聚合物材料的未來,塑料抗菌劑的開發(fā)使用

大部分聚合物材料在不加助劑的純態(tài)情況下是不受微生物侵蝕的。但是，當(dāng)添加了各種助劑之后，就有可能使微生物孳生、繁殖、擴(kuò)展，加之表面附著細(xì)菌的生長和繁殖，將影響塑料制品的外觀及性能，特別是使應(yīng)用的安全性大大降低，污染所接觸的各種物品，威脅人類健康。因此塑料抗菌功能的開發(fā)極其重要和必須。目前最常用和最有效的辦法就是添加抗菌劑。

抗菌劑通常是指一些微生物高度敏感，少量添加到材料中即可明顯抑制微生物在材料表面或本體生長的化學(xué)物質(zhì)。通過添加該助劑，使塑料等材料在正常使用條件下，具有持久的抑殺細(xì)菌等微生物的能力，成為抗菌材料。

一、抗菌劑的種類

抗菌劑通常分為無機(jī)、有機(jī)、天然和高分子四大類。

1. 無機(jī)抗菌劑

無機(jī)抗菌劑是采用含有抗菌性金屬負(fù)載在一定載體，通過離子交換、吸附、合金化或者化合而成。

鈦系抗菌劑，主要以TiO2 這類能被光催化激活的材料為主。目前納米TiO2作為高效抗菌劑，已應(yīng)用于衛(wèi)生潔具、水處理、抗菌建材和涂料等方面。

銀系抗菌劑，該系列抗菌劑是目前國內(nèi)使用最多的品種，根據(jù)制備工藝和載體不同，銀系抗菌劑包括以下幾大主要品種：沸石類抗菌劑，磷酸鹽系抗菌劑，溶解性玻璃系抗菌劑，蒙脫石抗菌劑等。銀-活性炭纖維型抗菌劑，載銀活性炭和活性纖維抗菌劑主要用于水的凈化處理。

2. 有機(jī)抗菌劑

合成有機(jī)抗菌劑雖然殺菌力強(qiáng)，來源豐富，但是存在耐熱性差、易水解、針對性強(qiáng)等缺點(diǎn)，并具有一定揮發(fā)性和毒性。目前國外市場上有機(jī)抗菌劑多為有機(jī)含氮離子化合物，其構(gòu)造類似抗靜電劑，如有機(jī)碘化物、有機(jī)氯化物或它們的復(fù)合物，以及氨基酸金屬鹽類。

3. 天然抗菌劑

天然類抗菌劑是從動植物中提煉精制的，目前得到重點(diǎn)開發(fā)的是超細(xì)的殼聚糖微粉、甲殼素等。另外天然抗菌劑還有日柏醇、氨基葡糖苷等。但是天然抗菌劑由于其耐熱性差、藥效持續(xù)時(shí)間短，大規(guī)模商業(yè)化有待時(shí)日。

4. 高分子抗菌劑

抗菌高分子材料是通過引入抗菌官能團(tuán)而獲得，根據(jù)官能團(tuán)不同，可以分為季銨鹽型、季膦鹽型、胍鹽型、吡啶型及有機(jī)金屬共聚物等，抗菌官能團(tuán)可以通過帶官能團(tuán)單體均聚或共聚引入，也可以通過接枝的方式引入。目前主要有季銨鹽類抗菌劑、季膦鹽類抗菌劑和有機(jī)錫類抗菌劑等。季膦鹽是新一代抗菌劑，其抗菌活性比相同結(jié)構(gòu)的季銨鹽高出兩個(gè)數(shù)量級，具有廣譜、高效、低毒性等優(yōu)點(diǎn);含有有機(jī)錫基團(tuán)的抗菌劑對于革蘭氏陽性細(xì)菌，尤其是對金黃色葡萄色球菌有很好殺滅率，但是對于革蘭氏陰性細(xì)菌的殺滅率相對較低。此外含有吡啶型聚合物和鹵代胺類聚合物也具有良好抗菌性。

二、抗菌機(jī)理

1. 抗菌材料的作用機(jī)理：

采用化學(xué)和物理方法殺滅或抑制細(xì)菌活性和生長發(fā)育的性能稱為抗菌，殺死細(xì)菌或接近無菌狀態(tài)的性能稱為殺菌，抗菌一般習(xí)慣上包括無菌、殺菌、消毒、抑菌、防霉、防腐等。具有抗菌或殺菌功能的材料通稱為抗菌材料，材料抗菌作用機(jī)理有如下幾個(gè)方面：(1)干擾細(xì)胞壁的合成。細(xì)菌細(xì)胞壁重要組成為肽聚糖，抗菌材料對細(xì)胞壁的干擾作用，主要抑制多糖鏈與多肽交聯(lián)的連結(jié)，從而使細(xì)胞壁失去完整性，失去了對滲透壓的保護(hù)作用，損害菌體而死亡。(2)損傷細(xì)胞膜。細(xì)胞膜是細(xì)菌細(xì)胞生命活動重要的組成部分，因此如細(xì)胞膜受損傷、破壞，將導(dǎo)致細(xì)菌死亡。(3)抑制蛋白質(zhì)合成。使蛋白質(zhì)的合成過程變更、停止，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。(4)干擾核酸的合成?？偟恼f是阻礙遺傳信息的復(fù)制，包括DNA、RNA的合成，以及DNA模板轉(zhuǎn)錄mRNA等。

