高透光性疏水涂料的制备及抑菌和寿命的表征

赵雪媚，张银震，吕楚阳，张继芮，杨 亮

(海南大学,海南 海口 570228)

高透光性疏水涂料的制备及抑菌和寿命的表征

赵雪媚，张银震，吕楚阳，张继芮，杨 亮

(海南大学,海南 海口 570228)

针对NC306疏水材料所修饰的玻璃表面寿命短、抗菌效果差等不足，通过化学法添加环氧树脂AB胶于NC306疏水材料与普通玻璃之间，制得一种具有自清洁、高透光性和强疏水性能的表面修饰涂料.所制材料测试结果表明：所修饰玻璃表面有较低表面能，其值约为普通玻璃的1/4；此外，所制复合功能膜涂层较单一,NC306材料具有更高的成膜质量并且提高了涂层的寿命和耐磨性.

疏水膜；表面改性；表面能；寿命

0 引 言

近年来，超疏水材料之所以引起了人们的普遍关注，是因为它具有许多独特的表面性能，如自清洁、防腐蚀、疏水性[1]3509-3510等在工农业生产、国防建设和人们的日常生活中有着极其广阔的应用前景[2]30.如王跃河采用超疏水内胆避免内胆表面出现结霜、结冰现象[3]41；江雷研究小组制备的超双疏界面材料涂在轮船的外壳、燃料储备箱上可达到防海洋污损和抗海洋腐蚀双重效果[4]594；段辉等人制备出了具有有机涂层力学性能的超疏水涂层材料[5]83-84，与天然荷叶表面极其相似，可望应用于军事船舰、潜艇的表面以防止海生物附着，降低运输工具的自重，提高航速和改善续航能力.

超疏水性表面的理论研究已经取得大量成果[6]45-46，但制备方法不多且多数存在实验条件苛刻，步骤烦琐，尤其制备成本偏高等问题[7]2261，现已投入市场的超疏水性材料也存在表面微结构低、易老化、易磨损、易污染[8]11-13、使用寿命短等缺点[9]161-162.如何采用简单有效的方法构造和调控涂膜的双微观结构,从而获得性能持久质量优异的疏水性涂膜材料并有效应用于生产和生活的各个方面是这一领域研究的最终目标.

NC306疏水材料是市场上常见疏水材料之一，但其价格昂贵，寿命短,无法得到普遍应用.基于此，本文通过化学法添加环氧树脂AB胶制得一种具有自清洁[10]957-959,[11]3241-3243、高透光性和强疏水性能的表面修饰涂料.

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

1.1.1 原材料：普通玻璃片(47 mm×47 mm),载玻片(65 mm×24 mm)

1.1.2 试剂：NC306疏水透明纳米材料(江苏常州)，蒸馏水，透明环氧树脂AB胶(深圳市达立诚塑胶五金制品有限公司)，无水乙醇(广东光华科技股份有限公司，AR，分子量：46.07)， 牛肉膏(广东环凯微生物科技有限公司)，胰蛋白胨(广东环凯微生物科技有限公司)，NaCl(广东光华科技股份有限公司,AR,分子量：58.44)，琼脂(国药集团化学试剂有限公司，BR)，1 mol/L NaOH(广东光华科技股份有限公司,AR,分子量：40.00)

1.1.3 仪器：吸量管，试管，培养皿，玻璃棒，PH试纸，接触角测量仪(自制)，SK3200H超声波清洗器(上海科导超声仪器有限公司)，定功率45 W紫外箱(自制)，160 ℃烤箱(自制)，单道可调移液管(苏州有限公司).

1.2 实验方法

1.2.1 材料制备

1)分别称取1.2 g环氧树脂A胶和B胶置于1号和2号烧杯，在1号烧杯中加入2 mL的酒精，2号烧杯中加入2.5 mL酒精，搅拌均匀后将1、2号溶液充分混匀，配制成待用胶.

2)将NC306疏水材料A、B、C组分按3∶1∶1的比例配置并充分搅拌均匀.

