纳米氧化锌抗菌纸的制备及其抗菌性能的研究

冯启明 石黎花 吴明 马海茼 王双飞 王志伟

摘要： 采用浸渍法使Zn²⁺进入纸基纤维内，然后通过一步水热法合成出负载有不同形貌的纳米氧化锌（ZnO）抗菌纸，在保证抗菌性能的同时实现其固定化，避免二次污染。探究了不同制备工艺条件对纳米ZnO抗菌纸的形貌、抗菌性能和物理性能的影响，并采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）对产物的结构和形貌进行表征。结果表明，抗菌纸上负载的ZnO纳米颗粒均为结晶良好的六方纤锌矿结构，不同制备条件生成的纳米颗粒结构差异巨大，有棒状、针状、米粒状等;以抑菌率为主要指标，通过正交实验得出的最佳制备工艺为：浸渍温度70℃、浸渍时间2 min、ZnCl₂溶液质量分数45%、NaOH溶液pH值12;在此条件下制备的纳米ZnO抗菌纸对大肠杆菌的抑菌率达到76.9%。

关键词：纳米ZnO;抗菌纸;制备;抗菌性能

中图分类号：TS761    文献标识码：A    DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.03.007

Abstract： In this paper， zinc ions （Zn²⁺） was introduced onto the fiber of the paper base by impregnation method， and subsequently one-step hydrothermal method was used to synthesize ZnO nanoparticles with different morphological features and the antibacterial paper was prepared. ZnO nanoparticles was immobilized on the paper fibers with a beneficial prevention of nanoparticles aggregation. ZnO nanoparticles with various structure were formed under different experimental conditions， including rod-like， needle-like and rice grainy. The structure and morphology of the antibacterial paper were characterized by XRD and SEM. The results showed that the ZnO nanoparticles loaded on the antibacterial paper were all well - crystallized hexagonal wurtzite structure. Through orthogonal experiments， the optimal preparation process of antibacterial paper was as follows： impregnation temperature was 70℃， impregnation time was 2 min， zinc chloride （ZnCl₂） solution concentration was 45%， pH value of sodium hydroxide solution was 12. The prepared antibacterial paper exhibited excellent antibacterial performance againstE. coliwith an inhibition rate of 76.9%.

Key words： nano zinc oxide; antibacterial paper; preparation; antibacterial properties

目前，纳米氧化锌（ZnO）可以作为抗菌材料已经得到广泛的认可^[1]。研究发现ZnO对革兰氏阳性和阴性细菌都具有极强的抗菌能力^[2]，纳米ZnO应用于抗菌材料具有较大优势。但纳米ZnO颗粒细小，随着其广泛生产和使用，纳米颗粒会进入到环境中，可能会对环境和人体健康造成一些潜在问题^[3]，并且不利于回收利用。如何实现对纳米ZnO颗粒的固定化也成为了研究的方向。纳米ZnO的基本性质主要取决于尺寸、形状、成分、结晶度和形态^[4]。因此，其制备条件和制备方法尤为重要，制备出来的材料不仅要在纳米粒度范围內，同时还需要考虑其形貌、表面形态、成分、纯度、工艺稳定性、可重复性以及对环境的影响等^[5-6]。Yang J L等人^[7]在玻璃和硅片上将ZnO制成薄膜来实现其固定化。Huang J等人^[8]将纳米ZnO制备在陶瓷盘上达到抗菌和固定化的目的。

本实验将纳米ZnO颗粒固定在纸基纤维上，通过浸渍法使Zn²⁺进入纸基纤维内^[9-10]，然后通过一步水热法制备出负载有不同形貌纳米ZnO的抗菌纸。探究了不同的工艺条件对负载纳米ZnO抗菌纸的形貌、抗菌性能及物理性能的影响。

1 实 验

1.1 实验原料、试剂与仪器

原料与试剂：定量滤纸（Whatman美国）;ZnCl₂，分析纯，天津市大茂化学试剂厂;NaOH、亚甲基蓝，均为分析纯，天津市致远化学试剂有限公司;大肠杆菌（E-coli），中国工业微生物菌种保藏管理中心;营养琼脂BR，北京奥博星生物技术有限责任公司。

