聚合物材料的未来,塑料抗菌剂的开发使用

大部分聚合物材料在不加助剂的纯态情况下是不受微生物侵蚀的。但是，当添加了各种助剂之后，就有可能使微生物孳生、繁殖、扩展，加之表面附着细菌的生长和繁殖，将影响塑料制品的外观及性能，特别是使应用的安全性大大降低，污染所接触的各种物品，威胁人类健康。因此塑料抗菌功能的开发极其重要和必须。目前最常用和最有效的办法就是添加抗菌剂。

抗菌剂通常是指一些微生物高度敏感，少量添加到材料中即可明显抑制微生物在材料表面或本体生长的化学物质。通过添加该助剂，使塑料等材料在正常使用条件下，具有持久的抑杀细菌等微生物的能力，成为抗菌材料。

一、抗菌剂的种类

抗菌剂通常分为无机、有机、天然和高分子四大类。

1. 无机抗菌剂

无机抗菌剂是采用含有抗菌性金属负载在一定载体，通过离子交换、吸附、合金化或者化合而成。

钛系抗菌剂，主要以TiO2 这类能被光催化激活的材料为主。目前纳米TiO2作为高效抗菌剂，已应用于卫生洁具、水处理、抗菌建材和涂料等方面。

银系抗菌剂，该系列抗菌剂是目前国内使用最多的品种，根据制备工艺和载体不同，银系抗菌剂包括以下几大主要品种：沸石类抗菌剂，磷酸盐系抗菌剂，溶解性玻璃系抗菌剂，蒙脱石抗菌剂等。银-活性炭纤维型抗菌剂，载银活性炭和活性纤维抗菌剂主要用于水的净化处理。

2. 有机抗菌剂

合成有机抗菌剂虽然杀菌力强，来源丰富，但是存在耐热性差、易水解、针对性强等缺点，并具有一定挥发性和毒性。目前国外市场上有机抗菌剂多为有机含氮离子化合物，其构造类似抗静电剂，如有机碘化物、有机氯化物或它们的复合物，以及氨基酸金属盐类。

3. 天然抗菌剂

天然类抗菌剂是从动植物中提炼精制的，目前得到重点开发的是超细的壳聚糖微粉、甲壳素等。另外天然抗菌剂还有日柏醇、氨基葡糖苷等。但是天然抗菌剂由于其耐热性差、药效持续时间短，大规模商业化有待时日。

4. 高分子抗菌剂

抗菌高分子材料是通过引入抗菌官能团而获得，根据官能团不同，可以分为季铵盐型、季膦盐型、胍盐型、吡啶型及有机金属共聚物等，抗菌官能团可以通过带官能团单体均聚或共聚引入，也可以通过接枝的方式引入。目前主要有季铵盐类抗菌剂、季膦盐类抗菌剂和有机锡类抗菌剂等。季膦盐是新一代抗菌剂，其抗菌活性比相同结构的季铵盐高出两个数量级，具有广谱、高效、低毒性等优点;含有有机锡基团的抗菌剂对于革兰氏阳性细菌，尤其是对金黄色葡萄色球菌有很好杀灭率，但是对于革兰氏阴性细菌的杀灭率相对较低。此外含有吡啶型聚合物和卤代胺类聚合物也具有良好抗菌性。

二、抗菌机理

1. 抗菌材料的作用机理：

采用化学和物理方法杀灭或抑制细菌活性和生长发育的性能称为抗菌，杀死细菌或接近无菌状态的性能称为杀菌，抗菌一般习惯上包括无菌、杀菌、消毒、抑菌、防霉、防腐等。具有抗菌或杀菌功能的材料通称为抗菌材料，材料抗菌作用机理有如下几个方面：(1)干扰细胞壁的合成。细菌细胞壁重要组成为肽聚糖，抗菌材料对细胞壁的干扰作用，主要抑制多糖链与多肽交联的连结，从而使细胞壁失去完整性，失去了对渗透压的保护作用，损害菌体而死亡。(2)损伤细胞膜。细胞膜是细菌细胞生命活动重要的组成部分，因此如细胞膜受损伤、破坏，将导致细菌死亡。(3)抑制蛋白质合成。使蛋白质的合成过程变更、停止，导致细菌死亡。(4)干扰核酸的合成。总的说是阻碍遗传信息的复制，包括DNA、RNA的合成，以及DNA模板转录mRNA等。

