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无机抗菌剂

无机抗菌剂

利用银、铜、锌等金属的抗菌能力,通过物理吸附离子交换等方法,将银、铜、锌等金属(或其离子)固定在氟石、硅胶等多孔材料的表面制成抗菌剂,然后将其加入到相应的制品中即获得具有抗菌能力的材料。水银、镉、铅等金属也具有抗菌能力,但对人体有害;铜、镍、铅等离子带有颜色,将影响产品的美观,锌有一定的抗菌性,但其抗菌强度仅为银离子的1/1000。因此,银离子抗菌剂在无机抗菌剂中占有主导地位。

无机抗菌剂

银离子类抗菌剂是最常用的抗菌剂,呈白色细粉末状,耐热温度可达1300℃以上。。银离子类抗菌剂的载体有玻璃、磷酸锆、沸石、陶瓷、活性炭等。有时为了提高协同作用,再添加一些铜离子、锌离子。
此外还有氧化锌、氧化铜、磷酸二氢铵、碳酸锂等无机抗菌剂。

1、定义

无机抗菌剂的特点是安全性、耐热性、耐久性较好,是目前纤维、塑料、建材中使用较多的抗菌剂。不足之处在于价格较高和抗菌的迟效性,不能像有机抗菌剂那样迅速杀灭细菌,而且对真菌、霉菌几乎没有抑制效果。

2、特点

虽然无机抗菌剂存在一些不足之处,但因其在缓释长效性、耐热性、安全性、广谱性和可加工性等方面较天然、有机抗菌剂有明显优势,因此无机抗菌剂已成为目前抗菌材料及技术中研究应用最多的一类抗菌剂。

3、类型

在无机抗菌剂中,主要有银系列、铜系列、锌系列和钛系列。在此基础上还有银锌复合体系、银锌铜复合系、无机有机复合体系、负离子体系等。在化学元素中,汞、铅、镉等金属也具有抗菌能力,但因其对人体有害而不被采用。

4、机理

因抗菌元素和载体材料的不同各异。以银系为代表的抗菌剂属接触反应抗菌机理,当微量的银离子到达微生物细胞时,因后者带负电荷,依靠库仑引力使两者牢固吸附,进而破坏其电解质平衡,导致微生物由于细胞壁受损而被杀灭。
另一种观点认为,银离子穿透细胞壁进入细胞内部并与SH基反应,使蛋白质凝固,破坏细胞合成酶的活性,细胞丧失分裂增殖能力而达到抗菌的作用。此外,由于银离子的催化作用,将空气和水中溶解的氧变成了活性氧,它能损坏细胞表面结构从而达到抗菌作用。
以氧化钛为代表的抗菌剂属光触媒抗菌机理是,当含有紫外线的光照射到抗菌剂时,抗菌剂产生电子和空穴,产生的电子和空气中的组分反应生成过氧化氢,空穴和抗菌剂表面的微量水分反应生成氢氧自由基,可将有机物分解成CO2和水,从而具有抗菌自洁的作用。
针对不同的应用领域,可以设计出不同抗菌效果与时效的无机抗菌剂,其技术指标也因此而有所差异。研究表明,在无机抗菌剂中引入稀土元素可以激活银系和光触媒系抗菌剂,从而更有效地强化材料的抗菌效能。

无机抗菌剂的优点:

耐热性好(>600℃),抗菌谱广,有效抗菌期长,毒性低,不产生耐药性,安全性高。
银系离子抗菌剂具有抗菌活性高、安全性好(毒性小、无刺激性、 无致癌性、无致畸形等)、耐热性好等优点。其中, 载银氟石对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的MIC(最低抑菌浓度)为62.5μg/kg-250μg/kg,对酵母类的MIC为250μg/ kg -500μg/kg,对真菌类的MIC为500μg/kg-1000μg/kg。

无机抗菌剂的缺点:

