MgO纳米颗粒增强壳聚糖复合薄膜及其抗菌性能研究

周子凡

（佛山科学技术学院环境与化学工程学院，广东佛山，528000）

纸产品的抗菌性对减弱细菌繁殖传播及提高产品品质具有重要意义［1］。目前抗菌技术在造纸行业应用主要为两方面：一是造纸生产过程中的纸浆杀菌防腐及涂料杀菌防腐，二是抗菌纸的生产［2］。抗菌纸技术的发展对造纸工业具有重大意义［3］。

抗菌剂的添加方式影响抗菌纸的品质，目前抗菌剂的添加方式主要有3种：一是表面加工方法，如涂布、施胶、喷洒、浸渍等方式；二是湿部添加法，将具有抗菌效果的助剂直接加入纸浆中；三是纤维抄造法，即对造纸所用纤维素进行改性，以提高纸张抗菌效果。表面加工工艺简单、制作成本低、抗菌效果好，是目前制作抗菌纸的主要添加工艺；但表面加工方法制备的抗菌纸具有表面抗菌材料易脱落、粘接强度低、分散不均匀等缺陷，同时部分施胶剂、胶黏剂本身对环境也有一定危害。因此必须要寻找一种环境友好型、高强度、抗菌效果强的抗菌剂，并将其与纸张通过表面加工方法复合以制备抗菌纸［4］。

壳聚糖作为“环境威胁”材料替代品，具有独特的性质，如无毒、良好的生物相容性、生物降解性和抗菌特性［5-6］。但壳聚糖只能溶解于稀酸溶液中，且壳聚糖薄膜力学性能、热稳定性、水汽阻隔性能较差，极大限制了壳聚糖的广泛应用［7］。因此众多研究学者在壳聚糖领域进行了深入的研究，主要集中在2个研究方向：对壳聚糖进行官能团改性［8-10］以及通过添加纳米颗粒改变壳聚糖分子聚集形态以提高壳聚糖材料的力学、阻隔等性能［11］。

氧化镁（MgO）纳米颗粒具有毒性低、耐热性高、环境友好、持久和广谱抗菌等优点，既可克服银系抗菌材料的高成本、易变色、稳定性差、生物毒性的缺点，也可弥补光催化型抗菌材料抗菌效率低和对紫外光依赖的不足，成为当前无机抗菌材料领域的研究热点［9］。研究表明，MgO纳米颗粒在总比表面积相同的条件下，随着晶粒尺寸的逐渐减小，其抗菌性能逐渐增加［12］。Kadib等［13］制备了高活性的纳米MgO，具有使水溶液中细菌即时失活的特性，表现出优异的水处理应用前景。此外，还有研究者通过对MgO进行掺杂改性以及与其他材料复合，提高材料的抗菌性能［9-10］。

截至目前，还没有关于MgO纳米颗粒增强壳聚糖复合薄膜的系统研究。本课题研究了MgO纳米颗粒增强壳聚糖复合薄膜的力学性能、热稳定性、阻隔性能及抗菌性能。实验结果表明，壳聚糖和MgO纳米颗粒在适合配比下制备的复合薄膜具有抗菌性能，可应用于抗菌纸及其他领域。

1 实 验

1.1 实验材料

本课题选用印度HiMedia公司提供的壳聚糖薄片（脱乙酰化度75%、分子质量1.42×106）；甲基丙烯酸甲酯（MMA，纯度99%）、过硫酸钠、氯化镁六水合物、无水碳酸钠、氢氧化钠和乙酸（分析纯），购自美国Sigma-Aldrich公司。

1.2 MgO纳米颗粒的制备

将150 mL碳酸钠溶液置于350 mL三颈圆底烧瓶中，加入1.5 g引发剂过硫酸钠，将20 mL MMA单体（新开封）及200 mL氯化镁溶液同时滴加到烧瓶中，在80℃下对反应混合物进行搅拌，持续3 h。通过离心收集PMMA/MgCO3预聚体颗粒，并用热水洗涤5次以去除杂质。将PMMA/MgCO3预聚体颗粒在600℃下煅烧5 h以制备MgO纳米颗粒［14-15］。

