季铵盐型抗菌树脂合成及其漆膜的抗菌性能

黄颖虹，郑成，毛桃嫣，林璟，陈鹏，陈瑞兰

（广州大学精细化工研究所，广东 广州510006）

引 言

随着人们对自身安全的考虑以及对环保的需求，使得抗菌材料的应用日益广泛［1］。特别是季铵盐抗菌材料的应用，遍布了各行各业。季铵盐抗菌剂早已被人们发现具有高效广谱的杀菌效果，发展到现在已广泛地应用在各个领域［2－5］。然而，目前关于季铵盐的抗菌作用机理，有很多不同的说法，但仍未确定哪种说法是最科学权威的［6］。大量研究［7－10］结果显示：季铵盐抗菌剂在低浓度时能够稳定地结合在带有负电的细菌细胞膜表面，通过扰乱细菌细胞膜的生理功能使得细菌失去控制钾离子等能力，从而达到抗菌效果；季铵盐抗菌剂在中等浓度时可通过损坏细菌的传递、呼吸等功能，影响细胞膜的正常运作；较高浓度的季铵盐抗菌剂能够将细菌的细胞膜直接溶解，破坏细胞膜使得里面的RNA等内容物泄露，将细菌杀死。

涂料作为重要的化工建材，提高其功能特别是抗菌性能，具有十分重要的意义［11－14］。添加型抗菌涂料通过以物理方式添加一定的抗菌剂，赋予涂料抗菌性能。由于抗菌剂是一种助剂，在其与涂料体系相互融合的过程中，因为涂料体系和抗菌剂具有明显的结构差异，所以两者很难混合均匀，除此之外，抗菌剂在体系中还会发生降解或迁移等问题，这使得抗菌涂料的抗菌性能迅速减弱，以至最后完全失去抗菌作用，因此，此种抗菌涂料很难被人们广泛应用［15－18］。结构型抗菌涂料，通过一定的化学反应，以化学键的方式将具有抗菌功能的基团连接在基料高分子上，赋予其稳定、持久的抗菌性能，有效避免了添加型抗菌涂料中由于抗菌剂的迁移、降解、变色等产生的问题，这是传统的添加型抗菌涂料所不能与之相媲美的。结构型抗菌涂料性能高效、稳定持久，且符合环保要求，必将成为今后发展的趋势［19－22］。

目前，结构型抗菌涂料已引起国内外学者的关注。杨保平等［15］研制出了一种丙烯酸抗菌涂料，应用在牙科修复材料中具有持久有效的抗菌性能。何经纬等［19］合成了含季铵盐结构的抗菌性甲基丙烯酸酯单体，通过聚合反应成功制备出季铵盐高分子抗菌树脂。Hadi等［18］利用大豆油、二乙胺、含多元醇的叔胺、碘甲烷、氯化苄以及二异腈酸酯为原料，合成抗菌聚氨酯涂料，并测定出该结构型涂料具有良好的抗菌性能。

本研究采用溶液聚合的方法，将季铵盐抗菌剂作为聚合单体之一，与其他单体进行反应，合成了结构型抗菌树脂，并按要求涂布成漆膜，与空白对照样相比较，测定抗菌漆膜的稳定性及抗菌性能。抗菌涂料的抗菌效果测试根据标准HG 3950—2007《抗菌木器漆》的要求，使用最小抑菌圈方法测定漆膜抗菌抑菌性能。

1 实验材料和方法

1.1 材料

丙烯酸丁酯 （AR），甲基丙烯酸甲酯 （AR），苯乙烯 （AR），甲基丙烯酸羟乙酯 （AR），成都艾科达化学试剂有限公司；十四烷基甲基丙烯酸乙酯基二甲基溴化铵，自制；氯化钠 （AR），北京鹏彩精细化工有限公司；营养琼脂 （CR），上海博华生物科技有限公司；金黄色葡萄球菌，大肠杆菌，广东省微生物化学研究所；苯扎溴铵消毒液 （洁尔灭）（CR），河北健宁医药化工厂；十六烷基三甲基溴化铵 （1631）（AR），上海至鑫化工有限公司。

1.2 分析测试仪器

红外光谱仪 （FTIR－7600），澳洲Lambda公司；DF－1015恒温加热磁力搅拌器，上海市予华伟业仪器；HKG－9131A电热恒温鼓风干燥箱，广东环凯微生物科技有限公司；FX无菌操作台，上海峰旋净化设备有限公司；LHP恒温培养箱，常州普天仪器制造有限公司；LDZX－50KBS高压灭菌锅，上海申安医疗器械厂。