银系抗菌剂易变色,制造困难,在材料料中使用工艺复杂。
1、这类材料中游离出的银离子在阳光照射下或加热至一定温度后很容易被还原成单质银而呈灰色或褐色,影响制品颜色;
2、由于无机载体的作用,载银抗菌剂会严重影响制品尤其是薄膜类塑料制品透光度;
3、由于银原料贵重稀少,致使银系抗菌剂成本一直居高不下;
4、抗真菌和霉菌效果较差。

无机抗菌剂的应用

无机抗菌剂具有上述诸多优点,故可广泛用于各种工农业产品,具有广阔的市场前景。在国外发达国家,目前已在陶瓷、玻璃、塑料、纤维、涂料等方面获得广泛应用。现就主要应用方面分述如下。

无机抗菌剂的应用领域

1、抗菌陶瓷
传统的银系抗菌陶瓷主要分为银系和光催化两种。银系抗菌陶瓷的制备方法是将含银的无机抗菌剂直接加到釉料中,经施釉和烧结使之在陶瓷表面的釉层中均匀分散并长期存在。另一种新提出的方法是离子扩散法。其原理是当釉面与熔融银盐混合物在一定温度下接触时,由于离子的扩散作用,融盐中的银离子将逐渐扩散到釉层之中。光催化抗菌陶瓷是在制备好的陶瓷成品表面镀上一层二氧化钛或二氧化钛掺杂金属离子的溶胶一凝胶薄膜,再经过低温烧结,实现光催化抗菌功能。
2、抗菌自洁玻璃
抗菌自洁玻璃不仅能实现玻璃表面的自清洁,同时也能有效地清除室内的臭味、烟味和人体的异味,能防止玻璃在贮存运输和使用过程中发霉。其原理为:利用目前成熟的镀膜技术在玻璃表面覆盖一层二氧化钛薄膜,二氧化钛在阳光,特别是紫外线的照射下,能将空气中的氧激活成活性氧,这种活性氧能把大多数病菌和病毒杀死,同时它能把许多有害物质以及油污等有机污染物分解成氢气和二氧化碳,从而实现空气的消毒和玻璃表面的自清洁。
3、抗菌塑料
无机抗菌荆由于耐热性好,可与热塑性、热固性的塑料混炼制成塑料制品。因此,除了氧化钛类外,大多数银系抗菌剂几乎都可应用于塑料。还有日常用的制品如抗菌性薄膜、抗菌性写字板、抗菌性厨房、抗菌性文具、抗菌性电话机等。
4、抗菌纤维制品
抗菌纤维广泛用于制造医务人员工作服、住院病人服、内衣、床单等日用卫生纺织品。近年来还用于工业部门做过滤材料、包装材料和医药卫生材料等。
纤维抗菌加工的方法分为填充型和后加工型。填充型是将抗菌剂与各种合成纤维混纺成纤维。由于抗菌剂被混入纤维内部,因而得到的抗菌纤维的耐洗涤性好,抗菌效果持续时间长。后加工型是在纤维后加工过程中,将抗菌剂通过化合键或氢键结合在纤维表面,而纤维内部没有抗菌剂,所以只在短时间体现出抗菌性,且耐洗涤性较差。

无机抗菌剂的发展趋势

(1)有机/无机、无机/无机等多种复配是抗菌剂发展的一个趋势。通过复配可以拓宽抗菌剂的广谱抗菌应用范围,在低添加量的情况下可获得更高、更全面的抗菌性能。
(2)研究开发纳米级的TiO2光催化抗菌剂,提高光催化材料的活性。
(3)开发纳米载银抗菌剂载体,采用特殊的化学手段和阴阳离子置换法,将Ag置换进纳米的孔中,纳米载体巨大的比表面积为抗菌剂和细菌的充分接触创造了机会,从而提高了杀菌效率。
(4)抗菌金属化合物的研究。通过难溶或不溶化合物遇水和潮湿,在材料表面迅速达到饱和。而它的饱和浓度值大于MIC值,从而有效杀菌。一旦表面的金属离子有所消耗,溶液由饱和变为不饱和,材料中的抗菌剂会继续溶解出来,达到持续抗菌的目的。其最大特点是不必制备复杂载体,可直接添加到材料中。如钼酸银、磷酸银、草酸银、硫氰酸银、钨酸银等。

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