抗菌塑料的研究进展简述

张立娟（金发科技发展有限公司，上海 201714）



抗菌塑料的研究进展简述

张立娟
（金发科技发展有限公司，上海 201714）

摘 要：介绍了无机、有机和天然生物三类抗菌剂，重点介绍了无机抗菌剂的种类和应用现状；对比了五种常用抗菌塑料制备方法，直接添加法、抗菌母粒法、表面黏合法、层压法和后加工处理法；针对国内外抗菌塑料的检测标准，简单介绍了最常用的评价抗菌性能的两个指标，抗菌率和抑菌环；最后对抗菌塑料的发展做了一些展望。

关键词：抗菌塑料；抗菌剂；应用

随着塑料的广泛使用，塑料制品已经走进千家万户和人们生活的方方面面，如食品包装、家用电器、厨卫用品、汽车配件和医疗设备等领域。日常生活中塑料制品表面往往会带有大量的细菌，成为疾病传染的媒介，对于人类的健康和生命产生很大的威胁。抗菌塑料作为一种新型功能材料，可从根源解决细菌感染问题，进而提高人们健康水平。而近些年来频繁出现的疫情，如2003年的SARS、2009年的H1N1流感和2015的埃博拉病毒等，更是让人们认识到发展抗菌塑料的紧迫性[1]。

顾名思义，抗菌塑料就是在塑料中加入一定量的抗菌剂，使其具有抗菌性能，同时又不损失其原有的常规性能和加工性能。理想的抗菌塑料应具有高效、长效、广谱、安全无毒无刺激等性能，抗菌剂的种类和加工工艺将直接决定最终产品的使用性能，从安全角度讲，人们希望加入少量的抗菌剂而达到高效的抗菌性能。

本文综述了近几年来抗菌剂的研究发展状况、抗菌塑料的制备方法及其性能检测标准，并对抗菌塑料的今后发展做了一些展望。

1 抗菌剂的研究

目前，抗菌剂主要分为无机、有机和天然生物抗菌剂三大类。抗菌剂的种类和加工能力是决定抗菌塑料制备的关键因素，以下分别对三种抗菌剂加以阐述，对在工业生产中应用最广泛的无机抗菌剂进行重点说明。

1.1 无机抗菌剂

常用的无机抗菌剂可以分为金属元素抗菌剂和光催化型抗菌剂两大类。传统的金属元素抗菌剂主要有Ag、Cu和Zn等金属及其化合物，Ag、Cu和Zn三种元素的抗菌性依次减弱[2]。目前我国主要使用银系抗菌剂，而美国主要采用铜系抗菌剂。银在一定波长的照射下可作为催化活性中心，在其周围空间产生氧原子，由氧原子的强氧化性起到杀菌的作用。光催化型抗菌剂是以锐钛矿型的半导体氧化物，如TiO2、ZnO以及SiO2等。

目前无机抗菌剂的研究重点集中于抗菌剂的纳米化，研究发现抗菌剂粒子的抗菌性能随着粒径的减小而提高[3]。目前，在生物医疗器械制备领域，纳米银抗菌剂已成为国内外研究热点，并且已有大量产品应用生物医用材料和医用耗材[4]。而对于半导体氧化物，其吸收光能后，纳米粒子可生成离子―空穴对，离子―空穴对与表面吸附的水、空气反应，将OH-转变为化学活性很强的氢氧自由基（·OH）和超氧化物阴离子自由基，这些高活性自由基可用来杀死微生物[5-6]。

无机抗菌剂优点是具有安全性、持久性、耐热性，并且制备工艺简单，加工过程主要是利用离子交换或物理吸附等方法将其固定在多孔蜂窝形状的载体上，如沸石、活性炭和硅胶等[7-8]。鉴于塑料的加工工艺，即加工过程需要较高的温度，无机抗菌剂的耐热性是其能够大批量的应用于工业化大批量制备抗菌塑料的关键。

1.2 有机抗菌剂

有机抗菌剂主要指合成有机抗菌剂，其突出特点是种类多、针对性强等，常见有机抗菌剂种类有季铵盐类、双肌类、醇类、酚类、有机金属类、毗陡类、咪哇类、唾吩类等。有机抗菌剂在抗菌塑料加工工业中使用量较少，因其耐热性差，只能在300℃以下使用，在塑料加工成型过程中易分解，丧失抗菌效果。1.3 天然抗菌剂