1.3 壳聚糖/MgO复合薄膜的制备

将2 g脱乙酰壳聚糖溶解在200 mL 1%（W/V）乙酸中并搅拌（磁力搅拌，600 r/min）18 h，使用0.5 mm滤网对溶液进行过滤，并在剧烈搅拌条件下分别添加5 wt%和10 wt%的MgO纳米颗粒以制备不同壳聚糖/MgO溶液。将所得溶液在1000 r/min下搅拌24 h，然后进行10 min超声处理（振幅80，脉冲比1∶1），以实现MgO纳米颗粒的均匀分散。随后将30 g壳聚糖/MgO溶液倒入玻璃培养皿（10 cm）中，在真空烘箱50℃条件下，干燥4天以蒸发溶剂。之后将壳聚糖/MgO复合薄膜从培养皿上剥离，加入10 mL 1 mol/L NaOH，中和复合薄膜中的醋酸并用蒸馏水冲洗，复合薄膜在使用前需储存在干燥器中（温度25℃，相对湿度50%）48 h。

1.4 化学结构表征和形貌分析

采用Perkin Elmer红外光谱仪分析壳聚糖/MgO复合薄膜的化学结构。采用3KW型Rigaku Smartlab X射线衍射仪分析PMMA/MgCO3预聚体和MgO纳米颗粒的晶体结构特性，扫描速度5°/min，扫描范围5°～65°。采用日立SU6600场发射扫描电镜分析试样表面形态及元素分布，试样在分析前须使用EMITECH SC7620迷你溅射涂布机在表面进行2 min镀金处理；根据Debye-Scherrer方程计算MgO纳米颗粒的平均微晶尺寸，计算公式见式（1）。

式中：λ为X射线波长，β为XRD的半峰宽，θ为衍射角。

1.5 壳聚糖/MgO复合薄膜力学性能测定

使用Tinius-Olsen万能试验机进行壳聚糖/MgO复合薄膜的拉伸强度测试，试样根据ASTM D882—2002标准制备：尺寸150 mm×10 mm；实验环境相对湿度70%，温度30℃，拉伸速率10 mm/min。每种材料测试4个试样，每个试样在长度方向测试5个不同位置的厚度以计算拉伸应力。

1.6 壳聚糖/MgO复合薄膜的热稳定性分析

采用Perkin Elmer TGA 4000测试壳聚糖/MgO复合薄膜的热稳定性；测试条件为，在氮气环境下，以10℃/min加热速率从室温加热到800℃，在800℃保持5 min，然后以同样的冷却速率从800℃降至室温。

1.7 壳聚糖/MgO复合薄膜的阻隔性能分析

壳聚糖/MgO复合薄膜的气体阻隔性能通过氧气透过常数进行表征。根据ASTM D1434—82标准，使用N500-GBPI包装测试设备检测壳聚糖/MgO复合薄膜的氧气透过率（OTR）。检测条件为：温度23℃，相对湿度53%，壳聚糖/MgO复合薄膜的氧气透过常数（OP）通过式（2）计算。

式中，t为壳聚糖/MgO复合薄膜试样的平均厚度，Δp为壳聚糖/MgO复合薄膜试样两侧压力差。

壳聚糖/MgO复合薄膜的水蒸气透过率（WVTR）根据ASTM E 96-95标准进行测试。制备直径14 cm的圆形试样，安装在不锈钢水蒸气渗透率测试杯上，杯内蒸馏水液面距离壳聚糖/MgO复合薄膜下表面2.5 cm，测试条件为：温度29℃、相对湿度70%；每隔24 h记录测试杯质量，直至72 h，然后计算试样的WVTR。试样的水蒸气透过系数（WVP）通过式（3）计算。

式中，t为壳聚糖/MgO复合薄膜试样的平均厚度，Δp为壳聚糖/MgO复合薄膜试样两侧压力差。

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1.8 壳聚糖/MgO复合薄膜的抗菌性能分析

采用ACCURI C6型流式细胞仪，通过荧光激活细胞分选（FACS）技术，检测壳聚糖/MgO复合薄膜对大肠杆菌（食源性细菌）的抗菌效果。采用细菌培养生长的方法制备FACS样品，并使用BD C6采样器软件分析结果；分别用5 cm×5 cm的壳聚糖薄膜和壳聚糖/MgO复合薄膜样品处理大肠杆菌，分析对比其抗菌效果。

