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抗菌防臭剂及其应用

作者:抗菌防臭剂;抗菌机理;抗菌材料  来源:抗菌防臭剂及其应用  发布时间:2010/1/21 16:40:50
摘要:阐述了抗菌防臭剂的分类、抗菌机理、特点和应用.简要评述了抗菌材料的加工方法和抗菌防臭剂的发展趋势.
关键词:抗菌防臭剂;抗菌机理;抗菌材料
随着人们生活水平的提高、消费观念的转变以及对生存环境要求的提高,具有抗菌保健功能的材料应运而生.据统计,1995年全世界因细菌传染造成的死亡人数约1 700万人,占死亡人数(约5 200万人)的32.7%.1996年,日本发生病源性大肠菌O一157感染事件,曾一度引起国人的恐慌.抗菌材料由于和人们的生活息息相关,因而成为科学研究和产品开发的热点之一.
1 抗菌防臭剂的性能及分类
抗菌防臭剂是指能够有效地抑制细菌和霉菌繁殖,造成其难于寄生的环境,且效果可持续较长时间的药剂.一个理想的抗菌防臭剂应具备以下条件:(1)对自然界中的微生物(细菌、霉菌)有广谱的药效;(2)抗菌作用强,少量即可有效;(3)安全性高,对人体无毒、无刺激,不会产生过敏等作用;(4)有良好的配伍性能,使用方便,不会因酸、碱或其它成分的影响而降低药效;(5)溶解性、分散性优良,不影响产品的基本性能和颜色;(6)环境相容性好,不会造成污染,易生物降解;(7)价格低廉.抗菌防臭剂的品种很多,按组成和来源不同,可分为有机、无机和天然抗菌防臭剂三种类型.
1.1 有机抗菌防臭剂
有机抗菌防臭剂开发较早、品种最多、应用历史也长,具有速效、防霉效果优良等特性.主要品种有:(1)季铵盐类,如二甲基十二烷基苄基氯化铵、十八烷基二甲基(3一三甲氧基甲硅烷基)丙基氯化铵(即DC-一5700)、烷基磷酸烷基铵盐等.这类抗菌剂抗菌机理是当细菌与抗菌剂处理的材料接触时,带负电的细菌会被纤维等材料上的阳离子吸引,从而束缚细菌的活动自由,抑制其呼吸,即发生“接触死亡”.另外,细菌在电场力的作用下,细胞壁和细胞膜上的负电荷分布不均匀造成变形而破裂,使细胞的内脏物如水、蛋白质等渗出体外,发生“细菌溶体”现象而死亡;(2)双胍类,如1,1 一六亚甲基双[5一(4一氯苯基)双胍]的盐酸盐或二葡萄糖酸盐、聚六亚甲基双胍盐酸盐等.主要通过妨碍细胞溶菌酶作用,使细胞壁变形或受到破坏达到杀死细菌目的;(3)二苯基醚类,如2,4,4 一三氯一2 一羟基二苯醚(简称THDE)等.此类抗菌剂能进入细菌的细胞内部,破坏细胞壁、细胞膜,抑制核酸和蛋白质的合成酶而灭绝细菌;(4)酚类化合物,如3一甲基一4一异丙基苯酚、2一异丙基一5一甲基苯酚等.可通过破坏细菌细胞膜,使胞质内溶物渗出及抑制细菌脱氢酶和氧化酶的作用,影响细菌代谢,从而起到杀菌作用;(5)咪唑类,如2一(4一噻唑基)苯并咪唑(TBZ),毒性较低,化学稳定性好,几乎不溶于水,对霉菌效力高,耐热温度可达300℃ ,但价格较高.而N一(2一苯并咪唑基)氨基甲酸甲酯(BDM或多菌灵)则是广谱性抗菌防霉剂,对线状菌有很高的抗菌活性;(6)噻唑类,如2一(4一氰硫基甲硫基)苯并噻唑(TCMTB),水溶性好,对皮肤有刺激性,毒性较大.(7)其他,如2,4,5,6一四氯间苯二腈(TPN)、N,N ,N 一三羟乙基六氢三嗪、5,7一二溴一8一羟喹啉、溴代N一十六烷基吡啶、3,4,4 一三氯均二苯基脲、2一吡啶一2硫代一1一氧钠盐等也有抗菌能力.有机抗菌防臭剂的主要缺点是耐热性较差,使用寿命短,其分解产物和挥发物可能对人体有害,毒性相对较大,应用可能会受到一定的限制.
1.2 无机抗菌防臭剂
无机抗菌防臭剂主要是将银、铜、锌等金属或金属离子及其化合物负载于担体上而形成.其中银离子抗菌力最强,已商品化的无机抗菌防臭剂多是含银离子的无机物,担体主要有沸石、磷酸锆、磷酸钙、二氧化钛等.银离子是毒性很小的离子,在人体内难于积累,担体的毒性也很小,因此,无机抗菌防臭剂有安全性高,抗菌谱广且持久,不易产生抗药性,无刺激,耐热性高的优点.
