壳聚糖/杉木粉/PVC复合材料表面抗菌功能化研究

2015-12-21徐开蒙李凯夫

中南林业科技大学学报 2015年1期

徐开蒙，李凯夫，冯静

(1.西南林业大学材料工程学院，云南昆明 650224；2.华南农业大学高新技术木质复合材料工程中心，广东广州 510642；3.广东省微生物研究所菌种保藏与应用重点实验室，广东广州 510070)

徐开蒙1，李凯夫2，冯静3

采用贴膜法评价了添加不同分子量和脱乙酰度壳聚糖的杉木粉/PVC复合材料抗大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的性能，并通过X射线光电子能谱(XPS)进行表面元素分析。结果表明：在其他条件完全相同的情况下，添加平均分子量为32W和脱乙酰度为95％的壳聚糖时，复合材料的表面抗菌效果最佳，且对金黄色葡萄球菌抗菌效果明显优于大肠杆菌；XPS的分析也显示添加壳聚糖后，样品表面出现一定强度N1s的谱峰，且C1和C2的峰面积比从1.87下降至1.82，说明复合样品的表面均匀地聚集了一定数量的壳聚糖，使样品表面具有抗菌功能。

壳聚糖；杉木粉；PVC；复合材料；抗菌性

随着社会经济的快速发展和人类生活水平的日益提高，人们对材料及其加工制品的需求目光会更加聚焦于“生态、环保、卫生、健康”等能促进人体身心健康、改善生活和工作环境的新型环保功能性材料。在功能材料的众多研究领域中，抗菌功能，由于与人们的生活及身体健康关系最为密切，所以一直在材料界占据有举足轻重的地位。近些年来，由于木塑复合材料的快速发展，并且其所具有渗透到更为广泛应用领域之中的巨大潜力[1-3]，如医院设施、公共卫生器具、室内家具及装饰、儿童家具、卫浴家具、公共场所设施及日常生活用品等，故对木塑复合材料抗菌功能的研究被提上日程。

在抗菌功能材料中一般是通过添加一定量的化学合成抗菌剂，常见的如无机金属离子(如Ag+、Zn2+、Cu2+)抗菌剂及有机合成抗菌剂(如季胺盐类、双胍类、醇类、酚类、吡啶类、咪唑类、噻吩类等)来提升材料的抗菌效能[4]，但此法存在相容性差、毒性大、易残留及易渗入人表皮等缺点[5-6]。对于天然壳聚糖此种本身对木粉/PVC复合材料具有界面增强功能的天然产物来说[7-8]，其报道中的抗菌特性对于木塑复合材料的功能复合材料的研究有重要价值[8-9]，故本课题组在先前的研究基础上继续研究添加不同分子量及不同脱乙酰度的壳聚糖的杉木粉/PVC复合材料，对具有典型代表性的革兰氏阴、阳菌种的抗菌性能进行评价，并采用X射线光电子能谱(XPS)对壳聚糖添加与否的复合材料表面元素进行差异定量对比分析，揭示不同组别复合材料抗菌功能差异的缘由，也为后续壳聚糖抗菌木塑复合材料的进一步研究分析及实际应用奠定基础。

1 材料和设备

1.1 试验材料

PVC树脂，型号SG-5，购自天津大沽石化有限公司；杉木粉，80～100目，由名山新材料科技有限公司提供；大肠杆菌Escherichia coli ATCC 8739和金黄色葡萄球菌Staphyloccocus aureus ATCC6538，由广东省微生物研究所菌种保藏与应用重点实验室提供；牛肉浸膏，蛋白陈，购自上海东海制药厂；氢氧化钠、氯化钠、盐酸，分析纯，均购自天津展天化工有限公司；壳聚糖(工业级)，脱乙酰度95％，包含3种分子量(32、56、86W)，3种脱乙酰度(70％、80％、95％)，灰分约0.7％，购自浙江金壳生物化学有限公司。

1.2 试验仪器

SW-CJ-ZF超净工作台，江苏苏州净化设备公司；DHP-360恒温培养箱，济南科翔仪器有限公司；SHJ-20同向双螺杆挤出机，南京杰恩特机电有限公司；LSE-35锥形双螺杆挤出机，联塑挤出机设备有限公司；SHR-10A高速混合机，张家港格兰机械有限公司；ESCALAB250型X-射线光电子能谱(XPS)，Thermo-VG Scienti fic公司。

2 试验方法

2.1 壳聚糖/杉木粉/PVC木塑复合材料的制备

选用32、56、86W不同分子量，标记为X-L、X-M、X-H；同一分子量和添加量下，70％、80％和95％不同脱乙酰度，标记为X-70、X-80、X-95。将壳聚糖加入复合物料之中，制备方法与先前采用的一致[7]，并将制备好的复合材料裁切成固定大小的片材待用。