天然抗菌剂主要来源于动植物，如薄荷、柠檬叶提取物，节肢动物提取物甲壳素脱乙酰化制得的壳聚糖，其中壳聚糖是目前的研究热点[9]，它具有良好的生物相容性和可降解性，对人体无害。对于壳聚糖的抗菌机理，目前主要有两种理论：一是壳聚糖分子中的NH3+带正电，吸附在细胞表面，形成一层高分子膜，阻止细胞内外营养物质运输；另一理论为壳聚糖使细胞膜和细胞壁上的正负电荷分布不均，破坏细胞壁的合成与溶解平衡，溶解细胞壁，从而起到抗菌作用[10]。

2 抗菌塑料的制备

抗菌塑料加工的关键在于提高抗菌剂在塑料中的分散性、相容性以及在制备过程中的稳定性[11]。抗菌塑料生产工艺复杂，不仅需要满足塑料本身应该具备的机械性能、耐老化性能、化学性能等，同时需具备抗菌功能，常用抗菌塑料制备方法有直接添加法、抗菌母粒法、表面黏合法、层压法和后加工处理法等[12]。

直接添加法和抗菌母粒法主要应用于抗菌塑料粒子，即原材料制备。塑料粒子加工过程主要分为混料和挤出工序，在混料段可直接将抗菌剂或抗菌母粒加入高混机，通过物理手段使抗菌剂同其他材料充分混合，提高抗菌剂在塑料中的分散性。表面黏合法、层压法和后加工处理法主要应用于抗菌产品成型过程中，根据最终抗菌产品的加工过程选择不同的方法，如表面黏合法是在通过在成型模具表面喷洒抗菌剂使产品表面黏附抗菌剂，后加工处理法是对塑料制品进行表面处理，目前可采用的方法主要有喷镀法和真空溅射表面喷镀法[12]，但设备成本较高，不利于工厂大批量生产。分析抗菌塑料的加工过程可知，表面粘合法抗菌剂的用量更少，可有效降低生产成品，但抗菌剂仅存在与材料表面其抗菌功能的稳定性和长效性较差。

母粒法是目前最常用的制备方法[13-14]，该方法借鉴于色粉母粒、玻纤母粒的加工方法，通过两步加工法将抗菌剂添加至塑料基体中。首先将抗菌剂和基体树脂充分混合，然后利用螺杆挤出机造粒，制备抗菌母粒，在批量化生产过程中，将抗菌母粒与树脂再次混合，挤出并造粒。抗菌母粒中抗菌剂的浓度是最终抗菌塑料制品中浓度的25到50倍[15]。相较于直接添加法，抗菌剂的分散效果更好，同时抗菌剂同塑料基体的相容性有所改善[16]。

3 抗菌塑料的性能检测

抗菌塑料是具备抗菌功能的塑料，需要同时达到作为塑料使用时的性能要求和抗菌要求。本文只关注抗菌塑料的抗菌性能检测。

目前国内外抗菌塑料的检测标准主要有ASTM E 2149(2010)、ISO 22196(2007)、JIS Z 2801(2006)、QB/T 2591(2003)、JC/T 939(2004)和GB21551.1(2008)。

根据抗菌塑料的亲疏水性、形态结构和抗菌剂的类型，可运用不同的测试方法[17]。检测方法主要是根据微生物对样品敏感程度来进行分类。

最常用的评价抗菌性能的两个指标是抗菌率和抑菌环。

抗菌率的计算见式（1），是一种定量表征的测试方法，主要有振荡法和贴膜法，其中贴膜法用于表面平整试样的性能测定，而振荡法则用于表面不规则样品或是塑料母粒的抗菌性能测定。

抗菌率/ %＝（空白试样上的菌数－抗菌试样菌数）/空白样菌数×100 式（1）抗菌环是一种半定量式表征方法，通过测量抗菌环的大小来评价抗菌能力的强和弱，该方法简便快速，但是对于不同的抗菌剂，数据的可比性较差，实际使用的过程中存在一定的局限性[18]。

4 结语与展望

抗菌塑料，尤其是纳米抗菌塑料作为国家重点支持的新材料产业，在近几年得到了快速发展，目前仅抗菌聚丙烯年消耗量就已超过5万吨，随着人们环境和健康意识的增强，抗菌塑料的需求量会越来越大。在过去的三十年里，抗菌剂的研究取得了一定的成果，但研发高效广谱、安全无毒、效果持久的抗菌剂仍是一个重要课题，是推动抗菌塑料产品开发的必要条件。抗菌塑料加工方面，需在抗菌母粒加工方式的基础上开发更加成本低廉、绿色无毒的加工方法，才能为抗菌塑料的制备带来新的变革。抗菌效果的评价方面， 目前存在诸多方法，难于进行横向比较不利于进行工业化生产评估，因此发展一个简单易行的统一的检测标准是未来发展趋势。

抗菌塑料的开发和应用是高科技发展应用于提升人类生活品质的典型案例，需要从抗菌剂、加工工艺和评价手段等方面不断提升，以制备抗菌效果更加优良的塑料产品，从而减少细菌感染，为保护全民健康提供保障。

参考文献：

[1] 杨中文. 塑料用抗菌剂的研究进展[J]. 国外塑料, 2010, 28(9): 45-48.