2 结果与分析

2.1 PMMA/MgCO3预聚体、MgO纳米颗粒和壳聚糖/MgO复合薄膜的XRD分析

PMMA/MgCO3预聚体的XRD谱图如图1（a）所示。由图1（a）可知，2θ=14.2°、15.4°、21.6°、32.5°、33.2°、41.9°、45.5°和57.0°吸 收 峰 与MgCO3（JCPDS卡号23-1218）的标准XRD谱图匹配，说明PMMA/MgCO3预聚体实验成功。由于PMMA/MgCO3预聚体中存在PMMA，因此，峰值略有偏移。PMMA/MgCO3预聚体煅烧制备的MgO纳米颗粒以结晶方镁石形式存在，其XRD谱图吸收峰分别在2θ=24.9°、32.1°、33.8°、41.6°和61.9°（见图1（b））。根据Debye-Scherrer公式计算可知，MgO纳米颗粒的平均晶体尺寸为42 nm。壳聚糖/MgO复合薄膜的XRD谱图如图1（c）所示。从图1（c）中可以看到2θ=21.4°、37.5°、49.6°、57.4°和62.2°的吸收峰，表明壳聚糖和MgO纳米颗粒的结构均未发生明显变化，添加MgO纳米颗粒未改变壳聚糖聚合物结晶状态。

图1 （a）PMMA/MgCO3预聚体XRD谱图；（b）MgO纳米颗粒XRD谱图；（c）壳聚糖/MgO复合薄膜XRD谱图

2.2 壳聚糖薄膜和壳聚糖/MgO复合薄膜的FT-IR分析

壳聚糖薄膜和壳聚糖/MgO复合薄膜的FT-IR谱图如图2所示。从图2可以看出，3359和3293 cm-1处的吸收峰为—OH的伸缩振动吸收峰，2923 cm-1处的吸收峰是—CH键（—CH3）的伸缩振动吸收峰，1680 cm-1处的吸收峰为酰胺基团羰基键（— C ═ O—NHR）的伸缩振动吸收峰，1350 cm-1处的吸收峰为亚甲基的弯曲振动峰，1550～1590 cm-1处的吸收峰是胺基的剪式振动吸收峰，1154 cm-1处的吸收峰为C的不对称振动峰。这些官能团表明壳聚糖与MgO纳米颗粒成功复合且壳聚糖/MgO复合薄膜中，壳聚糖聚合物结构未受到影响；同时，乙酸的特征官能团吸收峰（1220 cm-1）较弱，表明乙酸在反应过程中基本被中和。

由图2还可以看出，添加5 wt%和10 wt%MgO纳米颗粒的壳聚糖/MgO复合薄膜—OH的吸收峰分别从3293 cm-1红移至3286 cm-1和3283 cm-1。此外，两种试样的壳聚糖胺基团的吸收峰均从1576 cm-1红移至1569 cm-1。其他类似的研究［15-17］同样也表明了金属氧化物与壳聚糖复合会导致官能团吸收峰的偏移。壳聚糖官能团吸收峰的偏移表明了壳聚糖的羟基和胺基可通过氢键与MgO纳米颗粒相互作用，氢键结构增强了MgO纳米颗粒和壳聚糖之间的界面相互作用，从而提高了复合材料的力学性能。

图2 壳聚糖/MgO复合薄膜的FT-IR谱图

2.3 PMMA/MgCO3预聚体、MgO纳米颗粒SEM分析和粒径分析

PMMA/MgCO3预聚体和MgO纳米颗粒的SEM图及粒径分布如图3所示。由图3（a）可以看出，MgO纳米颗粒嵌入PMMA分子链空隙中，PMMA分子链的有限空间限制了MgO纳米颗粒的进一步生长，可获得较小尺寸的MgO。由图3（b）可知，PMMA/Mg-CO3预聚体经煅烧后制得均匀的球形MgO纳米颗粒。在MgO纳米颗粒的SEM图像中，随机选取200颗MgO纳米颗粒进行尺寸分布统计可知（见图3（c）），151～200 nm尺寸范围内的MgO纳米颗粒的占比最大；直径超过250 nm的MgO纳米颗粒主要是由颗粒的团聚导致。

采用TGA方法评估了试样的热稳定性，热失重曲线如图4所示。由图4可知，热失重主要分3个阶段：第一次质量损失发生在100℃左右，主要归因于试样中水分的挥发；第二次质量损失发生在200～300℃区间内，这主要归因于胺基和—CH2OH的热分解；第三次质量损失发生在525～650℃区间内，可能是由于壳聚糖内部胺环结构的降解导致。相比于壳聚糖薄膜，添加5 wt%和10 wt%MgO纳米颗粒的壳聚糖/MgO复合薄膜的热稳定性得到明显提升。当质量损失达到50%时，壳聚糖薄膜及添加5 wt%和10 wt%MgO纳米颗粒的壳聚糖/MgO复合薄膜的降解温度分别为325℃、450℃和529℃，说明添加MgO纳米颗粒能提高复合薄膜的降解温度。这是因为MgO纳米颗粒阻碍了壳聚糖热降解产物的扩散，减少了热解过程的质量损失。

