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抗菌剂与塑料与微生物三者之间的关系

抗菌剂与塑料与微生物三者之间的关系


各种各样塑料添加剂用来为高分子材料提供有用性能,但它们又极易受到微生物的侵蚀,于是抗菌剂可以添加到塑料中以增强其抵抗微生物的能力,从而有助于保持塑料性能和延长塑料制品使用寿命。

塑料抗菌剂

微生物抗菌剂

一、塑料制品受霉腐微生物侵蚀的原因

大多数合成高分子材料均具有很强的耐菌性,能够抵抗微生物的破坏,但也有部分品种(如聚氨酯、脂肪族聚酯等)因其特殊的结构易被微生物侵害。更主要的是塑料加工过程中需加入稳定剂、润滑剂、增塑剂等多种助剂,这些助剂就成了细菌和霉菌的营养源,尤其是增塑剂更容易成为微生物的食源。

1、聚氯乙烯(Polyvinylchloride,PVC):塑料中常用的添加剂,例如增塑剂、淀粉填料、增稠剂、润滑剂等尤其容易受到微生物生长的威胁,微生物将增塑剂和其他成分作为其碳源,会使材料发生变色、产生异味、出现粘性并最终导致脆化。

2、聚氨酯(Polyurethanes,PUR):发泡聚氨酯特别容易受到微生物的侵袭。原因在于发泡聚氨酯具有开孔结构,从而容易沉积土壤、灰尘以及真菌或细菌孢子,进而促使微生物在聚氨酯表面生长。聚酯型聚氨酯较聚醚型聚氨酯更容易受到微生物的影响而使产品的性能变差。

3、聚乙烯(Polyethylene,PE):通常来讲,与增塑PVC和聚氨酯相比,聚乙烯比较不容易受到微生物侵袭的影响。低分子量聚乙烯(<10,000)和支化度相对较小的聚合物受微生物侵袭的风险比较高。

4、聚酯(Polyesters):聚酯通常对微生物的降解具有抵抗力,仅仅在特殊情况下才会受到微生物的影响,例如由e-己内酯所得到的聚酯会受到微生物降解的影响。

二、塑料制品遭霉腐微生物侵蚀的危害

由霉腐微生物所引起的对塑料的生物腐蚀作用主要有三种不同的产生模式:

1、微生物利用塑料中的成分作为营养源,发生直接降解。

2、微生物代谢物(例如,酸、酶、色素)所引起的塑料制品外观的间接降解或变化。

3、微生物未发生降解,而在塑料制品表面发生沉降所引起的表面效应。

微生物的活动所造成的主要影响包括:

1、变色:霉腐微生物本身菌丝的颜色或其次级代谢物如色素的分泌,进而导致塑料表面出现粉红色、黄色、黑色等各种污点。

2、导电性质的变化:霉腐微生物在塑料表面大量繁殖,产生一些具有导电性能的蛋白质、多糖等物质,改变了高分子材料的导电性能,其绝缘性能因微生物的侵袭而发生变化。

3、机械性能的降低:霉腐微生物以各种塑料添加剂为食物源,导致增塑剂等助剂不断发生降解,使得塑料脆化、收缩、进一步导致拉伸强度和完整性的损失,最后大大缩短了塑料的使用寿命。

4、污垢的累积:由于塑料表面被微生物所侵袭,增加了表面的粗糙度,使得污垢更容易在表面堆积,从而引发恶性循环,加速塑料的降解、变质。

5、溶剂和气体的渗透性:塑料不断被腐蚀,会导致溶剂和气体渗透性提高,储存或者隔离液体、气体效果就会降低甚至失效。

6、气味:微生物的代谢会导致胺类物质、氨水或硫化氢等的产生,这些代谢产物都会形成难闻的气味。

三、塑料制品适用的抗菌剂

1、塑料抗菌剂的意义

塑料抗菌剂添加在塑料中,使塑料制品本身具有抗菌性,不仅可以防止微生物对塑料的侵害,进而避免塑料产品发生不必要的化学和物理性质的变化,或者造成塑料产品不必要的外观改变;而且还可以在一定时间内将粘在塑料上的微生物杀死或抑制繁殖,从而保护塑料制品使用人免除微生物的侵害,提高了制品的健康和卫生性能。

2、塑料抗菌剂的种类

目前可供使用的抗菌剂种类很多,大体上分无机抗菌剂、有机抗菌剂及天然抗菌剂等,每个种类对微生物的抗菌作用机理、抗菌效果、毒性,与材料的相容性、制成抗菌材料的抗菌长效性及MIC(抑制微生物的最低浓度)和MBC(杀灭微生物的最低浓度)都不尽相同,各有优势,因此不同抗菌剂的抗菌性能是不一样的。