2.抗菌劑抗菌機(jī)理

含金屬離子的無機(jī)鹽或絡(luò)合物的無機(jī)抗菌品種最多，用途也最廣，抗菌作用機(jī)理對于不同的抗菌劑是不同的，同一種抗菌劑在不同環(huán)境條件下，甚至可能呈現(xiàn)不同的抗菌作用機(jī)理。目前學(xué)術(shù)界對抗菌機(jī)理尚無權(quán)威定論，代表性的學(xué)說主要有金屬離子溶出理論和活性氧理論兩種。

(1)金屬離子溶出抗菌機(jī)理

金屬離子溶出理論認(rèn)為：在抗菌材料使用過程中，抗菌金屬離子逐漸從抗菌材料中溶出，緩釋的Ag+、Cu2+、Zn2+等離子牢牢吸附并穿透細(xì)菌、霉菌的細(xì)胞壁，破壞微生物電子傳輸系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、物質(zhì)傳輸系統(tǒng)，從而迅速殺死菌體;進(jìn)入細(xì)胞體后，還能與細(xì)菌的羥基反應(yīng)，使細(xì)菌的蛋白質(zhì)凝固，破壞細(xì)菌細(xì)胞合成酶的活性，使細(xì)胞喪失分裂繁殖能力而死亡。在光的作用下，氧化態(tài)的銀離子又可成為催化活性中心，激活水和空氣中的氧，產(chǎn)生具有很強(qiáng)氧化能力的OH自由基和活性氧離子，在短時(shí)間內(nèi)破壞細(xì)菌中的繁殖能力，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。當(dāng)細(xì)菌體失去活性后，銀離子又會從菌體中游離出來，重復(fù)進(jìn)行殺菌活動。

(2)光催化產(chǎn)生活性基團(tuán)抗菌機(jī)理

納米TiO2的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在禁帶，當(dāng)光能量大于禁帶寬度時(shí)，價(jià)帶電子被激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，價(jià)帶上產(chǎn)生空穴，并在電場作用下分離移至粒子表面，空穴可奪取顆料表面OH-和H2O中的電子，將其氧化成強(qiáng)氧化力的·OH基團(tuán)。·OH可使絕大多數(shù)細(xì)菌、有機(jī)污染物最終分解為CO2、H2O等無害小分子物質(zhì)。納米TiO2的光催化抗菌，不僅可有效殺滅細(xì)菌，而且能攻擊細(xì)菌細(xì)胞的外層并破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，達(dá)到徹底降解細(xì)菌，并可根除內(nèi)毒素引起的二次污染。

三、塑料抗菌劑的選擇

抗菌劑在塑料中實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)塑料的抗菌性、物性、用途和加工方法等多方面的要求，結(jié)合抗菌劑的物化指標(biāo)，綜合考慮和選擇。主要考慮的因素有：

1. 抗菌效果

抗菌效果主要是由 I C值(阻礙細(xì)菌繁殖的抗菌劑的最小濃度)體現(xiàn)出來的， I C值越小證明抗菌效果越好。對于添加了抗菌劑的抗菌材料來說，其抗菌能力主要是依賴材料表面的抗菌劑來實(shí)現(xiàn)的，因此，添加量一般要高于其I C值。另外，還要抗菌持續(xù)性好，保持抗菌塑料能長期抗菌。

2. 抗菌范圍

不同的抗菌劑對于不同細(xì)菌具有不同的抗菌能力，也就是說抗菌劑只對特定的細(xì)菌表現(xiàn)出抗菌性，在選擇抗菌劑的時(shí)候應(yīng)考慮抗菌劑的抗菌范圍，抗菌范圍當(dāng)然越廣越好。但是達(dá)不到時(shí)，也可以用幾種不同的抗菌劑進(jìn)行復(fù)配，以期達(dá)到理想的抗菌范圍，但要注意各種抗菌劑的協(xié)同性。

3. 安全性

作為食品包裝材料，抗菌劑的選用一定要對人體無害，應(yīng)避免使用具有急性毒性、慢性毒性、氣味較大、刺激皮膚等類的抗菌劑。因此，有機(jī)抗菌劑的使用就具有很大的局限性，而無機(jī)抗菌劑和天然抗菌劑則因其安全性成為這方面應(yīng)用的熱點(diǎn)。

4. 相容性

所選抗菌劑一定要和塑料有好的相容性和配伍性，不會對塑料制品的性能產(chǎn)生不良影響。

5. 穩(wěn)定性

抗菌劑應(yīng)具備高的熱穩(wěn)定性，在塑料擠出和加工過程中不分解、不變質(zhì)，保持抗菌效能;同時(shí)抗菌劑顏色穩(wěn)定性要好，在保存和使用過程中不變色;還要具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，耐酸、堿和化學(xué)藥品。

6. 價(jià)格

抗菌劑應(yīng)有較低廉的價(jià)格，使用后不會大幅度地提高材料的成本。