丙烯酸酯型季铵盐共聚物薄膜的制备及表征

2022-03-12王友长梁文城龚晨宇郎美东

功能高分子学报 2022年1期

王友长，梁文城，范瑶，龚晨宇，郎美东

（华东理工大学材料科学与工程学院，上海 200237）

传统的包装材料大多不具备抗菌性能，细菌与食品接触后，极易在其表面增殖，引起蛋白质变质，最终导致食品腐烂[1-3]。新鲜果蔬在自身呼吸作用下会产生水蒸气，在包装薄膜表面结雾，进一步加剧食品的腐烂[4,5]。目前主要的解决办法是在传统薄膜材料中添加防雾剂以及释放型杀菌剂，如抗生素[6]、重金属离子（Ag+、Cu2+）[7,8]或无机纳米粒子（ZnO、TiO2、AgNPs）[9-12]，以此改善薄膜的抗菌防雾性能。然而，随着时间的推移，这类材料的抗菌活性会逐渐下降，重金属离子等抗菌剂的溢出会引发更为严重的食品安全问题[13,14]。因此，设计一种基于接触杀菌的防雾抗菌薄膜成为当下的研究热点。

高分子季铵盐种类繁多、抗菌性能优异、安全无毒，目前已被广泛应用于生物医疗、公共卫生、食品包装存储等诸多领域[15-18]，其主体主要有聚乙烯基吡啶、聚丙烯酸酯及聚硅氧烷，一般可通过在聚合物侧链中引入带正电荷的季铵基团获得抗菌特性[13,19]。Tiller 等[20]将聚（乙烯基-N-己基吡啶溴化铵）接枝在传统玻璃基板表面，改性后的玻璃表面对水或空气中悬浮细菌的接触杀菌率可达99%，具有很好的商用价值。Khan等[21]设计了一种新型季铵化聚（4-乙烯基吡啶-co-丙烯酸）（P（Q4VP-co-AA））涂层，将其涂敷在不同基底（硅片、玻璃片、聚二甲基硅氧烷）表面，对其抗菌性能进行探究，结果表明其对大肠杆菌（E. coli, CMCC25922）和金黄色葡萄球菌（S. aureus，ATCC6538）的接触杀菌率均可以达到90%以上。

高分子季铵盐聚合物虽具有高效的抗菌性能，但大多存在塑性低、易脆、成膜性差、力学性能不佳等缺陷，极大限制了其在抗菌薄膜领域的应用[22]。聚丙烯酸丁酯（PBA）是一种具有延展性和柔韧性的聚合物，断裂伸长率超过1 000%，还具有优异的机械损伤自愈能力[23]。本文首先以丙烯酸丁酯（BA）和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEMA）为单体，经自由基聚合得到聚（丙烯酸丁酯-co-甲基丙烯酸二甲氨基乙酯）（P（BA-co-DMAEMA））二元共聚物。随后，用溴代烃（R-Br，分别为溴丁烷（BB）、溴己烷（HB）、溴辛烷（OB））对其进行季铵化改性，制备了侧基烷烃链长度不同的薄膜材料P（BA-co-DMAEMA）-R（R: BB、HB、OB）。该薄膜接触杀菌效果稳定，力学性能优异，兼具防雾性和透光性，有望应用于抗菌包装领域。

1 实验部分

1.1 原料和试剂

DMAEMA（采用蒸馏法除去阻聚剂）、BA、2,2-偶氮二异丁腈（AIBN）、BB、HB、OB、氯化钠（NaCl）：分析纯，上海阿拉丁试剂有限公司；乙醇、乙醚：分析纯，国药试剂有限公司；蛋白胨、酵母粉：分析纯，上海江莱生物科技有限公司。

1.2 P(BA-co-DMAEMA)-R 薄膜的制备

称取减压蒸馏后的单体（8.3 g DMAEMA 和2.3 g BA），氩气环境下加入到100 mL 聚合瓶内，加入30 mL乙醇作为溶剂，经磁力搅拌均匀后，加入引发剂AIBN（8.2 mg），放置在65 ℃油浴中反应24 h，使用去离子水对反应粗产物进行多次沉降提纯得到白色产物。将白色产物通过冷冻干燥除水，即得到P（BA-co-DMAEMA），避光保存待用。

称取1.5 g P（BA-co-DMAEMA）溶于20 mL 乙醇，按n（-N（CH3）2）∶n（BB）=2∶3 量取BB 溶于5 mL 乙醇，随后缓慢滴加到聚合瓶中。待BB-乙醇溶液滴加完毕后，将反应体系转移至60 ℃恒温油浴锅中反应24 h。使用冰乙醚对反应粗产物多次沉降提纯，真空干燥后，得到浅白色固体产物P（BA-co-DMAEMA）-BB，放置于干燥器中保存待用。同样，用HB、OB 季铵化P（BA-co-DMAEMA），可相应得到P（BA-co-DMAEMA）-HB、P（BA-co-DMAEMA）-OB，其合成路线如图1 所示：

