纳米抗菌材料的研究发展

1．前言
有害细菌一直是影响人类健康和寿命的主要因素。1996年日本发生全国性病原性大肠杆菌感染事件，引起全国性恐慌；英国英格兰电话公司调查；呼吸系统疾病、皮肤病、肝病等18种传染病通过电话途径传播；还有最常见的“冰箱综合症”等，都因有害细菌感染造成。因此，研究和开发新型抗菌材料，抑制并杀灭有害细菌是当今科技发展的重要内容。

1．1抗菌材料应用现状
在世界发达国家和地区，最先研究的抗菌材料是由有机锡、酸、酚等化学物质合成的有机抗菌材料，应用在纤维织物上。有机抗菌材料具有短期高效杀菌效果，但安全性和化学稳定性差，易产生微生物耐药性，尤其耐热性差（<200℃）是其最大弱点，导致它在应用中不适应高温加工，高温分解产物甚至有毒。80年代研究出的无机抗菌材料无毒，广谱抗菌，抗菌时效长，不产生耐药性，特别是突出的耐热性（>600℃），大大拓宽了抗菌材料的应用领域。

近几年来，中国抗菌材料的应用开始进入高峰期。主要抗菌材料有无机、有机、光触媒抗菌剂。其应用规模见表1：

1. 2本研究的目的

抗菌材料的应用研究，赋予了材料新的功能。使用抗菌材料生产的制品，不仅具有新功能，而且提高制品的附加价值。纳米抗菌材料与普通抗菌材料相比，具有耐老化、耐高温、综合性能优良、抗菌性稳定、长久等优点，并且扩大了适用范围，提高了应用等级。

2．纳米抗菌材料制备
普通无机抗菌材料的制备是将Si0₂与A1₂0₃反应生产多孔性沸石，以其为载体，加入Ag、Zn、Cu等金属离子与沸石置换生成银沸石抗菌剂。

为了克服普通抗菌材料易变色、综合性能差等不足。本材料制备分为三个阶段：
(1)筛选制备纳米沸石
(2)筛选新的金属离子
(3)纳米抗菌材料表面改性与分散

纳米沸石的选择、制备是纳米抗菌材料性能优劣的关键。其粒径和分布对性能有重要影响。利用超声波的作用进行水热反应，从而提高成核生成速率，控制产品粒度，制得粒度细小的颗粒。

工艺流程图：

随着抗菌材料中纳米粒子粒径的减小，粒子比表面积增大，载体与基体接触面积增大，增加了材料表面能。而实际应用中需要与其它材料有良好的相容性与分散性，就需要减少纳米抗菌材料的表面能。传统的表面包覆不能发挥纳米材料表面原子数量增多的优点。本制备是使用增加纳米粒子表面活性基团改性剂，使其具有优良的分散和相容特性。

制备完毕的纳米抗菌材料与普通材料相比，有优异的抗菌、力学、耐老化等综合性能。见表2所示：

3．纳米抗茵塑料成型
将纳米抗菌材料与其它材料复合(塑料、纤维、陶瓷、涂料等)，可制成抗菌塑料、抗菌纤维、抗菌陶瓷、抗菌涂料等。

3．1抗茵塑料的结构分析
在塑料中添加了纳米抗菌材料，使聚合物(抗菌材料)的结构在显微水平上分为各相组织。其影响为：
A．聚合物分子中的单个原子和功能基团决定其熔体加工中的热稳定性。
B．分子柔性决定熔体流动性和结晶性。
C．分子量决定熔体加工期间熔体流动的阻力。
D．分子间秩序(结晶和取向)受成型加工条件影响，结晶率又决定成型周期的长短。
E．分子间的结合决定成型温度和熔体流动的限制。
F．添加物可改善或防碍成形性，也可以用某些更特殊的方法改善成型加工。

成型中熔体温度是首要条件，而熔体温度的控制与分子量、分子柔性、分子间结合、单个原于和功能基团，尤其是与添加物有关。抗菌塑料中添加的无机物和增塑剂，从理论上可以理解为：在低分子量一端增宽分子量分布，意味着降低了材料整体的平均分子量。就有利于端基影响分子活动性和自由体积而言，单体增塑剂的每一个分子都增加了两个额外的端基，从而使端基总量和自由体积显著增加，聚合物分子可以更自由的活动，增加了熔体的流动。注射成型时，由于高温、高压、高剪切，柔软的分子可以自由地伸开，并形成均匀而快速流动的液态熔体，有利于成型。

3．2成型工艺的优化
抗菌塑料中添加纳米抗茵材料与其它助剂，而纳米抗菌材料由于表面、界面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等特性，使得塑料光性能、热性能、力学性能有所提高，尤其热性能在热塑性塑料成型加工中尤为重要。纳米抗菌材料加入塑料中后，呈现高热导性和低热延展性，使塑料热膨胀系数降低，热导系数增加，试验证明，每填加5％的纳米材料，热变形温度可提高30一50℃，其它工艺参数随材料的特性相应调节，其注射成型工艺参数如表3所示：
抗菌塑料注射成型工艺参数

4．结论
(1)抗菌材料中加入Ti系纳米材料后，纳米粒子含量与分布可以改进抗菌材料的综合性能。
(2)新的金属离子的添加，改变了原银系抗菌材料的变色缺陷，提高了耐老化性能。
(3)纳米抗菌材料在塑料中的分散采用振动磨分散法效果良好。