抗菌陶瓷釉的制备及性能研究*

2022-04-26李瑞,谢伟

广州化工 2022年7期

李瑞, 谢伟

随着生活水平的进步, 人们的健康意识不断增强, 近年来频发的甲型H1N1 流感、大肠杆菌疫情等事件使人们意识到需要与细菌等微生物进行长期斗争, 于是逐渐兴起了抗菌材料的研究。由于陶瓷产品在人们的日常生活中被广泛使用, 因此抗菌陶瓷在医疗卫生、建筑、水处理等行业的应用受到了越来越多的人的关注。近年来, 国内外大量研究报道稀有金属掺杂无机材料的抗菌剂有优越的抗菌性能, 广泛用于塑料、玻璃、陶瓷制品中[1-8]。

1 抗菌原理

本次实验加入抗菌剂稀土元素(铕), 细菌的细胞壁的主要成分是肽聚糖、脂多糖, 因为铕离子可以阻碍肽聚糖的合成,能与细菌的细胞内部的蛋白质中的疏水羟基相结合, 破坏细菌的鞘和壁结构, 使得细菌丧失原有的机能, 没有了蛋白质提供营养, 逐步死亡, 铕离子和蛋白质结合, 细菌死亡后, 铕离子继续与其他细胞结合, 阻碍细菌繁殖困难[9-10]。

2 实验部分

2.1 实验药品

我们采用配方主要突出SiO2、 ZnO 与铕的协同作用; 本次实验的抗菌剂即抗菌剂硫脲、硝酸铕均为分析纯; 釉料配方,详见表1; 大肠杆菌由本校药品生物实验室提供。

表1 釉料配方Table 1 Glaze formula

2.2 实验设备

KE 型行星式球磨机; 0.06 立方电窑; SX2 型高温马弗炉;XMA-600 型恒温培养箱; XFH-30MA 型压力蒸汽灭菌器。

2.3 抗菌陶瓷的制备

2.3.1 抗菌陶瓷制备工艺

(1)首先干燥坯料使得其成型。

(2)按照比例将釉料配方研磨混匀后, 置于高温梯度炉中煅烧至熔融状态后, 保温后, 水淬得玻璃料;

(3)将步骤(2)得到的玻璃料与上述重量份的硫脲、硝酸铕, 置于球磨罐中, 于一定的转速下, 球磨后, 得所述铕掺杂陶瓷釉料。

(4)将步骤(3)所得的釉料在高温梯度炉中煅烧至熔融状态优选以10 ℃/min 的速率升温至300 ℃, 再以2.5 ℃/min 的速率升温至700 ℃, 然后以2.5 ℃/min 的速率升温至11300 ℃,并于1130 ℃下保温25 ～30 min。

(5)将上述铕掺杂陶瓷釉料用球打磨机器, 打磨到450 目,过筛, 加入釉料, 注意釉料的含水率必须相同, 继续打磨5 ～6 h, 打磨完成后放置备用。与适量的去离子水混合, 调节酸碱值为8, 制成料浆, 涂覆于坯料表面, 室温晾干。

(6)样品坯体干燥后, 送窑烧制, 温度需要控制在1100 ～1300 ℃之间, 烧制10 h 左右。值得注意的是要对坯体进行保护, 以防釉料黏连, 提高抗菌釉料的稳定性。一般pH 值调节在8 左右。

图1 抗菌陶瓷制备工艺流程图Fig.1 Process flow chart of antibacterial ceramic preparation

2.3.2 抗菌陶瓷里加入不同量的釉料

改变抗菌剂的掺入量, 加入配方釉料中, 制备抗菌陶瓷。釉料在釉料中的占比为: 为0%、 4%、 10%, 具体情况见表2。

表2 掺入铕釉料的样品Table 2 Samples doped with europium glaze

3 结果与讨论

3.1 抗菌剂用量对釉面形貌的影响

图2 是釉料B 配方中抗菌剂用量分别为0%、 4%、 10%的抗菌陶瓷釉面的XRD 衍射图, 由图2 中可以看出, 未掺杂抗菌剂的的釉面XRD 衍射图较为平滑, 衍射峰不明显, 原因可以解释为高温烧制后, 陶瓷釉是玻璃态, 显示非晶相谱图。当在釉料中加入含有铕料的抗菌剂后, XRD 图谱的衍射峰变得逐渐尖锐起来, 随着铕含量的增大, XRD 图谱的衍射峰越强。这表明随着抗菌陶瓷釉面上含有铕晶体, 随着铕掺杂越多, 晶体衍射越明显。

图2 样品的XRD 图谱Fig.2 XRD patterns of samples

3.2 抗菌剂的用量对釉料表观的影响

图3 是加入不同用量的抗菌剂的陶瓷釉面粉体的扫描电镜照片, 从图3(a)中可以看出没有加入抗菌剂的釉料烧成后表面基本光滑, 几乎没有裂纹、针孔等缺陷。图3(b)中所显示的是含4%抗菌剂体的抗菌釉, 釉面相对较光滑, 表面有铕金属负载晶相, 因为用量较少, 被很好的包裹在釉料里面, 与之前抗菌陶瓷做的XRD 衍射图中, 衍射峰比较弱相呼应, 均能发现较为完整晶相, 图3(c)中显示的是含10%的抗菌剂体, 釉面变得粗糙了一些, 这大概是因为抗菌剂体较多, 釉料对抗菌剂没有较好的包裹。这表明当抗菌剂含量为10%或者更高时, 基础釉料玻璃化不能很好的抗菌剂, 所以添加抗菌剂用量不是越多越好, 而是不要超过总釉料的10%。