淺談抗菌劑及其在抗菌涂料的應(yīng)用論文
摘要：介紹了抗菌劑的分類，闡述了有機抗菌劑和無機抗菌劑的抗菌機理，綜述了抗菌涂料的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。無機抗菌劑的抗菌活性強、作用時間長、滅菌性能穩(wěn)定，是一種具有較好發(fā)展前景的抗菌劑，尤其是納米抗菌劑，目前廣泛地應(yīng)用于抗菌涂料的研究領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：抗菌劑；抗菌機理；抗菌涂料
健康是人們最為關(guān)注的話題之一，然而，細菌無處不在、無孔不入，它們的傳播和蔓延嚴重威脅著人類的健康。隨著人民生活水平的提高和環(huán)境意識的增強，保護生態(tài)環(huán)境、提高人們生活工作環(huán)境質(zhì)量的呼聲日益高漲。因此健康的生存環(huán)境日益成為人類的追求目標，危害人類健康的環(huán)境微生物也引起人們的重視。利用抗菌材料來殺滅和抑制有害細菌的生長、繁殖是提高人類健康水平的一個重要手段。滿足人們對涂料的保健和環(huán)境安全性的要求，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。抗菌材料是指自身具有殺滅有害細菌或抑制有害細菌生長繁殖功能的一類功能材料。抗菌材料的有效成分是抗菌劑。抗菌劑通常可分為有機抗菌劑和無機抗菌劑兩大類。大多數(shù)有機抗菌劑耐熱性差、易揮發(fā)、易分解產(chǎn)生有害物質(zhì)，安全性較差等缺點，多數(shù)用于一次性抗菌劑使用。天然抗菌劑種類有限，抗菌性能還較差。而無機抗菌劑是近年來發(fā)展起來的一種具有很好發(fā)展前景的抗菌劑，抗菌活性較強作用時間長，滅菌性能也較為穩(wěn)定，目前主要是含銀、銅、鋅等抗菌離子的抗菌材料和以二氧化鈦為代表的光催化活性無機抗菌材料。
1.抗菌劑的分類
1.1無機抗菌劑
無機抗菌劑是含有抗菌性的金屬離子如汞、銀、銅、鉻、鋅及其化合物與無機載體結(jié)合的制劑。這些抗菌金屬離子從載體中緩慢釋放，長期有效地殺滅依附在其表面的有害細菌。無機抗菌劑抗菌效果好、性能穩(wěn)定、安全性高，已成為抗菌劑研究的主流。
1.2天然抗菌劑
天然抗菌劑是人類最早使用的抗菌劑，它是從某些動植物體內(nèi)提取出的具有抗菌活性的高分子有機物，主要有殼聚糖、山梨酸、黃姜根醇、日柏醇等。最常用的天然抗菌劑是殼聚糖及其衍生物。天然抗菌劑的使用安全性很高，對人體無毒、無刺激，已被用于制備高分子復(fù)合膜或研成粉末添加到丁腈橡膠（NBR）或聚氨酯海綿中。但天然抗菌劑的加工性能極差，高溫下容易分解失效，受來源、提取水平、成本等條件限制，同時天然抗菌劑存在穩(wěn)定性差、有色度等問題，因此在涂料應(yīng)用中受到很大限制，還不能實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。
1.3有機抗菌劑
有機抗菌劑主要有異噻唑啉酮類、甲醛釋放劑、有機胺類等幾種。它們雖然具有抗變色能力強、短期抑菌效果明顯等優(yōu)點，但也存在耐熱性差、易分解、使用壽命短，有的還有毒副作用，甚至有致癌作用的缺點，在抗菌涂料中的應(yīng)用也受到一定的限制。
2.抗菌劑的抗菌機理
2.1無機抗菌劑抗菌機理
目前對無機金屬離子抗菌機理主要有以下兩種解釋。
2.1.1接觸反應(yīng)機理。負載在緩釋性載體上的金屬離子逐漸釋放，帶正電荷的金屬離子接觸帶負電荷的微生物細胞膜時，二者依靠庫侖引力牢固地吸附在一起，金屬離子穿透細胞壁進入細胞內(nèi)，與有機物的硫代基、羧基、羥基發(fā)生反應(yīng)，使蛋白質(zhì)凝固，破壞細胞合成酶的活性，細胞因喪失分裂增殖能力而死亡；同時微生物的電子傳輸系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、物質(zhì)傳送系統(tǒng)等也遭到破壞。無機金屬離子抗菌劑通過添加到涂料中能在低濃度下發(fā)揮持久的抗菌效果。銀系抗菌劑的抗菌機理就屬于此類。
2.1.2活性氧機理。加入抗菌劑后，材料表面分布著微量的金屬元素，能起到催化活性中心的作用。該活性中心能吸收環(huán)境的能量，激活吸附在材料表面的空氣或水中的氧，產(chǎn)生羥基自由基和活性氧離子。這些羥基自由基和活性氧離子具有很強的氧化還原能力，能破壞細胞的增殖能力，抑制或殺滅細菌，產(chǎn)生抗菌性能。氧化物型抗菌劑的抗菌機理就屬于此類。氧化物型抗菌劑是具有光催化作用的物質(zhì)，主要包括納米TiO2和納米ZnO等，它們通過對光線的吸收，利用光催化作用產(chǎn)生大量的羥基自由基和氧自由基，而這兩種自由基都具有很強的化學(xué)活性，能使各種微生物發(fā)生有機物質(zhì)氧化反應(yīng)，從而對與涂膜接觸的微生物具有抑制和殺滅作用。由于納米粒子本身沒有參與反應(yīng)，故沒有任何損失，因此添加這類抗菌劑的涂料具有長效的抗菌作用。