1.3 结构型抗菌树脂的合成

250ml三口瓶中，磁力搅拌，加入溶剂丙二醇甲醚醋酸酯，用量为单体总量的60%，升温至90℃，滴加单体与引发剂 （80%）的混合物，滴加时间1.5～2.0h，此期间控温88～93℃，滴加完毕，补加引发剂 （20%），温度设定98～102℃，搅拌的状态下，保温2h，降温至65℃以下。用DMAEMA单体物质的量的85%乳酸中和，搅拌均匀后，即完成合成。操作步骤为在单体中添加量分别为占单体总量的2%、4%、6%、8%、10%，共合成5个不同季铵盐添加量的抗菌树脂。单体添加量配比如表1所示。

表1 单体添加量配比表Table 1 Proportion of monomers

合成反应式为

1.4 抗菌剂最小抑菌浓度测试

依照2002版卫生部 《消毒技术规范》的相关准则，季铵盐抗菌剂的最小抑菌浓度 （MIC）按照规范中 《琼脂稀释法》进行测试。将一定梯度浓度的季铵盐抗菌剂溶液与一定浓度的菌悬混合，均匀地溶解在琼脂培养基中，置于恒温培养箱中培养24h后，观察细菌的生长情况，从而确定季铵盐抗菌剂抑制受试验细菌生长的最低浓度，即为产物的最小抑菌浓度。

1.5 漆膜抑菌圈测试

结构型抗菌树脂配漆及漆膜：加入—OH物质的量的160%的异氰酸酯固化剂充分搅拌后，用蒸馏水调配成固含量为35%，依据国标将油漆涂抹于滤纸上，待漆膜干透后裁剪出直径为8mm的小圆片。

注入一定量已灭菌的营养琼脂于培养皿中，在无菌操作台紫外灯照射下自然凝固，采用刚配制好的浓度105cuf·ml－1的菌悬液，用移液枪量取0.3ml注入已凝固的营养琼脂表面，用三角涂布器将菌悬液涂布均匀。在无菌操作下将裁剪好的漆膜小圆片贴于琼脂表面，放入恒温培养箱中，设定温度为37℃，倒置培养24h，观察抑菌圈产生的情况，并确定抑菌圈直径的大小。

1.6 抗菌性能测试方法

结构型抗菌树脂配漆及漆膜：加入—OH物质的量的160%的异氰酸酯固化剂充分搅拌后，用蒸馏水调配成固含量为35%，依据国标将油漆涂抹于一定尺寸的铁板上，作为抗菌试验样漆膜。

在无菌操作台中进行，分别往阴性对照样（A）、空白对照样 （B）和抗菌涂料样 （C）滴加0.5ml的试验用菌液。在无菌操作下分别用已灭菌的铁板覆盖膜覆盖在A、B、C 3个对照样上，使其铺平且不能产生气泡，确保菌与液样品接触均匀，用培养皿装好，置于恒温培养箱中，温度设置为37℃，相对湿度RH＞90%。培养24h后取出。分别用20ml已灭菌的洗脱液，冲洗A、B、C样品及其覆盖膜，反复冲洗并将洗液振荡均匀后，用移液枪取一定量的洗液注入营养琼脂培养基中，放入恒温培养箱，温度设置为37℃，倒置培养24～48h。最后用菌落计数法对试样进行活菌计数，每次实验做3个平行样品。

2 计算方法及评价标准

2.1 抗菌率计算

本文根据国标GB 4789.2《食品卫生微生物学检验》规定中的菌落总数测定方法进行实验中菌落总数的统计。上述测定样品A、B、C培养24h后菌落数分别扩大1000倍即为其实际回收活菌数值，可按照式 （1）计算其抗菌率

式中，B为空白对照样24h后平均回收的菌落数，cuf／片 ［注：cuf（colony unit forming）为菌落数］；C为树脂漆膜样24h后平均回收的菌落数，cuf／片；R为抗菌率，%。

2.2 抑菌圈结果评价

评判标准：空白对照组无抑菌圈产生，试验样品组出现明显的抑菌圈，且抑菌圈的直径≥10mm，即为有抑菌作用。无抑菌作用或试验无效。

2.3 抗菌性能评价

根据表2抗菌性能等级表，可以确定上述计算出来的抗细菌率结果所属的级别。

表2 抗菌性能等级表Table 2 Antibacterial performance levels

3 实验结果与讨论

3.1 结构型抗菌树脂的的红外谱分析

如图1所示，波长为3382cm－1处为C—N伸缩振动吸收峰，在波长为2935cm－1处为饱和烃基的C—H伸缩振动吸收峰，2360cm－1处为空气中CO2吸收峰，1689cm－1处为酯基C＝ O吸收峰，1465cm－1处为甲基的弯曲振动吸收峰，1168 cm－1处为酯基的C—O—C的伸缩振动吸收峰。在波长3100～3000cm－1处没有烯烃的C—H振动吸收峰，在1655cm－1处没有C＝ C的面外弯曲振动吸收峰，由此说明，反应完全，合成了抗菌树脂。