图1 P（BA-co-DMAEMA）-R 的合成路线Fig. 1 Synthesis route of P（BA-co-DMAEMA）-R

分别称取2.0 g P（BA-co-DMAEMA）-R 溶解于18 mL 乙醇溶液中，常温下搅拌均匀。随后转移到模具中，置于25 ℃室温条件下缓慢挥干溶剂，得到P（BA-co-DMAEMA）-R 薄膜，实物照片如图2 所示。

图2 薄膜的实物照片Fig. 2 Pictures of films

1.3 表征与测试

核磁共振氢谱（1H-NMR）仪：德国 Bruker AV400 型，氘代氯仿（CDCl3）及氘代水（D2O）为溶剂。

傅里叶变换红外光谱（FT-IR, ）仪：美国 Nicolet 5700 型，溴化钾压片法，波长范围为500～4 000 cm−1。

凝胶渗透色谱（GPC）仪：美国Waters 1515 型，测试温度为35 ℃，流速为1.0 mL/min，淋洗溶剂为四氢呋喃（THF），标样为聚苯乙烯（PS）。

万能力学试验机：美国 BOSE Load Frame 3 200 System 型，参考GB/T 1 040-92 塑料拉伸测量标准。

接触角测试仪：上海中晨数字技术设备有限公司JC2000D2 型，每组薄膜取不同位置测量3 次，3 次结果的算术平均值为最终薄膜的接触角。

吸湿率：将各组薄膜均裁剪成尺寸为3 cm×2 cm 的样条，置于恒温恒湿容器中，每隔2 h 按顺序取出并吸去表面残留的水分，称量各样条的质量。

紫外-可见分光光度计：上海光谱公司SP-1900 型，将各组薄膜裁成尺寸为3 cm×1 cm 的样条，放在事先校过零的吸光槽中，设置透光率的光波长测试范围400～900 nm，然后对每组样条进行全范围扫描，测量其透光率。

防雾性：将制备得到的材料贴附于相同尺寸的玻璃板上，并置于−20 ℃冰箱中储存2 h，随后将样品取出，立即暴露在25 ℃、50%相对湿度的环境条件下，5 s 后拍摄照片[24]。其中以相同尺寸的空白玻璃板作为对照组。

采用菌落计数法，根据JIS Z 2 801 标准[25]研究P（BA-co-DMAEMA）-R 薄膜对E. coli和S. aureus的抗菌性能。裁取固定尺寸（1.5 cm×1.5 cm）的P（BA-co-DMAEMA）与P（BA-co-DMAEMA）-R 薄膜分别浸没在10 mL 的细菌悬浮液（2×106CFU/mL）中，并将未添加薄膜的细菌悬液作为空白组在37 ℃下震荡培养6 h。再取1.0 mL 细菌悬浮液用生理盐水稀释104倍后，取20 μL 细菌悬浮液均匀涂在LB 琼脂板表面，放置在CO2培养箱中培养24 h 后,统计细菌的菌落生长情况，计算杀菌率。每组样品设置3 个平行样。

采用抑菌圈[26,27]试验评估P（BA-co-DMAEMA）-R 薄膜的抗菌性能。分别移取100 μL 细菌悬液（2×105CFU/mL）涂布在LB 琼脂板上，随后，将P（BA-co-DMAEMA）与P（BA-co-DMAEMA）-R 样品（1.5 cm×1.5 cm）依次放置在LB 琼脂板的中心。在37 ℃恒温培养箱中培育24 h 后，通过观察样品周围的细菌生长情况来评价其是否向外释放抗菌剂。

2 结果与讨论

2.1 P(BA-co-DMAEMA)的结构分析

图3（a）为PDMAEMA、P（BA-co-DMAEMA）及PBA 的核磁共振氢谱图。从图中可以看出，a 峰（2.26）和b 峰（2.49）为DMAEMA 中-CH2N（CH3）2基团上的-CH3和-CH2-吸收峰，f 峰（1.6）和h 峰（0.89）分别为BA 上的-CH2-和-CH3吸收峰,由此说明P（BA-co-DMAEMA）已成功合成，通过对比b，f 峰的积分面积还可以得到P（BA-co-DMAEMA）中BA、DMAEMA 的实际物质的量之比：n（BA）/n（DMAEMA） = 23∶77。此外，c、e 峰（3.96）分别为DMAEMA 和BA 中-COOCH2-基团上的-CH2-吸收峰。