图3 （a）PMMA/MgCO3预聚体SEM图；（b）MgO纳米颗粒SEM图；（c）MgO纳米颗粒粒径分布图

图4 壳聚糖薄膜及壳聚糖/MgO复合薄膜的TGA曲线

图5 （a）壳聚糖/MgO复合薄膜应力-应变曲线；（b）壳聚糖材料及壳聚糖/MgO复合薄膜的弹性模量和拉伸应力曲线

2.5 壳聚糖/MgO复合薄膜的机械性能

评价材料机械性能的指标主要有拉伸强度、弹性模量以及断裂伸长率。壳聚糖/MgO复合薄膜的应力-应变曲线、弹性模量和拉伸应力曲线如图5所示。

从图5（a）可以看出，添加MgO纳米颗粒后，复合薄膜的力学性能显著提高。相对于壳聚糖薄膜，添加5 wt%和10 wt%的壳聚糖/MgO复合薄膜的拉伸应力分别提高了64%和29%（见图5（b））。这是因为，壳聚糖的羟基和胺基与MgO之间形成的氢键具有较强的界面强度，同时纳米颗粒具有较大的比表面积，能够有效传递聚合物分子链之间的作用力，因此MgO纳米颗粒能够对壳聚糖材料力学性能进行有效改善［18］。然而，MgO纳米颗粒增强复合薄膜力学性能具有两面性：一方面，壳聚糖内添加MgO纳米颗粒可增加壳聚糖与MgO纳米颗粒的界面强度，促使应力从壳聚糖传递到纳米颗粒，进而提高复合薄膜力学性能［19］；另一方面，由于MgO纳米颗粒具有高表面能，容易发生团聚，减小了MgO纳米颗粒与壳聚糖的接触面积，同时聚集在一起的MgO纳米颗粒影响聚合物分子链的正常连接，进一步影响复合薄膜的力学性能。MgO纳米颗粒添加过多反而会影响复合材料力学性能的提升［20-21］。因此，添加5 wt%MgO纳米颗粒的复合薄膜中，MgO纳米颗粒能够更均匀分散在壳聚糖基体内；而MgO纳米颗粒添加量为10 wt%时，由于纳米颗粒的团聚作用，导致复合薄膜内部产生更多孔隙及应力集中区域，降低了复合薄膜的力学性能。

不同MgO纳米颗粒添加量复合薄膜的拉伸断面图如图6所示。由图6可知，添加10 wt%MgO纳米颗粒的复合薄膜中，纳米颗粒团聚严重。壳聚糖基体内添加纳米颗粒，限制了聚合物分子链的自由运动，因此复合薄膜的抗变形能力，即弹性模量有较大提升。当壳聚糖基体内添加5 wt%和10 wt%MgO纳米颗粒时，相比于壳聚糖薄膜，复合薄膜的弹性模量分别提高了50%和30%（图5（b））。然而，添加MgO纳米颗粒在提升复合薄膜力学性能的同时也显著地降低了其断裂伸长率，壳聚糖薄膜、添加5 wt%MgO纳米颗粒和添加10 wt%MgO纳米颗粒的复合薄膜的断裂伸长率分别为5.5%、4.8%和4.1%。ANOVA统计分析理论表明，不同试样的断裂伸长率无明显差异，这是因为试样断裂伸长率主要受试样制备过程的影响，试样内残留的溶剂具有增塑的效果，因此会影响试样的断裂伸长率［22］。抗菌纸以及其他包装材料对塑性要求较高，壳聚糖/MgO复合薄膜的断裂伸长率可能会对其应用有些限制，但通过一些技术，如添加增塑剂等，能够有效改善材料的塑性变形。考虑到复合薄膜的力学性能，在后续研究中，可选择MgO纳米颗粒的添加量为5 wt%。

2.6 壳聚糖及壳聚糖/MgO复合薄膜阻隔性能分析

氧气、水蒸气的透过性是评价薄膜材料的关键指标［4，23］，因此，阻隔性能对于食品包装和膜材料具有重要意义。已有研究成果［24］表明，壳聚糖薄膜具有较高的氧气渗透率。这主要是由于壳聚糖一般采用溶液成型法制备，聚合物内部具有较大的空间，对气体分子的隔绝作用较低［25］。

