抗菌塑料中抗菌剂的选择及制备方法分析

张红阳

生物医药、新材料、现代农业

  • 2018-12-28
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抗菌塑料作为一种新型抗菌材料,其抗菌性能与抗菌剂的种类及制备方法有着密切关系。本文将着重分析抗菌塑料中抗菌剂选择及加工工艺。

  摘要:抗菌塑料作为一种新型抗菌材料,其抗菌性能与抗菌剂的种类及制备方法有着密切关系。本文将着重分析抗菌塑料中抗菌剂选择及加工工艺。

  抗菌塑料是抗菌材料的一种,是将各种类型抗菌剂与塑料相结合生产出自带抑菌或杀菌性能的塑料产品。其应用范围较广,主要应用在日常用品、厨房用具、通讯器材、包装材料、建筑材料等领域。近年来随着人们健康环保意识的不断加强,对于抗菌塑料制品的需求不断增长,同时也对抗菌塑料的性能有了更高的要求,不但要具有高效的抗菌性还要具备塑料的耐老化性能、高强度、热稳定性及化学稳定性等。目前抗菌塑料中抗菌剂的类型主要有有机抗菌剂、无机抗菌剂和天然抗菌剂,抗菌塑料的制备方法主要有直接添加法、抗菌母粒法、表面黏合法、层压法和后加工处理法等。

  无机抗菌剂耐高温性较好应用较为广泛

  抗菌剂对于抗菌塑料的性能具有重要意义,不同用途的塑料制品一般选取不同种类的抗菌剂,同时还要考虑塑料材料与抗菌剂的兼容性。目前抗菌塑料应用的抗菌剂主要有有机抗菌剂、无机抗菌剂和天然抗菌剂三类,在工业生产中无机抗菌剂因为其抗菌性能优异及可加工性较强,应用范围较为广泛。

  无机抗菌剂种类较多,常用抗菌剂可以分为金属元素抗菌剂和光催化型抗菌剂两大类。金属元素抗菌剂主要有铜、银、锌等金属及其化合物,目前我国抗菌塑料生产企业以银系抗菌剂为主。这些金属抗菌剂一般以离子状态存在,主要利用金属离子与细菌、霉菌及各种微生物活性中心的强结合能力杀死这类病菌。光催化型抗菌剂是以锐钛矿型的半导体氧化物为主如 TiO2、SiO2等。无机抗菌剂具有杀菌高效、耐高温、化学性质稳定、兼容性好等优点。无机抗菌剂生产工艺较为简单,通过离子交换或物理吸附的方法将抗菌剂固定在多孔蜂窝形状的载体上而形成。由于塑料在加工中需要较高的温度,而无机抗菌剂的耐高温性正好能够满足这一要求,从而成为抗菌塑料大规模生产的首选抗菌剂,目前PE、PVC、PP、HDPE等大部分抗菌塑料中主要采用的就是无机抗菌剂。

  有机抗菌剂主要指具有抗菌性能的合成物质,其种类繁多如季铵盐类、醇类、酚类、有机金属类、香醛、吡啶等物质。这些物质可以与细菌、霉菌的细胞膜表面阴离子结合,破坏蛋白质和细胞膜的合成系统,抑制细菌的生长繁殖而起到抗菌的作用。有机抗菌剂耐高温性能较差,加工温度上限只有300℃,在塑料加工成型过程中易分解。受于温度的限制,有机抗菌剂在抗菌塑料中的使用较少,部分机抗菌剂抗菌塑料产品也是使用表面黏合法和抗菌后加工处理法等对于温度要求较低的工艺。

  天然抗菌剂主要是从动植物中提炼的物质,如薄荷、柠檬叶提取物,螃蟹或虾类等节肢动物中提取的壳聚糖。天然抗菌剂的抗菌效果较强,其对大肠杆菌、枯草杆菌和金黄色葡萄球菌的有效杀菌浓度值为0.05%-0.1%。这类物质具有良好的生物相容性,对人体无毒无害,但是其加工性能极差、高温下极易分解。其在抗菌塑料中的使用主要采用后加工处理法,生产部分塑料材质的食品、药品塑料包装和日用餐具。

  抗菌塑料制备目前主要应用抗菌母粒法

  抗菌塑料生产工艺复杂,不仅需要满足塑料本身应该具备的性能,同时需具备抗菌功能,常用抗菌塑料制备方法有直接添加法、抗菌母粒法、表面黏合法、层压法和后加工处理法等。

  直接添加法是将抗菌剂混合到塑料原料中,在混料阶段可直接将抗菌剂加入高混机,通过物理手段使抗菌剂同其他材料充分混合,再进行定型和加工,这种方法较为传统,操作简单,且对于添加剂的用量容易控制,缺点是在塑料体系中的均匀性受抗菌剂与原材料及添加剂相容性的限制,抗菌剂通常以微小聚集体分布在塑料体系中,分散性差。由于在加工过程中处于高温条件下,所选用的抗菌剂一般为无机抗菌剂,可以生产包括PE、PVC、PP、HDPE、GPPS等大部分塑料制品。

  表面黏合法、层压法和后加工处理法主要是对塑料制品表面进行处理,加工工艺相对直接添加法较为复杂。层压法前期需要把抗菌剂与塑料材料制成薄片,然后在层压设备上将薄片覆盖到塑料制品上,其优点在于可选择抗菌部位,提升抗菌有效面积;表面黏合法是将抗菌剂喷洒于塑料模具内,在产品定型生产中抗菌剂会附着在产品表面,这种方法可以降低抗菌剂的使用量,但是应用范围较窄,只能在有模具的塑料产品中使用;后加工处理法则是采用喷镀法或真空溅射表面喷镀法将抗菌剂附着于塑料产品表面,加工设备成本较高,不利于规模化应用。综合来看这三种表面处理方法可以有效降低抗菌剂的使用量,提高抗菌效率,降低生产成本,但是抗菌剂仅存在于产品表面其抗菌稳定性和持久性较差,但是生产过程中对温度的要求较低,在加工过程中可以使用有机抗菌剂及天然抗菌剂。

  抗菌母粒法是目前工业生产中应用最多的方法,这种方法借鉴于色粉母粒、玻纤母粒的加工方法,将抗菌剂和树脂混合利用螺杆挤出造粒,制备成抗菌母粒,一般抗菌母粒中抗菌剂的浓度是普通抗菌塑料产品的25到50倍,其抗菌效果十分显著。在产品加工过程中再将母粒与塑料原材料混合使用,使用时不需要对抗菌剂进行表面处理,优化了抗菌塑料制品的生产工艺,同时提高了抗菌剂的分散性和相容性。

  结语

  抗菌塑料的性能主要由抗菌剂及制备工艺所决定,受制于加工温度的限制,工业化制备抗菌塑料主要选择无机抗菌剂,有机抗菌剂和天然抗菌剂应用较少。抗菌塑料的加工工艺有多种,传统方法为直接添加法,可以生产大部分塑料制品,表面黏合法、层压法和后加工处理法则主要是对塑料制品表面进行的处理,有一定的局限性,且设备成本较高,不利于大规模应用,抗菌母粒法具有抗菌高效性和持久性,成为目前抗菌塑料生产的主流工艺。随着人们健康环保意识的不断增强,对于抗菌塑料的要求不断提高,未来抗菌塑料原料选择和加工工艺都会取得进一步的发展。

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