含银复合乳液对混凝土表面抗菌性能的影响

武子晗，李绍纯,2，眭世玉，蒋 敏，周佩剑，周子寒

(1.青岛理工大学土木工程学院，青岛 266033；2.青岛理工大学山东省蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，青岛 266033； 3.青岛理工大学环境与市政工程学院，青岛 266033)

0 引 言

海工混凝土的耐久性是海洋开发必须关注的重点问题。在海洋环境下，微生物腐蚀(microbiologically influenced corrosion， MIC)是海工混凝土过早失效的重要原因之一。海水中存在大量的硫化细菌，可附着在混凝土表面，产生酸性代谢产物[1]。这些代谢产物(如硫酸)与混凝土的水化产物反应，形成石膏和氧化铝钙，使混凝土表面发生开裂和剥落[2]。

涂层防护是混凝土表面免受微生物腐蚀的重要方法[3],它可以防止有害物质在混凝土表面积聚、渗透。涂层通常通过两种方式对混凝土进行保护,一是提高混凝土表面的耐腐蚀性。例如，Roghanian等[4]开发了一种掺锌黏土多相复合材料涂层，与腐蚀后空白样品相比，涂覆该涂层的样品强度损失减少了38%。此外，当涂层应用于已腐蚀样品时，样品的强度可恢复40%。Merachtsaki等[5]用两种不同的纤维素制备了六种氢氧化镁基涂料。结果表明，这些涂层具有良好的耐酸蚀性能。二是在涂料中掺入有毒制剂以提高混凝土表面抗菌性能。例如，Edge等[6]将杀虫剂封装在改性二氧化硅框架内，在UVA(340 nm)照射125 h后，涂层仍表现出良好的杀菌性能。而传统抗菌涂层的缺陷不能改变混凝土的表面亲水性，随着抗菌物质的释放，涂层抗菌性能会迅速下降。

混凝土表面疏水涂层是近年来的研究热点之一。疏水表面可以降低微生物在混凝土表面的黏附力，使微生物更容易被水流冲走[7]。其中硅烷类材料与环氧树脂、聚氨酯和丙烯酸树脂等传统防水材料相比，具有优异的透气性和抗渗性[8]。通过试验[9]验证，异丁基三乙氧基硅烷(IBTS)作为一种渗透性水泥基防水材料具有良好的应用前景，并且IBTS可与正硅酸乙酯(TEOS)结合制备复合乳液。复合乳液克服了硅烷单体易挥发的缺点，与单一乳液相比，更高的硅烷含量使其拥有更好的防水性能。将纳米银粒子与TEOS/IBTS乳液混合，制备了一种新型Ag/TEOS/IBTS复合乳液(ATS),并研究、比较了ATS、Ag/IBTS复合乳液(AS)和Ag/TEOS复合乳液(AT)的疏水性能和抗菌性能。

1 实 验

1.1 主要原料

本试验中所用原料如表1所示。

表1 试验用主要原料Table 1 Main raw materials for experiment

1.2 纳米银分散液的制备

向含有0.3 g聚乙烯吡咯烷酮和0.03 g SDS的混合溶液中加入0.6 g AgNO3和0.3 g KH-550，搅拌均匀。然后在上述混合液中加入微量硼氢化钠溶液，得到纳米银分散液,过程如图1所示。

1.3 复合乳液的制备

本试验所用乳液根据课题组前期成果改进而来，其中AS乳液制备流程如图2所示。AT、ATS乳液则是在AS乳液的基础上改变或添加成分而来。其中AT乳液是将油相中的IBTS改变为TEOS，其他制备流程不变；ATS乳液的前期制备过程与AS乳液制备流程相同，待油相滴加入水相反应1 h后，向反应器皿中继续滴加一定量的TEOS，然后继续反应4 h制得ATS乳液。

图1 纳米银分散液制备流程Fig.1 Preparation process of nano silver dispersion

图2 复合乳液制备流程Fig.2 Preparation process of composite emulsion

1.4 砂浆试块制备

1.4.1 砂浆制备

参考GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》对各材料进行称量，m(水泥) ∶m(砂) ∶m(水)=1 ∶3 ∶0.5。然后将水泥和标准砂倒入立式搅拌机中进行搅拌，干搅1 min后缓慢加水，继续搅拌2 min。将搅拌均匀的砂浆放入40 mm×40 mm×160 mm的模具中，然后在振动台上进行振动，当表面平整并且出水时停止振捣。振捣后的砂浆覆膜静置24 h，然后将试块拆模放置在温度为21 ℃、相对湿度>95%的标准养护室中养护28 d，28 d后取出砂浆试块进行干燥，然后将其切割为40 mm×40 mm×8 mm试块,过程如图3所示。