图1 抗菌树脂的红外光谱图Fig.1 IR spectrum of antibacterial resin

3.2 季铵盐抗菌剂抗菌性能

分别配制浓度为1000、500、250、200、150、100、50mg·L－1的季铵盐产物、1631与洁尔灭抗菌剂水溶液，按照抗菌剂的抗菌性能测定方法，分别测试季铵盐抗菌剂、1631与洁尔灭抗菌剂水溶液对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的抗菌效果，结果如表3所示。

表3 不同浓度抗菌剂抑菌效果Table 3 Antibacterial effect of different concentration antibacterial agents

季铵盐十四烷基甲基丙烯酸乙酯基二甲溴化铵对大肠杆菌以及金黄色葡萄球菌的最小的抑菌浓度分别为250mg·L－1与100mg·L－1，1631对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的抑菌浓度分别为200 mg·L－1与150mg·L－1，洁尔灭对金黄色葡萄球菌及大肠杆菌的抑菌浓度分别为200mg·L－1与250mg·L－1。实验表明，3种抗菌剂都能够在非常低的浓度下完全抑制两种细菌的生长，并且相对于大肠杆菌，3种抗菌剂对金黄色葡萄球菌具有更小的最小抑菌浓度。

实验所用的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌分别为典型的革兰阴性菌和革兰阳性菌，由于季铵盐溶于水后会在溶液中产生阳离子，可与带负电的细菌相互吸附，季铵盐结构中的长碳链—R能结合到细菌的细胞膜上，使得细菌的细胞膜结构被破坏，从而杀死细菌或抑制细菌的繁殖。从上述实验结果可知，合成的季铵盐产物对革兰阳性菌的抗菌性能比革兰阴性菌好，导致这种结果的原因是两种细菌的细胞膜结构特点的不同，革兰阳性菌的细胞膜比革兰阴性菌含有更多的核聚糖类物质，而且细胞膜外离子密度与革兰阴性菌也不相同。实验结果显示，各抗菌剂对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的抑菌率都随着抗菌剂浓度的增加而升高。实验数据表明浓度为100mg·L－1的季铵盐产物不仅可以完全抑制住金黄色葡萄球菌的生长，并且对大肠杆菌的抑菌率达到95%以上，此浓度低于达到相同效果的1631及洁尔灭浓度。

3.3 抗菌涂料的最小抑菌圈测定

将季铵盐抗菌剂添加量分别为0%、2%、4%、6%、8%、10%的结构型抗菌树脂制成涂料并涂抹于滤纸上，按最小抑菌圈测试法进行实验，实验结果如表4，抑菌圈效果图如图2所示。

表4 不同季铵盐抗菌剂含量的漆膜抑菌圈直径Table 4 Bacteriostatic circle diameter in different concentration

图2 季铵盐型抗菌树脂抑菌圈效果图Fig.2 Result of bacteriostatic circle rendering

实验结果显示，结构型抗菌树脂和添加型抗菌树脂的漆膜添加抗菌剂后涂料均能形成明显的抑菌圈，表明了两种树脂的漆膜具有一定抑菌效果。其中，随着抗菌剂浓度的增加，结构型抗菌树脂漆膜对两种细菌的抑菌圈直径也不断增大。将具有抗菌性能的季铵盐通过共价键的形式稳定地键合在高分子树脂结构粒子表面，形成的结构型抗菌树脂中季铵盐长碳链向外延伸，吸附并接触带有负电的细菌，导致其死亡。现在市面上主要为添加型抗菌树脂，采用物理方式将抗菌剂加入涂料中而制成，抗菌作用主要依靠抗菌剂在水介质中逐渐缓释出来，与细菌接触并抑制细菌生长。从实验结果可以发现，季铵盐含量为6%的结构型抗菌树脂与某些添加型抗菌树脂的杀菌效果可以说是相当的。然而，随着抗菌剂在水介质中从漆膜主体的流失，添加型抗菌树脂漆膜的抗菌性能则会逐渐减少甚至完全丧失，而且对于抗菌剂的缓释速率难以控制，因此，从长远来看，结构型抗菌树脂漆膜的抗菌性能应该更稳定更持久。

3.4 不同季铵盐含量的漆膜抗菌效果

根据HG 3950—2007《抗菌木器漆》的测试方法，测定了抗菌树脂随着抗菌剂添加量的增加其漆膜抗菌率的变化。实验结果如表5以及表6所示。

表5 漆膜对大肠杆菌的抗菌率Table 5 Antibacterial rate on E.coli of paint film

表6 漆膜对金黄色葡萄球菌的抗菌率Table 6 Antibacterial rate on Staphylococcus aureus of paint film