壳聚糖/MgO复合簿膜的氧气透过常数和水蒸气透过系数数据如表1所示。相比未添加MgO纳米颗粒的壳聚糖薄膜，添加5wt%MgO纳米颗粒的复合薄膜，其氧气透过常数降低了约18%；添加10 wt%MgO纳米颗粒的复合薄膜氧气透过常数降低了约10%，这是因为过量的纳米颗粒容易发生团聚，导致壳聚糖基体内纳米团聚颗粒附近存在空隙或缺陷，为渗透分子提供渗透路径，进而降低复合薄膜的阻隔性能［19］。

图6 壳聚糖/MgO复合薄膜的拉伸断面图

图7 （a）壳聚糖培养基流式细胞仪点图；（b）添加5 wt%MgO纳米颗粒的壳聚糖/MgO复合薄膜流式细胞仪点图

表1 壳聚糖及壳聚糖/MgO复合薄膜氧气透过常数和水蒸气透过系数

与壳聚糖薄膜相比，添加5 wt%MgO纳米颗粒的复合薄膜的水蒸气透过系数降低了约4%，添加10 wt%MgO纳米颗粒的复合薄膜的水蒸气透过系数提高了20%。通常，添加纳米颗粒会改变分子渗透路径，进而提高薄膜的阻隔能力，但水蒸气分子（极性分子）的透过性影响因素较多，并不仅靠改变渗透路径来实现。添加过多的纳米颗粒反而因其亲水性导致水蒸气透过系数提升，类似的实验也有相关报道［26］。

2.7 壳聚糖薄膜和壳聚糖/MgO复合薄膜的抗菌性能检测

金属氧化物具有优异的抗菌性［6］，因此壳聚糖聚合物基体内添加金属氧化物能够显著提高复合材料的抗菌性。流式细胞仪（FCM）检测技术能够快速、精确地对单个细胞理化特性进行多参数定量分析和分选。本课题FCM检测技术，通过统计被荧光标记的细胞膜破损的大肠杆菌占比，从而计算破损或死亡的大肠杆菌占比情况，得出材料的抗菌性。选取添加5 wt%MgO纳米颗粒的壳聚糖/MgO复合薄膜进行抗菌性测试，并与壳聚糖薄膜进行对比，实验结果如图7所示。

由图7可知，经过12 h培养后，相对于壳聚糖薄膜，添加5 wt%MgO纳米颗粒的复合薄膜培养基中46%的大肠杆菌结构破坏或死亡，而壳聚糖薄膜培养基中，仅有0.2%的大肠杆菌结构破坏或死亡。因此，本课题制备的添加5 wt%MgO纳米颗粒的复合薄膜具有优异的抗菌性能。

3 结 论

采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）/碳酸镁预聚物原位合成方法制备球形氧化镁（MgO）纳米颗粒，与壳聚糖复合制备壳聚糖/MgO复合薄膜并对复合薄膜的机械性能、热稳定性、阻隔性能及抗菌性能进行了探究，主要结论如下。

3.1 采用X射线衍射（XRD）、傅里叶红外光谱（FTIR）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）分析壳聚糖/MgO复合薄膜的化学结构及微观形貌。结果表明，MgO纳米颗粒在壳聚糖基体内分散均匀，MgO纳米颗粒与壳聚糖未形成新的化学键，两者通过氢键相互作用，从而提高复合薄膜的力学性能。相对于壳聚糖薄膜，5 wt%MgO纳米颗粒添加量的壳聚糖/MgO复合薄膜拉伸强度提高了64%，弹性模量提高了50%。

3.2 添加适量的MgO纳米颗粒能够延缓壳聚糖受热分解，从而提高了壳聚糖/MgO复合薄膜的热稳定性。

3.3 MgO纳米颗粒延长了氧气分子在聚合物基体内扩散路径，降低了壳聚糖/MgO复合薄膜氧气透过常数；然而由于MgO纳米颗粒的亲水性，添加5wt%MgO纳米颗粒后，复合薄膜的水蒸气透过系数降低了约4%。

3.4 添加MgO纳米颗粒后，复合薄膜的抗菌性能得到了显著改善；添加5 wt%MgO纳米颗粒的复合薄膜在12 h后导致46%的大肠杆菌结构损坏或死亡。因此，本课题制备的壳聚糖/MgO复合薄膜具有优异性能，具有广阔的应用前景。