图3（b）为P（BA-co-DMAEMA）的GPC 谱图，PDI=1.37,Mn=9.89×104，与最初设计的数均分子量1.0×105相差不大。从图中可以看出GPC 曲线为单峰，表明P（BA-co-DMAEMA）不是多种聚合物的简单混合。结合核磁的分析结果，可以证明P（BA-co-DMAEMA）已成功合成。

图3 P（BA-co-DMAEMA）的（a）核磁共振氢谱和（b）凝胶渗透色谱Fig. 3 （a）1H-NMR spectra and （b）GPC curve of P（BA-co-DMAEMA）

2.2 P(BA-co-DMAEMA)-R 的结构分析

图4（a）为P（BA-co-DMAEMA）-R 与P（BA-co-DMAEMA）的核磁共振氢谱对比图。从图中可以看出，DMAEMA 上的叔胺基团（-CH2N（CH3）2）被溴代烃离子化后由a 峰（2.26）向左偏移至b 峰（3.12）。这主要是由于叔胺基团被季铵化产生N+，引发了吸电子效应，使得附近甲基基团上质子H 的电子云密度降低，向化学位移更高处偏移。需要指出的是，此处叔胺基团仅是被部分离子化，所以a 峰（2.26）没有消失，通过对比a、b峰的积分面积可知，P（BA-co-DMAEMA）-R 的离子化程度分别为58%（BB），45%（HB）和39%（OB）。

图4（b）为P（BA-co-DMAEMA）-R 与P（BA-co-DMAEMA）的红外光谱对比图。从图中可以看出，经溴代烷烃链修饰得到的P（BA-co-DMAEMA）-R 红外谱图上，在1 645 cm−1处产生C-N+吸收峰，同时在3 450 cm−1处产生显著的-OH 吸收峰，这是季铵盐容易吸收空气中水分子所致。此外，2 960 cm−1处的C-H 吸收峰强度随着溴代烷烃链长度增加而增强[28]。结合图4（a）中的核磁共振氢谱，表明已成功合成3 组季铵化共聚物。

图4 P（BA-co-DMAEMA）-R 的（a）核磁共振氢谱和（b）FT-IR 光谱Fig. 4 （a）1H-NMR spectra and （b） FT-IR spectra of P（BA-co-DMAEMA）-R

2.3 P(BA-co-DMAEMA)-R 的力学性能

图5 为P（BA-co-DMAEMA）和P（BA-co-DMAE MA）-R 薄膜材料的力学性能图。从图中可以看出，P（BA-co-DMAEMA）薄膜的拉伸强度为1.87 MPa,断裂伸长率为553%。P（BA-co-DMAEMA）-R 薄膜的拉伸强度随着离子化烷烃链长度增长而降低（OB ＞HB ＞ BB），从3.87 MPa 降至2.78 MPa，断裂伸长率则相应从194%提高到590%。这主要是由于溴代烷烃链对P（BA-co-DMAEMA）的离子化所产生的季铵盐离子基团可以提高薄膜的拉伸强度；而烷烃链属于柔性链段，断裂伸长率随着烷烃链长度的增加而增加。考虑到季铵盐共聚物薄膜的实际应用，P（BA-co-DMAEMA）-HB 薄膜的力学性能相对最佳，力学强度与断裂伸长率分别达到2.83 MPa 和590%。

图5 P（BA-co-DMAEMA）和P（BA-co-DMAEMA）-R 薄膜的力学性能Fig. 5 Mechanical properties of P（BA-co-DMAEMA） and P（BAco-DMAEMA）-R films

2.4 P(BA-co-DMAEMA)-R 的亲水性

从共聚物薄膜的亲疏水性（图6（a））可知，P（BA-co-DMAEMA）薄膜的接触角为100.12°，经BB、HB、OB离子化修饰后，接触角分别为66.87°、84.47°和108.33°。这说明BB 和HB 对聚合物进行了离子化改性，引入的离子键提升了聚合物的亲水性，而OB 由于疏水烷烃链过长，在水中易发生团聚而导致材料的疏水性变大[28]，所以P（BA-co-DMAEMA）-OB 薄膜疏水性强。上述结果表明BB、HB 对P（BA-co-DMAEMA）的季铵化可以显著改善其亲水性能。