3)将玻璃表面用酒精泡洗、超声清洁并吹干，将1)中配置的少量胶液倾倒于玻璃表面静置片刻使其覆盖均匀，注意胶面越薄越好，待胶近干即基本固化但仍有一点黏性.

4)将2)中混合好的NC306疏水材料倾倒于3)中近干的玻璃表面静置使其均匀覆盖，将此玻璃放入160 ℃烤箱烘烤15 min后取出，即得改进后成品.

1.2.2 表征方法

1.2.2.1 抑菌实验

1)取1号未经处理、2号涂有NC306疏水材料和3号涂有改进后材料的玻璃3组，在相同条件下进行对照试验.

2)分别测量1号、2号和3号玻璃的总表面积.

3)分别在1号、2号和3号玻璃内固定大小的面积上(65 mm×24 mm)用无菌棉签(先在无菌水中沾湿)取样，来回擦拭，保证玻璃表面细菌黏附在棉签上.

4)将棉签浸在固定体积的无菌水中洗脱样品中可能存在的细菌.

5)利用稀释平板计数法测定样品液中细菌数.

6)室温培养后，计数培养基上的细菌菌落数并比较其抑菌性.

1.2.2.2 表面能值及极性分量和非极性分量测量

利用接触角测量仪测量不同玻璃表面的4种不同探测液的接触角值，分别在样品表面3个不同位置用水、二碘甲烷、乙二醇和甲酰胺测量[12]943其接触角值，液滴控制约为 5 μL，求其平均值并利用Young方程[13]5002对测量值进行拟合，可分别求出表面能、表面能极性分量及非极性分量.

1.2.2.3 样品寿命检测

用定功率45 W紫外灯长时间照射，测量不同照射时间下各样品表面接触角值，表征疏水寿命.

2 结果与讨论

2.1 样品抑菌性能检验

图1所示为不同玻璃表面的抑菌性能比较：a为未处理的载玻片表面黏附的细菌；b为NC306疏水材料修饰的载玻片表面粘附的细菌；c为所制备新材料修饰的载玻片表面黏附的细菌.3个不同样品表面细菌黏附性图中的白斑是由细菌附着形成的，由于不同菌落生长速率不同，白斑的大小也不同，其大小符合细菌的体积标准.

图1 不同样品表面细菌个数及不同玻璃表面的抑菌性能比较

实验结果表明，实验对照组a表面细菌菌落数约为140个(稀释125倍，下同)；经NC306疏水材料修饰的实验对照组b表面菌落数约为54个；所制备新材料修饰的实验对照组c表面菌落数约为90个.分析实验可知：普通玻璃表面细菌附着数约为所制备新材料修饰的玻璃表面的1.6倍，即所制备新材料具有良好的抑菌性能.

2.2 表面能值及极性分量和非极性分量分析

图2表示不同时长紫外照射下不同玻璃表面能值的比较.测量结果表明普通玻璃表面能值约为48 kJ/mol远大于NC306疏水材料和所制备新材料修饰的玻璃表面，经10 h紫外灯照射后所制备新材料修饰的玻璃表面较普通玻璃有较低的表面能值.通过极性分量和非极性分量图表分析可知NC306疏水材料和所制备新材料有低的极性分量致使表面能较普通玻璃降低，紫外照射5 h后，NC306疏水材料非极性分量较所制备新材料显著增加使其表面能增大.实验结果表明：所制备新材料修饰的玻璃表面有较低表面能大约为普通玻璃的1/4，主要表现为较低的表面能极性分量，可以有效地抑制细菌在玻璃表面的附着.

图2 不同时长紫外照射下不同玻璃表面能值

2.3 样品寿命分析

图3为紫外照射不同时长普通玻璃、NC306疏水材料以及所制备新材料修饰的玻璃表面接触角比较.长时间紫外照射所制备新材料与原材料表面接触角无显著下降点，说明所制备新材料和原材料均有持久疏水性.紫外照射7.5 h以后所制备新材料接触角值大于NC306疏水材料.实验表明：NC306疏水材料与所制备新材料都有较高的寿命即疏水性,但所制备新材料寿命略优于NC306疏水材料.