实验仪器：ENXIN电热恒温鼓风干燥箱（中国）;DX-40聚四氟乙烯反应釜（中国）;SW-CJ-1F无菌操作台（中国）;MiniFlex 600多功能X射线衍射仪（日本）;PHENOM XL全自动扫描电子显微镜（荷兰）;电子万能材料试验机（美国）;ASAP 2460比表面积和孔隙度测定仪（美国）。

1.2 纳米ZnO抗菌纸的制备

称取一定量的ZnCl₂粉末，溶解在去离子水中，配制成不同质量分数的ZnCl₂溶液。将定量滤纸裁剪成合适规格，浸渍在不同质量分数的ZnCl₂溶液中不同时间，之后取出洗涤，洗去纤维表面的ZnCl₂^[11-12]。洗净后干燥，即可得到被ZnCl₂润胀的滤纸。配制一定pH值的NaOH溶液，然后取配好的NaOH溶液倒入水热反应釜中。将被ZnCl₂润胀的滤纸放入反应釜内胆，浸没在NaOH溶液中。将反应釜放到恒温干燥箱中，设置温度为120℃，反应时间为18 h。待反应结束，冷却至室温后取出滤纸，用去离子水清洗其表面，干燥，即可得到纳米ZnO抗菌纸，制备示意图如图1所示。

为探究ZnO浸渍温度、浸渍时间、ZnCl₂溶液质量分数以及NaOH溶液pH值对所生成的纳米ZnO形貌和抗菌性能的影响，进行四因素三水平的正交实验，实验方案如表1所示。

1.3 纳米ZnO抗菌纸的XRD分析

用X射线衍射仪（日本）对样品进行XRD分析。测试条件为：CuKα射线（λ=1.5418?），操作模式为θ/2θ，扫描范围为5°～90°（2θ），扫描步长Δ2θ=0.5°。

1.4 纳米ZnO抗菌纸的SEM分析

用全自动扫描电子显微镜对样品进行粒径及形貌检测。主要参数：光学显微镜30X，电子显微镜70～45000X，分辨率<25 nm，加速电压5～10 V连续可调，探测器为背散射电子探测器。

1.5 纳米ZnO抗菌性能测试

按照33∶1000的配比将营养琼脂溶解，调节其溶液pH值至中性，高温高压灭菌;待温度降低至50℃后，将琼脂倒入已灭菌的平板培养皿中，凝固后即可制成琼脂平板。

（1）抑菌圈测试：将不同反应条件制得的纳米ZnO抗菌纸裁剪成直径为10 mm的圆片，放在紫外灯下激发备用。一段时间后，在无菌条件下将大肠杆菌^[13]接种到培养基上，在培养基中央放置抗菌纸圆片，然后把培养基放置于培养箱里控制温度37℃、湿度72%，培养 24 h后进行观察。

（2）抑菌率测试：将不同反应条件制得的纳米ZnO抗菌纸剪碎成小纸片，称取0.1 g，放在紫外灯下激发备用。一段时间后，在装有菌液的试管中加入纸片样品，放入水浴恒温摇床（参数设置为温度37℃，震荡2 h）。待震荡完成，将震荡好的菌液进行稀释，之后进行涂盘。同样放置于培养箱里控制温度在37℃、湿度72%，培养 24 h后进行观察。

1.6 纳米ZnO抗菌纸的物理性能测试

将样品裁剪成长度5 cm、宽度1 cm的纸条，采用电子万能材料试验机进行物理性能检测。

1.7 纳米ZnO抗菌纸的比表面积检测

将纳米ZnO抗菌纸样品剪碎加入到测试柱内，设定温度为80℃，脱气干燥24 h。将干燥后的测试柱通入高纯氮气，取出样品，接入比表面积和孔隙度仪检测。检测完毕后，用BET计算模型得到样品的比表面积。

2 结果与讨论

2.1 纳米ZnO抗菌纸的XRD分析

对正交实验制备的纳米ZnO抗菌纸进行XRD分析（衍射角为5°～90°），结果见图2。从图2可以看出，不同工艺条件对于产物纯度和晶粒的影响以及形成的纳米ZnO的晶体结构。

