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无机抗菌剂阐述及它的效果怎么样

无机抗菌剂阐述,它的效果怎么样

前言

人们周围的环境大量存在的病毒、细菌、真菌等微生物,可直接导致很多疾病的产生和传染,微生物对人类健康造成的隐患和威胁是不容忽视的。1996年发生在日本的致病性大肠杆菌157食物中毒事件,2003年世界部分地区流行的非典型肺炎(SARS),2009年发生的甲流等都曾一度引起全世界的恐慌。纺织服装是人们抵御微生物感染的屏障之一,研究有效的抗菌剂和开发具有抗菌功能的纺织服装,是当今纺织科学发展的重要方向之一。 

根据抗菌成分不同,可把抗菌剂分为天然抗菌剂、有机抗菌剂和无机抗菌剂三大类。

天然抗菌剂有来源于虾、蟹壳的脱乙酰甲壳质,也有中草药、银杏、江南竹、日芥子等的萃取液。由于受原料来源数量和加工条件的限制,难以实现市场化。

有机抗菌剂是指以有机酸类、酚类、季铵盐类、苯并咪唑类等有机物为抗菌物质的抗菌剂,但其抗菌周期短、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,导致它的应用范围受限。 

进入20世纪80年代,以日本为代表的部分发达国家开始大力发展无机抗菌材料,并将研究成果广泛应用于家电、厨卫、日化、通讯、纺织等行业,使抗菌材料进入了一个高速发展的阶段。无机抗菌材料具有无毒、广谱抗菌、抗菌时效长、不产生耐药性等特点,特别是其突出的耐热性(> 600 ℃),成功克服了有机抗菌剂的缺点。无机抗菌剂及其应用的研究、开发已成为抗菌领域的研究热点,也为具有抗菌功能纺织服装的研究开辟了一条新途径。 

无机抗菌剂的分类

无机系抗菌剂是通过将无机抗菌成分与载体结合而制得。一种是将Ag、Cu、Zn等具有杀菌效果的金属离子负载在无机载体上而制成的金属离子型抗菌剂;另一种是利用陶瓷本身的特性,如以TiO2为中心的氧化物光催化系和氧化物陶瓷本身具有的催化活性(含天然矿石、贝壳等)而实现抗菌的无机系抗菌剂。 

金属离子型抗菌剂:

金属离子型抗菌剂是将具有抗菌功能的金属离子负载到各种无机的或人工合成的矿物载体上,使用时载体缓释抗菌离子或活性氧化组分,使制品具有抗菌效果。其杀菌主要是通过金属离子与细菌蛋白结合,破坏细菌正常的新陈代谢从而抑制其生长繁殖。同时在细菌死亡后,金属离子会从细菌体内溶出,可起到重复杀菌的作用。具有抗菌性能的金属离子有Ag、Cu、Zn、Co、Ni、Fe、Al、Sn、Mn、Ba、Mg等离子,但从安全性和抗菌性综合考虑常用的是Ag、Cu、Zn。金属离子型抗菌材料可用载体很多,但要求载体具有多孔、比表面积大、吸附性能好、无毒、化学性质稳定并不破坏抗菌成分和具有持久等缓释性能。 

根据载体材料的种类,金属离子型抗菌剂可分为以下几种类型。 

沸石型抗菌剂:

沸石是一种具有铝硅酸钠晶体结构的多孔网状天然或人工合成矿物材料,常用作抗菌剂载体的A型沸石可由铝酸钠、硅酸钠溶液在 90 ~ 100 ℃下水热合成或由高岭土类矿物经煅烧、碱溶、晶化反应转化而成,孔径 3 ~ 5 Å。沸石型抗菌剂的制备是在沸石水悬浮溶液中加入AgNO3、CuSO4或ZnCl2水溶液,使抗菌金属离子同沸石发生离子交换作用,将沸石晶体结构中的钠钙置换为抗菌金属离子,经过滤、水洗、干燥、烧结而成。内田真志利等研究人员用离子交换方法制得载银 2.5% 的沸石抗菌剂,抗菌试验表明,它对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最小抑制浓度分别为 62.5 μg/mL 和 125 μg/mL。 