2.2 壳聚糖/杉木粉/PVC复合材料表面抗菌性评价方法

采用贴膜法评价材料的表面抗菌性，悬浮菌液的配置方法参看QB/T2591-2003，抗菌率计算公式如下式(1)所示。每组设置3个重复，计算其平均值和标准差，采用Duncan新复极差法进行方差分析。

式中：R是抗菌率，％；C2是未添加壳聚糖的空白样品菌落数；C1是添加壳聚糖的不同组别的样品菌落数。

2.3 材料表面X-射线光电子能谱分析(XPS)

采用X-射线光电子能谱(XPS)对复合材料抗菌试片表面元素进行测试分析，其工作条件为：真空度2×10-9mbar；单色化AlKα源；能量为1 486eV、15kV、150W；束斑大小500μm。

3 结果与分析

3.1 同一添加量和脱乙酰度下添加不同分子量的壳聚糖后复合材料的抗菌性分析

从图1抗菌效果图中和表1的分析数据可知，同一添加量和脱乙酰度下分别添加不同分子量(32、56、86W)的壳聚糖后不同组别复合材料抗大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的效果各异。

对于大肠杆菌来说，组X-L-a对复合材料表面的抗菌效果最佳，抗菌率为77.99％。这与前人研究结果相一致，即壳聚糖分子量越低，其抗菌能力越强[10]。对于金黄色葡萄球菌来说，壳聚糖的平均分子量为32W(即组X-L-b)时，所对应的复合材料表面的抗菌效果最佳，抗菌率可达83.76％。从菌落数对比分析中值得注意的是，在同一条件下，复合材料对金黄色葡萄球菌的抗菌性优于大肠杆菌。

3.2 同一添加量和分子量下添加不同脱乙酰度的壳聚糖后复合材料的抗菌性分析

对于同一添加量和分子量下添加不同脱乙酰度(70％、80％和95％)的壳聚糖所制备的复合材料来说，其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效果见图2和表2。从图2和表2中的具体数据及分析可以看出，脱乙酰度70％和80％之间(X-70和X-80)的抗菌性差异较为显著，而脱乙酰度80％和95％(X-80和X-95)之间的差异不大。三组中，对大肠杆菌抗菌性最好的为X-95，抗菌率为88.10％，这可能是由于脱乙酰度的提高，壳聚糖分子链上裸露的-NH2密度就会增加，在适宜的环境中，抗菌因子-NH3+的密度增加所致[11-12]。对比同样条件下复合材料的抗金黄色葡萄球菌性能可知，添加脱乙酰度为95％的壳聚糖复合材料X-95组的表面抗金黄色葡萄球菌效果最佳，抗菌率高达98.41％，而X-70和X-80组的抗菌率分别为85.75％和82.61％，该结果与先前文献报道中抗菌率随着脱乙酰度的增加而增强稍有不同[13]，由于试验数据差异不明显，也可能是由于试验中的不同误差的积累而造成的。

图1 同一添加量和脱乙酰度下添加不同分子量壳聚糖后复合材料抗大肠杆菌和金黄色葡萄球菌效果Fig.1 Anti-Escherichia coli effects of different composites with different molecular weight chitosan with same addition amount and deacetylation degree

表1 同一添加量和脱乙酰度下添加不同分子量的壳聚糖后复合材料抗大肠杆菌结果†Table 1 Anti-Escherichia coli resluts of different composites with various molecular weight chitosan at same addition amount and deacetylation degree

图2 同一添加量和分子量下添加不同脱乙酰度壳聚糖后复合材料抗大肠杆菌和金黄色葡萄球菌效果Fig.2 Anti- Escherichia coli effects of different composites with various deacetylation degree of chitosan at same addition amount and molecular weight

表2 同一添加量和分子量下添加不同脱乙酰度的壳聚糖后复合材料抗大肠杆菌结果†Table 2 Anti-Escherichia coli results of different composites with various deacetylation degree of chitosan at same addition amount and molecular weight

3.3 复合材料表面X射线光电子能谱分析(XPS)

3.3.1 样品表面XPS宽扫描全谱图分析

图3(a)为未添加壳聚糖的杉木粉/PVC复合材料表面XPS宽扫描全谱图。从图3(a)中可以看出，电子结合能在531.82、284.82和200.32eV时分别对应O1s、C1s和Cl2p的较强谱峰，其谱峰强度计量数分别为5 487.03、8 237.97和1 980.12。图3(b)为添加了35 phr壳聚糖的杉木粉/PVC复合材料表面XPS宽扫描全谱图，对比后发现a、b两曲线形状基本相似，在电子结合能为532.59、285.09和200.09eV时分别对应O1s、C1s和Cl2p的较强谱峰，各自的谱峰强度计量数分别为6 403.60、10 151.35和1 772.30，但除此之外，在电子结合能为400.09eV附近有一定强度的N1s谱峰，其强度计量数为4 032.57，说明在复合样品的表面存在一定数量的壳聚糖，从而导致了样品表面具有一定的抗菌性能。