无机抗菌防臭剂的抗菌机理一般认为有两种.其一是溶出型:银离子从担体中缓慢溶出后,与细菌或霉菌细胞中酶蛋白的巯基(一SH)等基团反应,使酶蛋白结构遭受破坏,阻碍能量来源,抑制细菌的繁殖而导致细菌死亡.据测定,水中含银离子为0.05 mg/L时就能完全杀灭大肠杆菌,并可保持在90天内无新的菌丛繁衍.其二是光催化型:银型二氧化钛在光照射下,二氧化钛微粒能催化空气中的氧变成活性氧(·O2-),使吸附的水生成羟基自由基(·OH),生成的羟基自由基和活性氧都非常活泼,有很强的氧化还原能力,能与包括细菌及分泌的污物在内的有机物发生反应,从而将细菌等杀灭和消除.同时活性氧自由基能和多种臭味物质反应根除臭味来源.此类抗菌剂有很强的氧化力和防臭功能,但缺点是在阴暗处不能显现抗菌力由于银系无机抗菌防臭剂有许多优点,近年来发展很快,但也有一些不足:(1)价格较高,比有机抗菌防臭剂高20~30% ;(2)银离子抗细菌效果良好,但抗霉菌效果较差;(3)银离子会慢慢被还原成银,使织物带色而影响产品质量;(4)因是无机粉末,颗粒度较大,要达到相同的抗菌率,则添加量较大.
1.3 天然抗菌防臭剂
天然抗菌防臭剂主要是从天然的动植物中提炼精制而成,因克服了某些化学合成抗菌防臭剂潜在的致癌、致畸和致突变作用,且耐候性优良、毒性低、使用安全、环境相容性好、易生物降解,所以是一种很有发展前途的抗菌防臭剂.按其来源不同,又可分为两类:(1)植物类,如将茶叶榨出物加入床单、尿布和餐巾纸等中,可赋予这些物品良好的抗菌性.日本联合化学工业公司的UNIKA MCAS一25就是含3%微胶囊化日柏醇的树脂,用热浸吸法处理纤维30 min后干燥可使纤维具有抗菌性,它主要通过对细胞的溶菌酶作用,破坏酶系统,阻碍细胞内外的物质运输,抑制细菌代谢繁殖来达到抗菌目的;(2)动物类,如从虾、蟹等甲壳动物的壳中提炼的甲壳质经脱乙酰化后制得的壳聚糖(chitosan),因结构中含有多个羟基及氨基等极性基团,故有很强的水合作用,保湿性能好,同时分子中的氨基又能和细菌细胞壁所含的磷酸酯等解离出的阴离子结合,使细菌自由活动受阻,阻碍细胞壁生物合成,使组织变化引起紊乱达到抗菌目的.又由于壳聚糖具有微细的小孔结构,有毛细管作用,吸附的汗液可以迅速散发出去,使细菌不易附着和滋生,从而增强抗菌防臭作用.日本富士株式会社将制得的壳聚糖微细粉末(粒径在5 um以下),以纤维重0.3~3.0% 用量均匀地混入粘胶纤维中制成壳聚糖粘胶纤维“chitopoly”,具有抗菌性强、耐洗涤和生物降解性好等优点,洗涤50次后仍保持较好的抗菌效果 .
天然抗菌防臭剂种类繁多,抗菌性能差异很大,缺点是寿命短,耐热性差,因从天然动植物中提取抗菌成分较难,且成本高,同时受到加工条件的制约,目前还未实现大规模的商品化.
2 抗菌材料的加工方法 
抗菌材料多是由普通材料中加入抗菌防臭剂组分而制得,其加工方法有后处理法和共混法两种:(1)后处理法是指制成纤维或制品后,再用抗菌剂配制的药液进行浸渍或喷涂,从而赋予纤维及制品抗菌活性的方法.用于此法的抗菌剂主要是有机和天然类抗菌剂,无机抗菌剂用的较少.此法的抗菌作用多是由于抗菌剂从材料表面溶出而显示抗菌性的.该法使用方便,工艺简单,可根据抗菌材料的产量、品种而灵活用于生产,但此法处理时间长,有些存在环境污染问题.(2)共混法多指将抗菌剂以共混的方式加入到原料中,再进行成型加工或纺丝的方法.与后处理法不同,共混法是通过抗菌剂露出材料表面或部分溶出而显示抗菌性的,当材料表面的抗菌剂减少时,材料内部的抗菌剂又可向外扩散使之得以补充,因此,抗菌材料的抗菌耐久性好,耐洗涤性好.因成型或熔融纺丝温度较高,故此法一般使用耐热性较高的无机抗菌剂.
