分子組裝抗菌母粒所采用的基體樹脂按使用對象的不同而改變，因此基體樹脂可以是聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯或尼龍等。當使用對象為聚乙烯時，則采用以聚乙烯為基體樹脂的抗菌母粒，其它的情況也類同，以保證抗菌母粒與使用對象有極好的相容性，抗菌功能團在基體中呈納米尺度分布，參見圖2、3（圖中深色部分為抗菌功能團）。所以抗菌母料既有良好的有效利用率又有優異加工性，不會因團聚粒子堵塞濾網而影響生產，這對于細旦長絲和雙向拉伸薄膜尤為重要。
（6）改善制品的表面性能：加工過程中，極性較強的抗菌功能團易分布在表面，一方面提高了抗菌功能團的有效利用率，另一方面又提高了表面的極性和親水性，從而改善了制品抗靜電性能。例如，抗菌母料可以使丙綸表面的親水性達到尼龍纖維的水平，其表面電阻率可降低5－6個數量級，參見表3，極大地改善了材料的加工和使用性能。
分子組裝抗菌技術的應用
分子組裝抗菌化技術的價值不僅表現在對大分子理論的貢獻，而且更重要的是其應用價值。現僅選幾個例子即足以表明。
1）在塑料包裝薄膜領域的應用：塑料包裝薄膜極為廣泛地用于醫藥用品、食品、電子器件的包裝，我國的年消耗量巨大，僅BOPP一種即達50萬噸。其中相當部分用于藥品和食品的包裝都需要采用抗菌防霉的薄膜，特別是日本、新加坡及我國臺灣省等國家及地區都指定要求抗菌防霉級薄膜，可我國卻不能提供出符合要求的制品。其主要原因基本與下述PP-r或PP-b水管的情況相類似。此外還由于無機超細或“納米”粉體抗菌劑與樹脂的相容性差，存在較為嚴重的團聚現象，會對薄膜的生產和質量產生明顯不利的影響。工業實踐證明，分子組裝抗菌化技術完全勝任BOPP苛刻的工藝要求，不僅賦予BOPP薄膜以優異的抗菌防霉性能，而且由于組裝的官能團具有很強的極性，還賦予塑料包裝薄膜優良的抗靜電性能，可取代抗靜電劑的使用，一舉兩得。可見分子組裝抗菌化技術在塑料包裝薄膜領域有著極為廣泛的應用前景。
2）在PP-r，PP-b等聚丙烯上水管領域的應用：眾所周知，采用被認為是綠色材料的PP-r，PP-b等聚丙烯制造上水管，取代鍍鋅鐵管已成為我國建筑選材的大勢所趨，我國目前PP-r水管的生產能力已達6億公尺∕年，年消耗量也達到2～4億公尺，無疑是一個市場巨大的產品。但同時也出現了一個新問題，即當該類上水管使用一個月以上時，內壁上就會出現類似于飲水機上出現的那種滑、粘的現象，那是真菌和霉菌寄生的結果。飲水機可以定期清洗，而埋在地下的水管卻無法清洗。然而目前的抗菌技術卻難以很好地解決這一問題，因為采用有機抗菌或殺菌劑直接混入高分子基體的方法，由于低分子機抗菌或殺菌劑很容易滲出，不僅影響使用的持久性，更重要的是將對人體的安全性造成較大威脅。另一方面，如使用無機超細或“納米”粉體抗菌劑混入樹脂基體的方法，銀離子等對真菌、霉菌等抑制效果很差，而且重金屬離子含量嚴重超過國家標準。而分子組裝抗菌化技術不僅不含任何重金屬，對真菌、霉菌都具有很高的抑制效果，而且組裝有效抗菌基團都是由化學鍵組裝到基體樹脂分子上的，所以不可能滲出，從而既保證了飲用水的安全性，又保證了抗菌作用的持久化。可見分子組裝抗菌化技術將在PP-r、PP-b上水管的發展中將起至關重要的作用。
3）在細旦丙綸及無紡布領域的應用：該類產品在軍隊士兵的內衣、女性內衣和衛生用品、嬰兒的尿不濕、醫護人員的工作服、病院的床單和被褥、餐廳用桌布等，需求量很大。分子組裝抗菌化技術不僅具有抗菌效率高、加工性能優異的特點，還具有一定的價格優勢，產品經國內外機構檢測，抗菌性能優于目前市場上處于世界先進領先水平的日本產品，所以具有極強的競爭力。
4）在汽車及家用電器領域的應用：由于分子組裝抗菌化技術的廣譜、高效的抗菌防霉能力，可為家用電器以及汽車器件等的健康綠色化作出積極的貢獻。例如，日本市場呼吁需求不霉變發黑的洗衣機；不發霉的冰箱密封橡膠墊；不產生霉味的汽車空調通風管；抗菌、不發霉變色的汽車坐椅織物及內飾等。
除上述列舉的例子外，分子組裝抗菌化技術在涂料、粘合劑以及紙張浸漬劑等方面還有著極為廣闊的應用前景，尚有待于進一步研究和開發。由此可見，分子組裝抗菌化技術是一項有著極為廣泛工業化應用前景的技術，必將對我國高分子功能化材料工業和日常生活產生令人注目的影響。