图3 未添加和添加35 phr壳聚糖的杉木粉/PVC复合材料表面XPS宽扫描全谱图Fig.3 Wide-scan XPS spectra of WF/PVC composites without or with 35 phr chitosan

3.3.2 样品表面C1s的XPS谱图分析

图4 为未添加和添加35 phr壳聚糖的杉木粉/PVC复合材料表面C1s谱图，根据C1和C2的基本峰位采用分峰软件中的Gaussian法对C1s谱峰进行分峰处理，其处理后具体数据见表3。

图4 未添加和添加35 phr壳聚糖的杉木粉/PVC复合材料表面C1s谱图Fig.4 XPS spectra of C1s of WF/PVC composites without or with 35 phr chitosan

表3 未添加和添加35phr壳聚糖的杉木粉/PVC复合材料表面C1S的XPS参数Table 3 XPS parameters of C1s of WF/PVC composites without and with 35 phr chitosan

图4(a)显示复合材料样品表面的C1s谱图由2个峰叠加而成，按其电子结合能的位置分别归属于C1和C2，结合表3中数据可知，C1的峰强度计量数为7 981.33，其相对峰面积为65.20％，C2的峰强度计量数为3 115.12，相对峰面积为34.80％，两者的峰面积比为AC1/AC2为1.87；在图4(b)添加35 phr壳聚糖的杉木粉/PVC复合材料表面C1s谱图中，C1的含量有所增加，C1的峰强度计量数为10 249.01，所对应的相对峰面积为64.57％，而C2的峰强度计量数为3 599.21，C2的相对峰面积为35.43％，两者的峰面积比为AC1/AC2为1.82。这些现象产生的原因主要是由于添加壳聚糖后，样品表层的C元素大大增加，故C1和C2的峰强度均上升，另外由于壳聚糖主要结构的(l，4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖中的C-O结合明显增多，导致C1和C2的峰面积AC1/AC2有所下降。

4 结论

(1)在同一添加量和脱乙酰度下分别添加不同分子量的壳聚糖后，当添加的壳聚糖的平均分子量为32W时，对复合材料表面的抗菌效果最佳，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别为77.99％和87.68％。

(2)对于同一添加量和分子量下添加不同脱乙酰度的壳聚糖所制备的复合材料来说，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抗菌效果最好的均为组X-95，抗菌率分别达88.10％和98.79％，这是由于脱乙酰度的提高导致壳聚糖分子链上裸露的-NH密度增加，在适宜环境中，抗菌因子-NH+23增加所致。

(3)添加壳聚糖的复合材料表面有一定强度的N1s谱峰，且C1和C2的峰面积比从1.87下降至1.82，这两个现象均说明在复合样品的表面存在聚集了一定数量的壳聚糖，从而导致样品表面具有抗菌性能。

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Study on surface anti-bacterial function of composites made from chitosan,Chinese fi r powder and PVC

XU Kai-meng1,LI Kai-fu2,FENG Jing3
(1.College of Material Engineering,Southwest Forestry University,Kunming 650224,Yunnan,China; 2.Wood-based Composites Engineering Center,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,Guangdong,China; 3.Guangdong Key Lab.of Microbiol Culture Collection and Application,Guangdong Institute of Microbiology,Guangzhou 510070,Guangdong,China)

s:The anti-bacterial functions(Escherchia coli and Staphyloccocus aureus)of PVC/wood powder composites after added chitosan of different molecular weight and degree of deacetylation were estimated by sticking membrane method,and XPS was used to analyze the elements of sample surface.The results indicate that the sample with average molecular weight of 320000 and degree of deacetylation of 95％ had the excellent anti-bacterial performances for both Escherichia coli and Staphyloccocus aureus,and the latter was better than former; The XPS analysis showed that after added chitosan,the sample surface appeared spectral peak with intensity N1s,the peak area ratio of C1 and C2 decreased from 1.87 to 1.82.The fi ndings suggest that the surface of composites evenly gathereda certain number of chitosan,thus making the sample surface has antibacterial function.

chitosan; fi r powder; PVC; composites; anti-bacterial property

S781

1673-923X(2015)01-0117-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.01.021

2013-11-10

广东省科技计划项目(2011B020310002)；广东省林业科技创新项目(2011KJCX015-01)

徐开蒙，博士，讲师；E-mail：xukm007@163.com

徐开蒙，李凯夫，冯静.壳聚糖/杉木粉/PVC复合材料表面抗菌功能化研究[J].中南林业科技大学学报,2015,35(1):117-121.

[本文编校：谢荣秀]