水性抗菌耐污氟碳涂料的研究

data-full-width-responsive="true"> 水性抗菌耐污氟碳涂料的研究崔学军1，2，刘春海1，2，杨瑞嵩1，2，林修洲1，2，龚敏1，2( 1． 四川理工学院材料与化学工程学院，四川自贡643000; 2． 材料腐蚀与防护四川省重点实验室，四川自贡643000)引言在水性涂料中添加低表面能抗菌剂，制备适合金属表面涂装的水性抗菌耐污涂料，具有广阔的应用前景和市场价值［1-3］。目前所用的抗菌剂主要有天然抗菌剂、有机抗菌剂和无机抗菌剂三大类［4］。天然抗菌剂如芥末、蓖麻油等，使用简便但抗菌作用有限; 有机抗菌剂如季铵盐类、山梨酸等，它们的杀菌速度快，开发和使用技术成熟，但稳定性和长效性差; 无机抗菌剂主要是银系抗菌剂和具有光催化作用物质，如纳米TiO2、纳米ZnO 等。银离子抗菌剂价格昂贵，而纳米TiO2具有自身无毒、无味、无刺激性、热稳定性与耐热性好、不燃烧，可降解性等优点，成为开发研究的热点之一，但是它需要光源照射。因此很多学者致力于复合型抗菌剂的研发［1，5］，如无机－ 有机复合、Ti － Ag 复合、Cu － Zn 复合等。实验中采用具有优良抗菌性的纳米TiO2 /Ag、银复合抗菌剂，通过添加工艺的研究，制备水性抗菌、耐污氟碳涂料。1 实验1 1 材料金属基材为马口铁; 抗菌剂( nano － TiO2 /Ag 复合型) ; 水性氟碳乳液( 固含量45%) 。1 2 制备方法首先，在分散缸中加入水、分散剂和适量消泡剂，低速搅拌均匀; 然后缓慢加入复合抗菌剂和填料，高速分散30 min 后，在砂磨机内研磨30 min 至无颗粒; 在低速搅拌下缓缓加入氟碳乳液，低速搅拌60 min，使粉料与乳液及剩余的助剂混合均匀。涂料参考配方，见表1。填料主要包括钛白粉和高岭土。1 3 测试与表征1 3 1 表面形貌采用扫描电镜( SEM JSM 6360 LV) 对涂层的表面形貌进行表征。1 3 2 接触角使用GS － X150 接触角测量仪( 南京覃思科技有限公司) 对涂层接触角进行测试。1 3 3 耐污性测试将碳素墨水滴在涂层表面上，室温静置48 h，然后用棉球擦拭，考察涂层的耐污性。将涂层耐沾污性分为5 级，0代表没有效果; 1 代表有一定效果，但酒精擦拭后仍有明显痕迹; 2 代表酒精擦拭后有较浅痕迹; 3 代表清水冲洗有很浅痕迹，酒精擦拭后无痕迹; 4 代表清水冲洗后无痕迹。1 3 4 涂层抗菌测试实验采用菌落计数法对涂层的抗菌性能做定量检测。配制牛肉膏蛋白胨琼脂培养基并灭菌后，倒入已灭菌的培养皿中制得平板备用。用无菌生理盐水将大肠杆菌菌种配成103 cfu /mL 左右的菌液，并用平板计数法测定活菌数N( cfu /mL) ; 用无菌移液管吸取菌液滴于涂层上，与涂层接触若干时间后，再吸取菌液滴于平板上，用无菌三角棒涂布均匀。将平板移至37 ℃恒温培养箱中培养12 h 后，取出计算平板上的菌落数，得到与涂层接触若干时间后的活菌数N1( cfu /mL) 。灭菌率的计算公式为:灭菌率( n%) = ［( N － N1) /N］ 100%1 3 5 理化性能测试理化性能测试分别按国家标准执行，标准详见文件GB/T 1720 － 1989、GB/T 1731 － 1993、GB/T 1732 － 1993和GB/T 6739 － 1996。