塑料抗菌技術的新發(fā)展
時間:2006-08-07
本文在分析國內外抗菌材料的發(fā)展現(xiàn)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(yōu)勢，并且展望了該技術廣泛的應用前景。
人類的生活環(huán)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(yǎng)分），便會成幾何級數(shù)地迅速繁殖起來，表現(xiàn)為物品的腐敗、變質、發(fā)霉和傷口的感染化膿等現(xiàn)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(tǒng)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(fā)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(fā)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(fā)展和生活水平的提高，人們越來越重視自身健康和日常環(huán)境的衛(wèi)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(fā)展概況
現(xiàn)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(xiàn)；抗菌塑料的應用起始于80年代初，90年代進入一個大發(fā)展時期，化工、纖維、食品、電機、水泥等行業(yè)均開發(fā)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(xiàn)大規(guī)模市場化。有機抗菌劑具有殺菌速度快、抗菌范圍廣等優(yōu)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(fā)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(huán)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(huán)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(yōu)勢：
?。?）高效廣譜抗菌：由于抗菌功能團是經過精心設計和優(yōu)選的，因此對日常生活環(huán)境常見的細菌、真菌、霉菌等都有優(yōu)異的抑制效果，可有效防止易導致常見病多發(fā)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(wèi)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(wèi)生要求。
?。?）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。
?。?）優(yōu)良的穩(wěn)定性：組裝的抗菌功能團在設計時就對其穩(wěn)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(wěn)定，完全可以滿足一般塑料及纖維的加工要求。
（5）優(yōu)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(yōu)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。
?。?）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(shù)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(xiàn)在對大分子理論的貢獻，而且更重要的是其應用價值。現(xiàn)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(yī)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(qū)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(xiàn)象，會對薄膜的生產和質量產生明顯不利的影響。工業(yè)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(yōu)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(yōu)良的抗靜電性能，可取代抗靜電劑的使用，一舉兩得?？梢姺肿咏M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(xiàn)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(xiàn)類似于飲水機上出現(xiàn)的那種滑、粘的現(xiàn)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?？梢姺肿咏M裝抗菌化技術將在PP-r、PP-b上水管的發(fā)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(wèi)生用品、嬰兒的尿不濕、醫(yī)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(yōu)異的特點，還具有一定的價格優(yōu)勢，產品經國內外機構檢測，抗菌性能優(yōu)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(fā)黑的洗衣機；不發(fā)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(fā)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(fā)。由此可見，分子組裝抗菌化技術是一項有著極為廣泛工業(yè)化應用前景的技術，必將對我國高分子功能化材料工業(yè)和日常生活產生令人注目的影響。