实验结果可得，由季铵盐抗菌剂所合成的树脂能使树脂漆膜具有抗菌效果，并且随着抗菌剂含量的增加其抗菌率逐渐增高。实验使用无菌薄膜覆盖在带有一定量的菌悬液的漆膜表面，确保菌悬液与漆膜充分均匀地接触，此时漆膜中的有效成分能够与细菌发生吸附作用，破坏细菌的生理功能以至细菌死亡，从而达到良好的抗菌效果。实验结果显示，当季铵盐抗菌剂含量占聚合单体总量的6%以上时漆膜抗菌率已经达到标准I级抗菌效果。然而树脂中季铵盐的含量增大会对漆膜造成一定的不良影响，结合成本考虑，抗菌树脂中抗菌剂的适宜含量应该为6%。

3.5 季铵盐含量对漆膜力学性能影响

制样参照1.6节结构型抗菌树脂的配漆及漆膜方法，结果见表7。

表7 抗菌剂对漆膜力学性能的影响Table 7 Antimicrobial agent effect on mechanical performance of coating

表7的结果表明，随着季铵盐抗菌剂含量的增加，树脂漆膜的铅笔硬度和耐冲击性呈递减趋势，附着力的等级在季铵盐抗菌剂含量为8%时由1级降为2级；漆膜的柔韧性较为稳定，除了含量为10%的试验样品外，其他均能达到1级，均具有较好的抗划伤能力。从漆膜的耐温变性能实验效果可知，漆膜在－4～50℃的范围内，均没有出现开裂等现象，耐温变性能良好。综合考虑，树脂中季铵盐抗菌剂的含量应该少于6%，漆膜具有良好的力学性能。

3.6 不同环境因素对漆膜抗菌率的影响

根据不同环境因素对树脂漆膜外观影响的结果分析，得出季铵盐抗菌剂的含量为6%是抗菌树脂漆膜能够保持良好稳定性能的最大含量。接下来选取此含量的树脂漆膜，考察其抗菌率在不同环境因素下的变化。将漆膜在不同试剂下浸泡一定的时间，取出并放在超净工作台紫外灯照射下自然风干，测定其抗菌率。结果如表8所示。

表8 模拟环境对漆膜抗菌率的影响Table 8 Antibacterial effect of film under different environmental impact

由表8的实验结果可知，季铵盐抗菌剂含量为6%的抗菌树脂漆膜在不同情况下处理后仍具有一定的抗菌性能。其中，茶水、弱碱以及低温条件对漆膜的抗菌效果影响不大；用酸性试剂处理后的漆膜抗菌性能下降得比较明显，这是因为酸性使得具有弱碱性的季铵盐发生变质，影响漆膜抗菌效果。此外，在80℃高温下，季铵盐容易被氧化而黄变，使得漆膜的抗菌效果也受到一定的影响。

3.7 抗菌漆膜的擦洗耐久性结果

在现实生活中，人们会定期对家具设备等进行擦洗清理，日积月累的擦洗必然会对漆膜性能造成一定的影响。因此，考察抗菌漆膜的擦洗耐久性具有十分重要的现实意义。

表9 擦洗次数对漆膜抗菌效果的影响Table 9 Scrub times effect on antibacterial effect

通过模拟现实生活中人们对设备表面漆膜的擦洗，测定了经历不同擦洗次数后漆膜的抗菌效果。由表9可知，擦洗次数达500次，漆膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率仍保持在一级水平；经历了1000次擦洗后，漆膜对两种细菌的抗菌效果稍有下降，抗菌率保持在Ⅱ级水平。因为结构型抗菌树脂具有缓释稳定的抗菌效果，抗菌成分不会随时间而流失，因此具有较好的抗菌持效性。

4 结 论

（1）通过傅里叶红外光谱图检测和分析，对所合成的季铵盐型抗菌树脂进行表征。

（2）实验测试了季铵盐水溶液的最小抑菌浓度（MIC），对金黄色葡萄球菌MIC浓度100mg·L－1，对大肠杆菌MIC浓度为250mg·L－1。说明季铵盐产物对金黄色葡萄球菌的抗菌率比对大肠杆菌高。此外，最小抑菌圈的实验结果显示，含有季铵盐抗菌剂结构型抗菌树脂漆膜均有一定的抑菌效果。漆膜抗菌率测试结果表明，季铵盐抗菌剂的含量为6%时，漆膜对金黄色葡萄球菌及大肠杆菌的抗菌率均能达到99%以上。

（3）通过模拟现实环境中的各种因素对漆膜性能的影响，考察了抗菌树脂漆膜的耐用性能以及其抗菌持久性能。结果表明季铵盐抗菌剂含量为6%的抗菌树脂漆膜具有良好的抵抗恶劣环境的能力，同时也具有良好的抗菌持效性能。擦洗耐久性实验结果表明：漆膜被擦拭1000次后，其抗菌率仍能达到95%以上。

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