我国在20世纪90年代开展了抗菌塑料和塑料用抗菌剂的研究工作,并在90年代末取得了巨大的进展,尤其钛系和银系两大类无机抗菌剂在家电、建材、纺织、日用品等各个领域得到广泛应用,但同时也暴露了一系列问题,无机抗菌剂虽具有耐热性、持久性、连续性和安全性等优点,但存在一些缺点,如银系抗菌剂,防霉作用弱、添加量大,成本高,易变色等特点。而天然抗菌剂由于杀菌效果一般,易分解,耐热性较差,塑料领域基本上不予采用。为此研究人员把目光投向了有机抗菌剂领域,有机系小分子杀菌剂具有初始杀菌力强、杀菌即效和抗菌谱广谱等优点,而且无论是粉状还是液体都比较容易分散到树脂去,合成技术比较成熟,价格相对便宜,缺点在耐热性和安全性方面弱于无机抗菌剂。

3、抗菌剂的必备条件

首先、塑料中使用的塑料抗菌剂应具有良好的抗菌性能,对革兰氏阴性菌(大肠杆菌等)、革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌等)具有抗菌性,抗菌率达到90%以上;如果有防霉要求的,对混合霉菌的防霉等级达到0-1级。可参考QB/T 2591-2003、ASTM G-21。

其次、塑料制品可能经常在户外或有水的环境中使用,所以在选择塑料用抗菌剂时要充分考虑制品在使用过程中洗涤和溶出的可能性,要保证制品在使用过程中抗菌性保持足够的时效。

第三、耐候性、耐热性和抗菌剂在加工与使用过程中的稳定性也是选择塑料抗菌剂时应该考虑的因素。

第四、抗菌剂和塑料基体之间具备适宜的相容性和迁移性,保证抗菌塑料制品的长期有效性。

第五、抗菌剂不会对塑料产品的性能或外观产生消极的影响,并且抗菌剂要具有储存稳定性或一定的使用寿命。

第六、抗菌剂应用方便,同时对人体、动物和环境(包括生产过程和使用环境中)具有较好的安全性。

4、抗菌添加剂的发展状况

重点开发有机高分子抗菌剂,不仅要深入研究这些抗菌剂的抗菌机理,还要加大与树脂聚合的方法研究,加快研制出高效广谱、毒性小、可以回收再生的廉价高分子抗菌剂,尤其是有机高分子抗菌材料母粒更应该得到格外重视和关注。

高度重视安全和环保性,由于抗菌材料广泛应用日用品与人们生活密切相关,另外大量抗菌塑料制品用于出口,国外发达国家和地区对所添加的助剂安全性和环保性要求比较高,尤其重视某些重金属离子成分的抗菌材料用于食品和日用品领域的毒性研究,及废弃的抗菌材料中一些有毒成分逸出,对环境造成的污染等。

四、抗菌塑料的应用领域

1、抗菌塑料在台布的应用

台布在酒类饭店、厨房餐桌有着大量的应用,与人接触非常密切。一方面,由于台布与各种人都有接触,难免会沾染各种霉腐微生物;另一方面,台布上的残留饭渣,也有利于滋生各种病菌,如金黄色葡萄球菌、沙门杆菌、大肠杆菌等多种引起食物中毒的微生物。人的手、碗、筷与沾染霉腐微生物的台布接触后,就会引起用餐人的交叉感染。因此使用抗菌台布不仅可以保证台布自身的清洁卫生,而且有利于防止传染性疾病。

2、抗菌塑料在地板革和壁纸中的应用

塑料地板革和壁纸是人们家居中使用最多的材料,使用过程中容易沉积污物、微生物等,这一方面是由于塑料地板革和壁纸容易产生静电吸附灰尘和微生物,另一方面是由于塑料地板革和壁纸中含有丰富的营养物质,在条件合适的环境中就会使微生物繁衍。地板革和壁纸上的灰尘和微生物随着人们在居室中的活动或其它原因造成的空气流通会在居室内飞扬,弥散在空气中,影响人们的身体健康。因此,防止塑料地板革和壁纸上的微生物对人的危害是非常重要的。

3、抗菌塑料的其它领域

家用电器、厨房用品、食品包装、文具用品、汽车配件、汽车内饰、电线电缆、皮革、纸张、纺织、建材、木塑复合材等各个领域。

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