为了研究薄膜在室温条件下的吸湿性，将材料置于恒温恒湿环境中对其进行吸湿性能测试，其结果如图6（b）所示。从图中可以看出，薄膜吸湿率随时间的增长趋势为：P（BA-co-DMAEMA）-BB ＞ P（BA-co-DMAEMA）-HB ＞ P（BA-co-DMAEMA）-OB ＞ P（BA-co-DMAEMA），并且吸湿率在24 h 后增幅趋于平缓，依次为29%、19%、16%、11%。该结果表明，吸湿率与薄膜的亲水性呈正相关，长烷烃链的引入提高了薄膜表面的疏水性，并降低了其对水分子的吸附能力。考虑到薄膜作为抗菌包装材料，吸湿率不能太高，所以P（BA-co-DMAEMA）-OB 作为包装材料相对最佳。

图6 P（BA-co-DMAEMA）和P（BA-co-DMAEMA）-R 的（a）接触角和（b）吸湿率Fig. 6 （a）Contact angles and （b）water absorption of P（BA-co-DMAEMA） and P（BA-co-DMAEMA）-R

2.5 P(BA-co-DMAEMA)-R 的透光性

图7 所示为P（BA-co-DMAEMA）与P（BA-co-DMAEMA）-R 薄膜在全波长范围内的透光性。从图中结果可以看出，烷烃链离子化后的P（BA-co-DMAEMA）-R＞薄膜透光性显著高于P（BA-co-DMAEMA）薄膜的，透光性随着烷烃链增长而增加[24]，透光率最高可达80%，表明引入烷烃链提高了薄膜的光透过性，而且长波光透过薄膜的能力要强于短波光，透光率最高可达85%。

图7 P（BA-co-DMAEMA）和P（BA-co-DMAEMA）-R 薄膜的透光率Fig. 7 Transmittance of P（BA-co-DMAEMA） and P（BA-co-DMAEMA）-R films

2.6 P(BA-co-DMAEMA)-R 的防雾性

采用薄膜涂层贴附法测试不同组材料的防雾性能，具体结果如图8 所示。从图中可以看出，相对P（BA-co-DMAEMA）（图8（a）），3 组离子化后的薄膜（图8（b）～图8（d））表面没有观察到雾滴附着，说明薄膜均具有优异的防雾性能。这主要是由于凝结在表面的水分子经氢键作用迅速被季铵盐吸收，且烷烃链的引入可以保持薄膜表面的疏水干燥，进一步提高其防雾性能[24]。

图8 样品的防雾效果图Fig. 8 Antifogging effects of samples

2.7 P(BA-co-DMAEMA)-R 的抗菌性能

2.7.1 菌落计数法图9 为P（BA-co-DMAEMA）、P（BA-co-DMAEMA）-R 与空白组的涂板抗菌图，由菌落计数法测得的杀菌率如表1 所示。从图9 和表1 中可以看出，P（BA-co-DMAEMA）薄膜的杀菌效果不佳，对E. coli和S. aureus的杀菌率仅为53.3%和48.6%。季铵化改性后的P（BA-co-DMAEMA）-R 薄膜对E. coli和S. aureus则展现出优异的抗菌性能。这主要是由于季铵化后产生的正电荷N+离子基团可以与细胞膜表面负电荷发生静电吸附作用，随后烷烃链（BB、HB、OB）能够有效穿透细胞膜，破坏细胞膜的完整性，导致细菌死亡[29]。P（BA-co-DMAEMA）-R 的抗菌活性随着季铵化烷烃链的增长而增加，对E. coli和S. aureus的杀菌率可达99%以上。

表1 菌落计数法测得的杀菌率Table 1 Bactericidal rates measured by colony counting method

图9 薄膜对E. coli（上）和S. aureus（下）的杀菌效果图Fig. 9 Antibacterial effects of films on E. coli （up） and S. aureus （down）

2.7.2 抑菌圈评估采用抑菌圈试验评估P（BA-co-DMAEMA）-R 薄膜的杀菌剂释放情况（图10）。在E. coli和S. aureus培养基中，P（BA-co-DMAEMA）-R表面光滑洁净，周围没有产生抑菌圈，而P（BA-co-DMAEMA）的周围虽没有抑菌圈，表面却出现明显的菌落附着。相较于P（BA-co-DMAEMA），季铵化改性后的P（BA-co-DMAEMA）-R 薄膜具备优异的接触杀菌性能，且完全基于接触杀菌，不向外释放抗菌剂，安全无毒，有望在食品包装领域广泛应用。

图10 P（BA-co-DMAEMA）（a）和P（BA-co-DMAEMA）-R （b, c, d）对E. coli 和S. aureus 的抑菌圈照片Fig. 10 Zone of inhibition test result of P（BA-co-DMAEMA）（a） and P（BA-co-DMAEMA）-R （b, c, d） against E. coli and S. aureus