从图2中可以看出，9种样品的特征峰位置基本相同，在衍射角30°之前的峰为纤维素的特征峰^[14]，衍射角30°之后存在较尖锐的衍射峰， 其中3个特征峰对应的晶面分别是（100）（002）（101），从图2中没有观察到其他杂峰，说明合成的产物纯度较高，产物的结晶性较好，生成的晶体结构相对完整^[15]。为了确定抗菌纸上纳米ZnO的晶体结构，将衍射角设为30°～90°，对实验编号6号纳米ZnO抗菌纸重新进行检测，以此来排除纤维素峰的干扰，结果见图3。

由圖3可以看出，纳米ZnO抗菌纸的衍射峰尖锐，说明产物晶体结构完整，结晶良好。衍射晶面分别为（100）（002）（101）（102）（110）（103）（200）（112）（201）。将纳米ZnO抗菌纸XRD图谱与ZnO标准卡片对比分析，所有衍射峰与标准卡片 JCPDS卡片36-1451相匹配，确定其晶体结构为六方纤锌矿型结构^[15]，晶格参数为a=3.220?，c=5.200?。并且图2中没有观察到其他杂峰，生成的晶体结构相对完整。

2.2 纳米ZnO抗菌纸的SEM分析

对正交实验制备的纳米ZnO抗菌纸进行SEM观察，结果见图4。图4中的编号与表2中的实验编号相对应。

由图4可以看出，所制备的ZnO均在纳米粒度范围内。其中1号和8号样品存在纳米ZnO晶体团聚的现象，形成了较大的颗粒，在纤维表面分布不均匀。6号样品的纳米ZnO分布较多且均匀，同时纳米颗粒较小呈米粒状，颗粒完整。

首先将滤纸浸渍在ZnCl₂溶液中，使纸基纤维的无定形区中含有较多的Zn²⁺，之后将其加入到NaOH溶液中，但在常温常压下，ZnO的形成较为困难，反应（2）不易进行，因此需要将其加入到水热反应釜中，水热反应来促进反应（2）的进行，生成ZnO，随着反应（2）的进行，靠近纤维表面的Zn²⁺首先被消    耗（反应（1）），在纤维内就产生了浓度差，因此在纤维内部的Zn²⁺会向外迁移，不断与OH^-反应，生成   Zn（OH）₄^2-，Zn（OH）₄^2-再水解生成ZnO并沉积在纤维上，并向外生长成为纳米颗粒。同时，研究发现较高浓度的Zn²⁺和OH^-会加快反应的进行，使ZnO晶体的生成速度加快，易使生成的晶体聚集在一起，使颗粒增大，造成纤维表面的分布不均匀。反之，较低浓度的Zn²⁺和OH^-使反应进行得较为缓慢，生成的ZnO晶体颗粒较小且较均匀，不会产生团聚现象，在纤维表面分布较为均匀。但是，过低浓度的Zn²⁺和OH^-会使生成的ZnO晶体减少。

2.3 纳米ZnO抗菌纸抗菌性能的分析

对正交实验制备的纳米ZnO抗菌纸进行抗菌实验，比较纳米ZnO抗菌纸的抗菌性能。

2.3.1 抑菌圈测试

抑菌圈实验的抑菌效果见图5。由图5可以看出，所制备的纳米ZnO抗菌纸具有抗菌效果。抑菌圈实验中抑菌效果最好的为6号抗菌纸，可以观察到明显的抑菌圈。1号和8号抗菌纸没有明显的抑菌圈，因此没有明显的抑菌效果，有待下一步抑菌率实验进行验证。结合纳米ZnO抗菌纸的形貌分析，可以发现1号和8号抗菌纸存在ZnO的团聚现象，说明ZnO的团聚会影响抗菌纸的抗菌效果。