2.抗菌剂抗菌机理

含金属离子的无机盐或络合物的无机抗菌品种最多，用途也最广，抗菌作用机理对于不同的抗菌剂是不同的，同一种抗菌剂在不同环境条件下，甚至可能呈现不同的抗菌作用机理。目前学术界对抗菌机理尚无权威定论，代表性的学说主要有金属离子溶出理论和活性氧理论两种。

(1)金属离子溶出抗菌机理

金属离子溶出理论认为：在抗菌材料使用过程中，抗菌金属离子逐渐从抗菌材料中溶出，缓释的Ag+、Cu2+、Zn2+等离子牢牢吸附并穿透细菌、霉菌的细胞壁，破坏微生物电子传输系统、呼吸系统、物质传输系统，从而迅速杀死菌体;进入细胞体后，还能与细菌的羟基反应，使细菌的蛋白质凝固，破坏细菌细胞合成酶的活性，使细胞丧失分裂繁殖能力而死亡。在光的作用下，氧化态的银离子又可成为催化活性中心，激活水和空气中的氧，产生具有很强氧化能力的OH自由基和活性氧离子，在短时间内破坏细菌中的繁殖能力，导致细菌死亡。当细菌体失去活性后，银离子又会从菌体中游离出来，重复进行杀菌活动。

(2)光催化产生活性基团抗菌机理

纳米TiO2的价带和导带之间存在禁带，当光能量大于禁带宽度时，价带电子被激发跃迁至导带，价带上产生空穴，并在电场作用下分离移至粒子表面，空穴可夺取颗料表面OH-和H2O中的电子，将其氧化成强氧化力的·OH基团。·OH可使绝大多数细菌、有机污染物最终分解为CO2、H2O等无害小分子物质。纳米TiO2的光催化抗菌，不仅可有效杀灭细菌，而且能攻击细菌细胞的外层并破坏细胞膜结构，达到彻底降解细菌，并可根除内毒素引起的二次污染。

三、塑料抗菌剂的选择

抗菌剂在塑料中实际使用时，应根据塑料的抗菌性、物性、用途和加工方法等多方面的要求，结合抗菌剂的物化指标，综合考虑和选择。主要考虑的因素有：

1. 抗菌效果

抗菌效果主要是由 I C值(阻碍细菌繁殖的抗菌剂的最小浓度)体现出来的， I C值越小证明抗菌效果越好。对于添加了抗菌剂的抗菌材料来说，其抗菌能力主要是依赖材料表面的抗菌剂来实现的，因此，添加量一般要高于其I C值。另外，还要抗菌持续性好，保持抗菌塑料能长期抗菌。

2. 抗菌范围

不同的抗菌剂对于不同细菌具有不同的抗菌能力，也就是说抗菌剂只对特定的细菌表现出抗菌性，在选择抗菌剂的时候应考虑抗菌剂的抗菌范围，抗菌范围当然越广越好。但是达不到时，也可以用几种不同的抗菌剂进行复配，以期达到理想的抗菌范围，但要注意各种抗菌剂的协同性。

3. 安全性

作为食品包装材料，抗菌剂的选用一定要对人体无害，应避免使用具有急性毒性、慢性毒性、气味较大、刺激皮肤等类的抗菌剂。因此，有机抗菌剂的使用就具有很大的局限性，而无机抗菌剂和天然抗菌剂则因其安全性成为这方面应用的热点。

4. 相容性

所选抗菌剂一定要和塑料有好的相容性和配伍性，不会对塑料制品的性能产生不良影响。

5. 稳定性

抗菌剂应具备高的热稳定性，在塑料挤出和加工过程中不分解、不变质，保持抗菌效能;同时抗菌剂颜色稳定性要好，在保存和使用过程中不变色;还要具有良好的化学稳定性，耐酸、碱和化学药品。

6. 价格

抗菌剂应有较低廉的价格，使用后不会大幅度地提高材料的成本。