3 抗菌防臭剂的应用
抗菌防臭剂因能杀灭或抑制微生物繁殖,符合当代人追求高质量生活的需求以及对生态环保的要求,因而其应用领域越来越广泛,如纤维、塑料、涂料、卫生陶瓷、家用电器等.其中纤维制品和塑料制品是抗菌剂应用最广的领域.
3.1 抗菌纤维及抗菌纺织品
目前,市场上有代表性的抗菌纤维可用于制造几乎所有抗菌纺织制品.
家用抗菌纺织品有:内衣、运动衣、袜子、毛巾、浴巾、床单、被罩、枕套、围裙、抹布等.医用抗菌纺织品有:医护人员工作服、病人服、医用床单、被罩、枕套等.
3.2 抗菌塑料
塑料中添加抗菌防臭剂可赋予塑料抗菌和杀菌性能,保持其卫生清洁状态,减少因使用塑料制品而产生的交叉感染.抗菌塑料几乎覆盖PP、ABS等所有主要塑料品种.抗菌塑料主要包括下列制品.食品用制品有:食品包装袋、果蔬保鲜膜、切菜板、餐具等.建材用制品有:塑料管材、装饰板、壁纸、卫生间设施等.电器用制品有:洗衣机的洗涤桶,电冰箱内的果蔬盒、胶管、食品盘,空调的过滤网、换气管等.电子通讯用制品有:电话机、传真机、键盘、话筒等.医疗卫生用制品有:输液管、注射器、医疗设施等.其它制品:如抗菌玩具、抗菌文件夹、抗菌牙刷等.
3.3 抗菌涂料
抗菌涂料有别于添加防腐剂的涂料.防腐剂是起到防止罐内微生物污染而变质,抗菌涂料是针对涂料使用后,受环境微生物的侵蚀长霉,品质下降,进而污染整个生活环境的不足而开发的新品种.
3.4 抗菌陶瓷
将抗菌防臭剂加入到陶瓷器、瓦片等的釉药中,制得抗菌瓷砖、瓷片、碗、碟等卫生陶瓷制品.
3.5 其他
氧化钛类含银胶状液制剂,根据制剂的形状,可用于抗菌化妆品、抗菌香波等的制备.
4 抗菌防臭剂的发展趋势
抗菌防臭剂的应用起源于第二次世界大战期间,当时德军由于穿抗菌军服而减少了伤员的细菌感染. 6o年代多使用有机抗菌剂制造抗菌纺织品.84年无机抗菌剂开发成功,之后得以快速发展,使抗菌剂不仅用于纤维及纺织品,也用于塑料等制品.目前,美、英、日、德等国家,尤其日本在抗菌防臭方面研究最为活跃,技术领先.我国在80年代末才开始研究和生产抗菌材料.但如前所述,各类抗菌剂各有优缺点,设法提高抗菌剂同时抗细菌和霉菌能力,提高耐洗度、药效持久性等就成为研究的热点.目前,抗菌防臭剂研发趋势主要包括以下几方面:
(1)开发无机一有机复合抗菌剂.可充分发挥无机抗菌剂抗细菌效果好和有机抗菌剂抗霉菌效果优良的特点.如日本的一些研究者在研究用层状粘土作担体,利用层间插入技术(intercalation),将有机抗菌防臭剂引入到用银离子交换过的蒙脱石和皂石类粘土的层间隙中,这样可提高其耐热温度,在高温下使用时,银离子和有机抗菌防臭剂可慢慢地一起释放出来,达到高效抗菌目的.
(2)利用共聚法把抗菌剂接到生产制品的原料上.通过嵌段共聚或接枝共聚将抗菌剂接到制品原料上,再进行成型加工或纺丝.抗菌耐久性几乎与制品的寿命一样长,但此法工艺复杂、成本高.El本窒素公司以N一[3(二甲胺基)丙基]甲基丙烯酰胺作抗菌剂,分别与乙烯和丙烯共聚,然后制备乙一丙皮芯结构纤维,该纤维在常温下1h内对革兰氏阳性菌、阴性菌和霉菌有极强的抑菌作用.
(3)对现有抗菌剂品种进行改性.前述一般含银无机抗菌剂存在变色问题,如加以改进可望加以解决.如以BaSO4为载体的表面上沉淀0.2% Ag,然后再包覆4.2% SiO:、A1203保护层,最后为1%壬二酸二辛酯有机层,将该抗菌剂用于尼龙66纺丝熔体,可得白色纤维,抗菌效果优良.
总之,国内抗菌防臭剂的研究尚处在起步阶段,随着应用领域的不断扩大,研发具有抗菌保健功能的材料及抗菌防臭剂必将有着更加广阔的发展前景和巨大的市场潜力.

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