2.3.2 抑菌率测试

以抑菌率为主要指标分析纳米ZnO抗菌纸的最佳制备工艺条件。纳米ZnO抗菌纸正交实验结果及分析见表2。

从表2可知，制备的9组纳米ZnO抗菌纸对大肠杆菌均有抗菌效果，对其进行了极差分析，发现浸渍温度对纳米ZnO抗菌性能影响最大，而影响最小的为浸渍时间。影响因素从大到小的顺序为：浸渍温度>ZnCl₂溶液质量分数>NaOH溶液pH值>浸渍时间。根据正交实验结果，得到最优方案为：浸渍温度70℃，浸渍时间60 s，ZnCl₂溶液质量分数45%，NaOH溶液pH值12。另外，在9组纳米ZnO抗菌纸的实验中可以发现，6号纳米ZnO抗菌纸的抗菌性能最佳，其对大肠杆菌的抑菌率达到了76.9%。浸渍温度和ZnCl₂溶液质量分数直接影響了纤维内Zn²⁺的含量，从而影响ZnO的生长，影响抗菌纸的抗菌效果。

为验证正交实验所得结果是否具有最佳的抗菌效果，在最佳制备条件下制备ZnO抗菌纸，并对其进行分析和抗菌实验。验证实验制备的纳米ZnO抗菌纸的SEM图见图6。

对验证实验制备的纳米ZnO抗菌纸进行抑菌率实验，结果表明，该纳米ZnO抗菌纸对大肠杆菌的抑菌率为62%，抑菌效果未达到预期效果，与图4中的6号样品进行对比，可以发现造成这一结果的原因是制得的纳米ZnO出现了团聚现象，ZnO颗粒较大，在纤维表面分布较少且不均匀，这直接影响了抗菌纸的抗菌效果。对比6号样品的制备条件发现两者的制备条件区别是浸渍时间，6号样品的浸渍时间更长，这使得纤维内的Zn²⁺含量增加，影响了纳米ZnO的形貌，从而影响了抗菌效果。综合分析，得出最佳制备工艺条件为：浸渍温度70℃，浸渍时间120 s，ZnCl₂溶液质量分数45%，NaOH溶液pH值12。

2.4 纳米ZnO抗菌纸的物理性能分析

对纳米ZnO抗菌纸的物理性能和比表面积进行检测，  并与空白滤纸相比较，结果见表3。

从表3可以看出，与空白滤纸相比，纳米ZnO抗菌纸的比表面积有所增大，这是由于在纤维表面形成了纳米ZnO颗粒，其具有比表面积效应，造成抗菌纸的比表面积增大;纳米ZnO抗菌纸的厚度也有所增厚，拉伸应力稍有减小，这是由于纳米ZnO晶体的形成，影响了纤维的无定形区，使其厚度增大，抗张强度降低，但纳米ZnO抗菌纸仍然保持较高强度，可应用于抗菌包装和家庭用消毒滤芯等方面，应用潜力巨大，前景广阔。

3 结 论

本研究通过浸渍法使Zn²⁺进入纸基纤维内，然后通过一步水热法制备出负载有不同形貌的纳米ZnO抗菌纸。探究了不同工艺条件对纳米ZnO抗菌纸的形貌、抗菌性能及物理性能的影响，并采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）对产物的结构和形貌进行表征。

3.1 XRD分析表明，负载在纸基纤维上的纳米ZnO均为六方纤锌矿型结构，结晶良好;SEM分析表明，纳米ZnO晶体生长在纤维表面，与纤维结合较好;对纳米ZnO抗菌纸的物理特性分析表明，纳米ZnO抗菌纸的比表面积增大，厚度稍有增加，仍然保持较好强度。

3.2 正交实验结果表明，浸渍温度、ZnCl₂溶液质量分数、浸渍时间以及NaOH溶液pH值4个因素对纳米ZnO的形貌有着较大影响。较低浓度的Zn²⁺和OH^-使反应进行的较为缓慢，生成的ZnO晶体颗粒较小且较均匀，不易产生团聚现象，在纤维表面分布较为均匀。但是，过低浓度的Zn²⁺和OH^-会使生成的ZnO晶体减少。纳米ZnO抗菌纸的最佳制备工艺条件为：浸渍温度70℃，浸渍时间120 s，ZnCl₂溶液质量分数45%，NaOH溶液pH值12，此条件下制备的纳米ZnO呈米粒状，纳米ZnO抗菌纸对大肠杆菌的抑菌率达到76.9%。

参考文献

[1] Arputharaj A， Nadanathangam V， Shukla S R. A simple and efficient protocol to develop durable multifunctional property to cellulosic materials using in situ generated nano-ZnO[J]. Cellulose， 2017， 24（8）： 3399.