图3 不同时长紫外照射下不同玻璃表面接触角的比较

3 结论

样品抑菌性能和表面能值、极性分量、非极性分量测量结果表明，改进后新材料有较低表面能，其值约为普通玻璃表面的1/4，且紫外照射后期略低于原NC306疏水材料,主要表现为表面能极性分量很低，可以有效地抑制细菌群落在玻璃表面的附着生长.经测定玻璃表面细菌附着数约为所制新材料修饰的玻璃表面的1.6倍，即改进后新材料具有良好的抑菌性能.

样品寿命测量结果表明，NC306疏水材料与所制备新材料都有较高的疏水寿命但所制备新材料寿命略优于原材料.

本实验所用制备方法简单，且实验试剂需要少，对仪器设备依赖少，无毒环保，能耗低，成本低，材料应用范围广.

[1] Yang J X, Pi P H, Wen X F, et al. A novel method to fabricate superhydrophobic surfaces based on well-defined mulberry-like particles and self-assembly of polydimethylsiloxane[J].Applied Surface Science,2009,255(06).

[2] 姚同杰.超疏水材料的制备与应用[D].长春：吉林大学,2009.

[3] 王跃河.纳米超疏水技术在制冷领域中的应用研究[J].研究探讨，2006(10).

[4] Qu M N, Zhang B W, Song S Y, et al.Fabrication of superhydrophobic surfaces on engineering materials by a solution-immersion process[J].Advanced Functional Materials,2007,17(04).

[5] 段 辉，熊征蓉，江厚植，等.超疏水性涂层的研究进展[J].化学工业与工程，2006，23(01).

[6] 崔晓松，姚 希，刘海华，等.超疏水表面微纳结构设计与制备及润湿行为调控[J].材料进展，2009，28(12).

[7] 徐文华，张丽东，赵 利，等.耐久性超疏水表面研究进展[J].化工进展，2012(10).

[8] 尤文卉.银系疏水抗菌涂层制备及其性能研究[D].杭州：浙江大学，2014.

[9] 郭春芳.超疏水性材料的研究现状及应用[J].材料研究与应用，2010，04(03).

[10] Furstner R, Barthlott W, Neinhuis C, et al.Wetting and self-cleaning properties of artificial superhydrophobic surfaces[J].Langmuir, 2005, 21(03).

[11] Bhushan B, Jung Y C, Koch K.Self-cleaning efficiency of artificial superhydrophobic surfaces[J].Langmuir, 2009, 25(05).

[12] 王 晖,顾帼华，邱冠周.接触角法测量高分子材料的表面能[J].中南大学学报(自然科学版)，2006,37(05).

[13] 罗晓斌，朱定一，石丽敏.基于接触角法计算固体表面张力的研究进展[J].科学技术与工程，2007，7(19).

[责任编辑 梧桐雨]

Preparation of High Transmittance Hydrophobic Coatings and Characterization of its Antibacterial and Life

ZHAO Xuemei, ZHANG Yinzhen, LYU Chuyang, ZHANG Jirui, YANG Liang

(HainanUniversity,Haikou570228,China)

For NC306 hydrophobic material’s disadvantages such as its short lifetime, late antibacterial effects and so on, we added epoxy resin AB glue between NC306 hydrophobic materials and glass by chemical method, and finally prepared a self-cleaning, high light penetration and strong hydrophobic surface modification coatings. The results of the test for the properties of the prepared materials showed that the improved new material modified glass surfaces had low surface energy, whose value was about one fourth of the ordinary glass. In addition, compared with the single NC306 materials, the composite coating had a higher quality of film coating. More importantly, it can improve the service life of coating film and abrasion resistance.

Hydrophobic film； Surface modification； Surface energy； Life

2016-11-19

赵雪媚(1995- )，女，山西忻州人，海南大学2013级本科生，主要从事薄膜材料制备、表征研究。

杨 亮(1979- )，男，河北南皮人，海南大学高级实验师，硕士，主要从事薄膜材料制备、表征研究。

TQ630

A

1671-8127(2017)01-0091-04