磷酸盐型抗菌剂:

包括磷酸钛盐抗菌材料和磷酸锆盐抗菌材料。常用磷酸盐型抗菌剂的制备是将磷酸锆、羟基磷灰石、钛酸钾和硅酸钙等的水系悬浮液在酸性介质中和AgNO3、ZnCl2溶液混合,控制一定的搅拌速度,在温度 40 ~ 50 ℃下反应 4 ~ 5 h,利用离子的相互交换作用或分子间力把抗菌金属离子结合到载体晶体结构中,后经过滤、干燥和高温煅烧得成品。目前国际市场上比较成熟的商品为日本东亚合成公司的Novaron® 和美国Sangegroup公司的APACIAER® 产品。 

膨润土抗菌剂:

膨润土为典型的层状粘土,其层间的阳离子易被交换。通过阳离子交换可将银离子引入其层间,使用过程中通过缓释银离子而具有抗菌作用。山田善市等研究人员采用银的铵络合盐对膨润土中的碱金属离子进行交换,制得了性能优良的抗菌剂。 

蒙脱石抗菌剂:

蒙脱石抗菌剂,基于蒙脱石的纳米层状结构及可离子交换的特性,人们通过对微米或亚微米级的蒙脱石微粉进行银离子交换从而获得在纳米尺度上金属与非金属复合的载银纳米复合抗菌材料,具有良好的抗菌效果。 

硅胶抗菌剂:

利用硅胶的多孔性吸附络合物Nap[Agq(S2O3)],并利用溶胶――凝胶法在其表面形成SiO2层而制得具有热稳定性和抗菌持久性的抗菌剂,也可通过将硅胶表面形成薄层的沸石结构,而后用含银离子的溶液处理,赋予其抗菌性能。这种抗菌剂不但具有广谱抗菌性,而且耐酸碱能力强。但使用较长时间后,硅胶的表面会吸附其他物质而影响银离子的缓释。杨潇等研究人员利用PHMB对多孔硅胶进行处理,试制出新型抗菌猫砂,通过抗菌实验证明,此种硅胶类抗菌剂具有良好的杀菌效果。 

2光催化型抗菌剂 

光催化系抗菌剂中主要以TiO2为代表。TiO2受光(波长小于 400 nm)照射时即产生电子空穴对,电子使氧分子还原,生成超氧阴离子,而空穴使水分子羟基化,变为活性氧种(・OH)。这类抗菌材料活性高、热稳定性好、抗菌持续时间长、价格低、对人类无害,目前成为最受关注的一种光催化型抗菌剂。制备方法是在TiO2中掺入银离子等金属离子,从而实现了在无光照射时也有抗菌功能而在光照时既可以抗菌也有光催化作用的新型抗菌剂。刘雪峰等研究人员以纳米锐钛矿型TiO2粉体和硝酸铈为原料,采用浸渍法制备了铈负载纳米二氧化抗菌剂,其对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和枯草芽胞杆菌混合液的抑菌圈大小分别为 13.20 、15.11 和 16.17 mm。 

无机抗菌剂在纺织上的应用

无机抗菌剂在纺织印染中的使用方法:

无机抗菌剂用在纺织上应用方法主要有两种:即原纤维加工法和后处理加工法。其中以原纤维加工法最多,70%左右的抗菌纤维采用原纤维加工法。后处理加工法简单易行, 所占比例近年来上升很快。 

原纤维加工法又称抗菌纤维法,是对化学纤维的高分子结构进行化学接枝或共混改性,也可通过物理方法使抗菌剂渗入到纤维内较深的部位,或者利用复合纺丝技术等。这是一种先制备抗菌纤维再进行纺纱制备抗菌纺织品的方法,其中共混改性方式应用较多。抗菌剂混入纤维中的操作可以在高聚物聚合阶段或聚合结束后或聚合物熔融喷丝之前加入。由于抗菌剂已混入纤维内部,所以用该法制得的抗菌纤维耐洗性好,抗菌持久,但由于抗菌剂被包覆在高分子中使其抗菌效率降低。 