[2] Sawai J， Igarashi H， Hashimoto A. et al. Evaluation of growth inhibitory effect of ceramics powder slurry on bacteria by conductance method.[J]. Journal of Chemical Engineering of Japan， 1995， 28（3）： 288.

[3] Vishnukumar P， Vivekanandhan S， Misra M. et al. Recent advances and emerging opportunities in phytochemical synthesis of ZnO nanostructures[J]. Materials Science in Semiconductor Processing， 2018， 80： 143.

[4] Dhanalakshmi A， Palanimurugan A， Natarajan B. Efficacy of saccharides bio-template on structural， morphological， optical and antibacterial property of ZnO nanoparticles[J]. Materials Science and Engineering： C， 2018， 90： 95.

[5] Burda C， Chen X， Narayanan R， et al. Chemistry and Properties of Nanocrystals of Different Shapes[J]. Chemical Reviews， 2005， 105（4）： 1025.

[6] Meng X Q， Zhao D X， Zhang J Y，et al. Growth temperature controlled shape variety of ZnO nanowires[J]. Chemical Physics Letters， 2005， 407（1/3）： 91.

[7] Yang J L， An S J， Park W I， et al. Photocatalysis Using ZnO Thin Films and Nanoneedles Grown by Metal-Organic Chemical Vapor Deposition[J]. Advanced Materials， 2004， 16（18）： 1661.

[8] Huang J， Huang G， An C， et al. Performance of ceramic disk filter coated with nano ZnO for removing Escherichia coli from water in small rural and remote communities of developing regions[J]. Environmental Pollution， 2018， 238： 52.

[9] Ma J， Wang Z， Zhou X， et al. Self-Reinforced Grease-Resistant Sheets Produced by Paper Treatment with Zinc Chloride Solution[J]. BioResources， 2015， 10（4）： 8225 .

[10] LIU Miao， YANG Jun， GAO Yugang， et al. Study on Photocatalytic Treatment of Papermaking Effluent by CF Nano-titanium Dioxide Photocatalyst[J]. China Pulp & Paper， 2016，35（1）：31.

劉 苗， 杨 军， 高玉刚， 等. CF型纳米TiO₂光催化处理造纸废水的研究[J]. 中国造纸， 2016， 35（1）： 31.

[11] ZHU Qing， ZHOU Xiao-fan， MA Jin-xia， et al. Study on preparation of cellulose film by ZnCl₂aqueous solution[J]. Journal of Cellulose Science and Technology， 2014 （1）： 59.

朱 青， 周小凡， 马金霞， 等. ZnCl₂水溶液制备纤维素膜的研究[J]. 纤维素科学与技术， 2014（1）： 59.

[12] XIONG Jian， YE Jun， ZHAO Xing-fei. Solubility and regeneration of cellulose in ZnCl₂aqueous solution[J].Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition）， 2010（2）： 23.

熊 犍， 葉 君， 赵星飞. 纤维素在ZnCl₂水溶液中的溶解性能及再生结构[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）， 2010（2）： 23.

[13] ZHANG Meiyun， YANG Qiang， SONG Shunxi， et al. Antibacterial Behavior of MCC Hydrogel-Cu₂O-（MOF-5） Composites[J]. China Pulp & Paper， 2018，37（2）：8.

张美云， 杨 强， 宋顺喜， 等. MCCBA-Cu₂O-（MOF-5）三元复合材料抗菌性能的研究[J]. 中国造纸， 2018， 37（2）：8.

[14] LI Jiangman， QIAN Xueren， AN Xianhui. In Situ Preparation of Nano Silver Sulfide-Pulp Composite Fibers and Its Antibacterial Properties[J]. China Pulp & Paper， 2016，35（6）： 1.

李江漫， 钱学仁， 安显慧. 纳米硫化银-纸浆复合纤维的原位制备及抑菌性能研究[J]. 中国造纸， 2016，35 （6）： 1.

[15] Shanmugam V， Jeyaperumal K S. Investigations of visible light driven Sn and Cu doped ZnO hybrid nanoparticles for photocatalytic performance and antibacterial activity[J]. Applied Surface Science， 2018， 449： 617.

（责任编辑：常 青）