[2] 汤京龙, 奚廷斐. 纳米银生物安全性研究[J]. 生物医学工程学杂志, 2008, 25(4): 958-961.

[3] 夏金兰, 王春, 刘新星. 抗菌剂及其抗菌机理[J]. 中南大学学报（自然科学版）, 2004, 35(1): 31-38.

[4] 代小英, 许欣, 陈昭斌, 等. 纳米抗菌剂的概况[J]. 现代预防医学, 2008, 35(13): 2513-2515.

[5] 李京明. 塑料抗菌剂的研究进展[J]. 精细化工原料及中间体, 2012, 11: 19-22.

[6] 邓玉明, 毛勇. 纳米TiO2抗菌剂的改性及在抗菌塑料中的应用研究[J]. 塑料制造, 2011(6): 83-87.

[7] 俞波, 王芳. 复合金属离子抗菌沸石的制备及研究[J]. 无机材料学报, 2005, 20(4): 921-923.

[8] 毋娅娟. 沸石载银锌抗菌发泡聚氯乙烯塑料的实验室研究[J]. 中国氯碱, 2011, 10: 16-18.

[9] 谢长志, 刘俊龙. 壳聚糖衍生物抗菌塑料制备与性能评价[J]. 塑料工业, 2006, 34(7): 62-64.

[10] 张惠珍. 不同种类壳聚糖/LDPE抗菌塑料性能初探[J]. 塑料工业, 2008, 36(11): 39-42.

[11] 潘晓勇, 杜岩岩, 陈伟, 等. 载银纳米二氧化钛在抗菌塑料中的应用研究进展[J]. 工程塑料应用, 2012, 40(11): 101-105.

[12] 谭绍早. 聚丙烯抗菌塑料的制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2005, 19(2): 41-44.

[13] 卢焱林. 纳米氧化锌抗菌塑料性能研究[J]. 化工管理, 2015, 2: 76-77.

[14] 代大庆, 张慧茄, 陈建军, 等. 塑料薄膜专用抗菌母粒制备及其应用[J]. 塑料包装, 2009, 19(1): 44-48.

[15] 赵斯梅. 载银抗菌ABS塑料的制备及性能分析[J]. 辽宁丝绸, 2013, 3: 30-32.

[16] 刘方, 唐旭东, 张家鹤. 抗菌塑料研究进展[J]. 塑料制造, 2009, 4: 84-87.

[17] 彭如群, 谢小保, 李金兰, 等. 抗菌塑料的应用及抗菌性能评价[J]. 塑料工业, 2011, 39(10): 95-98.

[18] 刘峰, 王旭, 叶开其, 等. 塑料表面载银微凝胶层层组装膜的制备及抗菌活性[J]. 高等学校化学学报, 2011, 32(4): 990-994.

Briefly Introduction of Progress in Antibacterial Plastics

ZHANG Li-juan
（Kingfa Sci.&Tech.co.Ltd., Shanghai 201714, China）

Abstract:Three kinds of antibacterial agents were introduced in this paper, including inorganic, organic and natural chemicals, and it was focused on the types and applications of inorganic antibacterial agents. Five common methods to prepare antibacterial plastic were compared, including the direct addition method, antimicrobial masterbatch method, surface sticky method, lamination and post-processing method. According to the domestic and international standards, a brief introduction to the two most used indicators of antimicrobial performance, antibacterial rate and inhibition zone, were given here. Finally the prospects on the development of antimicrobial plastics was showed.

Key words:antibacterial plastic; antibacterial agent; application

作者简介：张立娟（1987~），女，硕士，助理工程师；主要从事塑料检测的研究。ljzhang0417@163.com

收稿日期：2015-10-30

文章编号：1009-220X(2016)01-0076-04

DOI:10.16560/j.cnki.gzhx.20160111

中图分类号：320.7

文献标识码：A