2.2有機抗菌劑抗菌機理
有機抗菌劑的品種繁多，各種微生物的菌體也各不相同，其作用機理也存在多樣化。一般可通過如下途徑發(fā)生作用：（1）降低或消除微生物細胞內(nèi)各種代謝酶的活性，阻礙微生物的呼吸作用。（2）抑制孢子發(fā)芽時孢子的膨潤，阻礙核糖核酸的合成，破壞孢子的發(fā)芽。這一機理對抑制產(chǎn)生孢子的微生物具有重要意義，尤其是對抑制霉菌生長和繁殖。（3）加速磷酸氧化體系，破壞細胞的正常生理機能。（4）阻礙微生物的生物合成，干擾微生物生長和維持生命所需物質(zhì)的產(chǎn)生過程。（5）破壞細胞壁的合成。
3.抗菌劑在抗菌涂料中的研究現(xiàn)狀
徐瑞芬等將自制的抗菌納米TiO2添加于苯丙乳液中，制成抗菌涂料。發(fā)現(xiàn)該涂料對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和枯草芽孢的殺菌率均在99%以上。由于TiO2比表面積大，表面能高，易于團聚，極大地影響了其光催化活性，降低在實際應(yīng)用中的催化效果。
許瑩將納米TiO2殺菌涂料涂于水泥片上制成涂層，考察對大腸桿菌的`滅活情況，發(fā)現(xiàn)24h后TiO2含量在20.3%以上的殺菌涂層可完全殺滅大腸桿菌。將含TiO2的氟樹脂涂料涂覆于天棚材料，納米TiO2的光催化作用能分解油分和塵埃等，在降雨時容易被沖刷掉。
為改善TiO2分散性能進行表面包覆保護膜。劉永屏等通過高攪水溶液沉積干燥法在TiO2表面沉積A12O3和SiO2無機保護膜，經(jīng)TEM分析TiOz在涂料中以納米尺寸分散表面處理后的抗菌納米TiO2在乳液中能夠均勻分散，可充分發(fā)揮納米TiO2的殺菌作用。抗菌涂料殺菌率達99%以上，并且不受光源條件限制，抗菌作用徹底、持久。
郁慧等制備的復(fù)合納米抗菌粉末涂料，其力學(xué)性能、耐酸堿性等方面都符合行業(yè)標準，而且具有良好的抗菌效果，能夠滿足涂料行業(yè)的使用要求。
陳麗瓊等通過化學(xué)還原法制備的納米銀抗菌內(nèi)墻涂料，是一種性能優(yōu)異的綠色環(huán)保涂料，其加入的納米銀溶膠粒徑小，分散性好，抗菌效果強，穩(wěn)定性好，使得加入后的涂料具有較好的抗菌效果。
鄧躍全等提出鋅抗菌功能材料一抗菌涂料一體化制備技術(shù)，獲得抗菌性能和基本性能都好的功能涂料，實現(xiàn)了廢物的零排放，生態(tài)化的循環(huán)利用資源材料。抗菌涂料產(chǎn)品不僅自身環(huán)保，同時還可以解決裝修后室內(nèi)空氣不達標的問題，對于醫(yī)院環(huán)境來講還可以降低交叉感染的機率，起到輔助凈化空氣的作用。
日本在TiO2光催化抗菌涂料方面走在世界前列，20世紀90年代，日本涂料公司（Nip.pon Paint）的抗菌涂料已在日本國內(nèi)推廣應(yīng)用。
日本住友大阪水泥株式會社推出一種抗菌涂料，向涂料中加入0.01%（wt）20nm和50nm的銀粒子，得到抗菌涂料，當(dāng)濃度為8.4×105cfu/ml的大腸桿菌與濃度為6.6×105cfu/ml的金黃色葡萄球菌與含0.01%（wt）的50ran銀粒涂料接觸24h后，涂料中僅殘余菌落<5cfu/ml，即99.999%的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌被殺滅。將該抗菌涂料暴露在日光下400h后，該抗菌涂料的顏色沒有明顯變化。而不加納米銀粒的涂料無抗菌性能。
丹麥技術(shù)大學(xué)化工系的Diego Meseguer Yebra對影響殺生劑釋放速率的因素進行了研究，指出：涂料的孔隙度、涂層的粗糙度、涂料涂刷時表面的裂痕數(shù)量、涂料表面與外界水體接觸并相互作用的邊界層部分、抗菌涂層外面的生物膜層等綜合影響涂料中抗菌成分的釋放速率。涂料孔隙度越大，涂層越粗糙，表面裂痕越多，抗菌成分的釋放速率相對就快。反之，抗菌涂層外面的生物膜層的存在會減少抗菌成分的釋放速率。
4.結(jié)語
隨著人們對健康和環(huán)境安全性要求的不斷提高，開發(fā)具有抗菌功能的涂料成為涂料行業(yè)關(guān)注的熱點。抗菌涂料常用的抗菌劑有天然、無機、有機抗菌劑三種，其中，無機抗菌劑的抗菌活性強、作用時間長、滅菌性能穩(wěn)定，是一種具有較好發(fā)展前景的抗菌劑，尤其是納米抗菌劑，目前廣泛地應(yīng)用于抗菌涂料的研究領(lǐng)域。納米抗菌涂料的應(yīng)用將減少微生物對人體的危害，為人們提供更加舒適的生活及工作環(huán)境。
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