后处理加工法是在纺织品印染、整理过程中,采用浸渍、浸轧、涂层或喷涂等方法将抗菌剂施加在纤维表面,并使之固着在纺织品上而具有抗菌效果的一种方法。从机理上看,抗菌纤维的后处理可分为 4 种。 

(1)用反应性树脂将抗菌剂热固定于纤维表面; 

(2)抗菌剂吸附于纤维表面; 

(3)纤维表面的官能团与抗菌剂进行反应而接枝固定; 

(4)成膜法,即在柔软剂、整理剂中添加,如利用金属及其化合物微细粉体与具有较好粘合和成膜特性的柔软剂共用。 

近来纳米新技术的发展,使得金属及其化合物粉体能发挥出更好的抗菌效果。采用共混、复合、分散技术是生产抗菌纤维的新技术。日本钟纺公司开发出一种以普通纤维为芯,抗菌沸石聚合物为鞘的芯鞘纤维,可以很好地抑制微生物的繁殖。此外,利用微胶囊技术也可以很好地扩展无机抗菌剂在纺织上的应用范围。 

无机抗菌剂在服装中的应用:

将抗菌纤维织成布后,所得的抗菌布料主要用于医疗卫生和服装。使用抗菌布料制成的手术服和医用绷带,可大大减少医院的细菌浓度。用抗菌布料制成的服装,不仅可以保护使用者,预防传染疾病,并且可以保护衣物本身免受有害菌种的侵害,可防止衣物在储藏时发霉、变色。用抗菌布料制成的内衣裤、鞋袜及尿布,可防止内衣裤和袜子产生恶臭,防止袜子上的脚癣菌繁殖,防止婴儿因接触尿布而产生红斑,提高老人和病人的免疫能力。用抗菌纤维制成的抗菌无纺布广泛用于各种一次性材料,如无菌手术衣、手术帽、口罩以及卫生包覆材料等。用抗菌短纤增强水泥,不仅可以提高水泥的强度,而且能使混凝土抗菌,能用于公园、病房、动物园围墙等细菌容易繁殖的公共场所。在汽车行业,使用抗菌装饰布,可获得全新概念的抗菌汽车,用抗菌织物制成过滤介质,可使一些物质经过滤后细菌不增加、不繁殖,甚至减少。在空调家电行业,使用抗菌纤维的无纺布作为过滤网,可大大降低细菌的繁殖,减少空调过滤网的洗涤次数。 

无机抗菌剂在使用中的缺点:

虽然无机抗菌剂有着其他类抗菌剂无法比拟的各种优点,逐渐成为抗菌剂的主流,但其在应用过程中也存在一些问题。 

(1)抗菌剂稳定性问题。无机抗菌剂多数含有银离子,易转变成棕色的氧化银或催化还原成黑色单质银,变色不仅降低了其抗菌性,而且还限制其应用到白色或浅色面料中去。 

(2)大量使用银的成本问题。银价格昂贵,大量使用势必造成生产成本上升。所以,如何以最小的银用量达到最佳的效果,并有效控制成本,还需进一步研究。 

(3)银离子使用过程中的安全性问题。包括两个方面:一方面,使用含有某些重金属离子的抗菌剂,在贴身穿着时有可能会透过皮肤进入到人体内部,由于其与人体的亲和力较大,容易在体内沉积,是否会对健康产生影响;另一方面,废弃的抗菌剂中银成分的溶出,是否会对环境造成污染。 

无机抗菌整理剂的发展方向:

进入21世纪以来,绿色环保概念逐渐被人们所接受,促进了适应环保要求的抗菌整理剂的发展,使越来越多的产品在其加工、应用及功能消失后均不会对人类健康和生态环境造成危害。由于无机纳米抗菌剂用量少、高效、安全无毒,因此,开发环境友好的无机纳米抗菌剂,将会成为绿色抗菌剂的研究热点。

申明:本文内容仅用于学术交流。

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