2 结果与分析2 1 涂层抗菌性能图1 是涂层抗菌性与抗菌剂含量的关系，可见涂层的杀菌率随抗菌剂含量的增加而增大。抗菌剂含量在0 ～ 2%范围内时，抗菌率几乎是直线增加，与抗菌剂含量呈近似的线性关系; 当抗菌剂含量在2% ～ 4% 范围时，抗菌率增加趋于平缓，约在90% 左右。图中的变化关系表征了在不同抗菌剂含量下涂料涂层的杀菌性能，从图1 中比较，当抗菌剂含量在3% 左右时，涂层具有较高的杀菌率，可以确定为最佳用量。图1 涂层抗菌率与抗菌剂含量的关系2 2 涂层耐污性能纳米二氧化钛，不但具有良好的杀菌抗菌能力，而且由于纳米效应，还具有优异的自洁耐污性能［6-7］。由于实验中选用的无机抗菌剂中含有纳米二氧化钛，因此，我们对涂层的耐污性能进行了测试，见表2。与未引入抗菌剂的涂层比较，引入0 5% ～ 3% 的抗菌剂，涂层均具有一定的耐污性能，尤其是含量在1 0% ～ 3%范围内，耐污性能达到了4 级。因此，当涂层在使用中沾有污染物时，可以用清水或酒精很容易的擦洗掉，而保持原来的良好外观。2 3 涂层的自洁性能在涂料中引入纳米二氧化钛，由于纳米粒子的存在，涂层具有一定的疏水性能［8］。因此，可以通过接触角的测量，表征涂层的自洁性能。图2 是涂层对水的接触角随抗菌剂含量的变化。未添加抗菌剂，涂层的接触角在43左右，从图3( a) ( 抗菌剂含量0) 可见，水滴在表面已经铺展润湿。抗菌剂含量在0 5% ～ 2% 范围内时，涂层的接触角随着含量的增加而递增，说明纳米抗菌剂在涂料中分布均匀，形成的涂层表面具有一定量的纳米粒子，提高了涂层的疏水性能。当含量在2% ～4%范围内时，涂层的接触角增加到80左右，从图3( b)( 抗菌剂含量4%) 中可见到水滴在涂层表面不易扩展，涂层已经具有一定的疏水性能，提高涂层的耐污性能。而且，接触角在这个范围内变化不大，说明此时的抗菌剂对涂层的接触角的用量达到了峰值，如果用量继续增加，可能会由于纳米粒子在涂料中的分散度下降，形成的涂层表面存在大量的亲水基团，导致涂层对水的接触角下降［9］，不利于提高涂层的耐污性能。2 4 涂层的表面形貌图4 是添加抗菌剂前后涂层的表面形貌。未添加抗菌剂的涂层，表面光滑、致密、平整( 图4( a) ) ; 而添加抗菌剂的涂层，表面均匀地分布一层致密的纳米粒子，这也说明了添加抗菌剂的涂层具有耐污、抗菌性能的原因。这种水性的纳米面漆，当喷涂或者刷涂到粗糙的底涂层之上时，可以随溶剂水的流动，渗入底涂层，起到填充作用; 同时，纳米粒子在表面粘结剂的交联作用下，形成具有纳米效应的多功能涂层，封闭底涂层的同时，能够提高涂层的耐腐蚀性、耐久性、耐磨性等综合理化性能［10-11］。2 5 涂层的理化性能表3 是涂层的理化性能检测结果，表明涂层的理化性能达到甚至超过技术指标中的要求。可见制备的水性抗菌、耐污氟碳涂料，具有良好的理化性能，可以用于金属表面的装饰和防护。3 结论( 1) nano － TiO2 /Ag 复合型抗菌剂的添加量为3%时，涂料涂层具有良好的抗菌、耐污性能。( 2) 添加纳米抗菌剂后，涂层表面获得了一层致密且分布均匀的纳米粒子，提高了涂层的抗菌、耐污性能。( 3) 涂层具有良好的理化性能，可以用于金属表面的装饰和防护。