图3 砂浆试块制备流程Fig.3 Preparation process of mortar specimens

1.4.2 砂浆表面涂层处理

本试验采用分次涂覆方式，涂覆次数为2次，将三种乳液分别均匀涂覆于砂浆试块表面，每次涂覆量约为600 g/m2，涂覆时间间隔约3 h，待乳液完全吸收后再进行下次涂覆。待试块完全干燥后，将表面用软刷清理干净。

1.5 纳米银粒子的XPS表征

将纳米银分散液倒入洗净干燥的离心管中离心15 min，转速为8 000 r/min，去掉上清液后将制得的产物用乙醇清洗并烘干，随后采用赛默飞公司Kalpha型号X射线光电子能谱仪(XPS)对产物进行XPS表征。

1.6 复合乳液的表征

1.6.1 复合乳液银粒子含量

采用珀金埃尔默公司8300型号等离子体发射光谱仪 (ICP) 对复合乳液中银粒子含量进行测定。

1.6.2 复合乳液的FT-IR表征

采用赛默飞公司Nicolet iS10型红外光谱仪对复合乳液进行表征，光谱范围设定为4 000～500 cm-1，分辨率为4 cm-1。

1.6.3 微观形貌表征

采用蔡司公司Sigma 300型扫描电镜观察试块表面微观形貌。

1.7 复合乳液性能测试

1.7.1 复合乳液的抗菌性能测试

取以芽孢杆菌为优势菌的复合菌悬液(未经稀释)200 μL分别接种在四个培养基上。然后分别在三个试验组培养基中心滴加100 μL AS、AT和ATS，剩余一个培养基作为空白组不滴加乳液。将培养基置于恒温培养箱中培养，48 h后取出观察细菌的生长情况。

1.7.2 复合乳液的防水性能与渗透性能测试

采用SL150静态接触角测量仪测量处理后的砂浆表面上不同位置的接触角，采用悬滴法测量了静态接触角，每个区域测量五次后取平均值作为试验数据。另外将涂覆乳液的试块纵向劈裂，使用喷壶在横截面喷水，观察乳液的渗透性能。

1.7.3 复合乳液抗菌黏附性能测试

将空白试块与经过防水处理后的试块在以芽孢杆菌为优势菌的复合菌液中培养15 d，15 d后取出，并用无菌盐水清洗表面未附着的细菌。然后制备染色溶液(2 mL无菌生理盐水，加入2 μL SYTOTM9绿色荧光核酸染色剂和2 μL碘化亚啶)，滴在样品表面，37 ℃恒温培养15 min。采用Olympus FV1200激光共聚焦扫描显微镜(CLSM)对试块表面死、活细胞进行成像，活细胞在488 nm激发波长处显示绿色斑点，死细胞在559 nm激发波长处显示红色斑点。

2 结果与讨论

2.1 纳米银粒子XPS表征分析

图4为纳米银粒子XPS表征。如图4(a)所示，烘干产物在368.02 eV与374.03 eV处存在两个峰，根据文献[10]这两个峰分别是Ag3d2/5和Ag3d2/3的峰位。一般认为，当Ag3d2/5峰位大于等于368.0 eV时，Ag以单质的形式存在，同时两峰之间的间距为6.00 eV可初步判断Ag元素几乎全部以单质的状态存在[11]。再根据图4(b)Ag元素的俄歇能谱可知，烘干产物中的Ag全部为单质。由于制备复合乳液的过程不具备将银氧化的条件，因此可以得出结论，当纳米银分散体参与复合乳液的制备时，银仍以单质状态存在于乳液中。

2.2 复合乳液表征分析

表2为复合乳液银元素含量。由表2可知，复合乳液中银元素含量远低于FT-IR检测限，因此在FT-IR谱(见图5)中没有银元素相关的峰位。如图5所示，三种乳液在957.0 cm-1、1 066.9 cm-1、1 642.6 cm-1、2 976.6 cm-1以及3 370.4 cm-1处有相似的振动峰。其中3 370.4 cm-1处的振动峰是由—OH的拉伸引起的，2 976.6 cm-1处的振动峰是硅烷乳液中C—H键伸缩振动所致，1 066.9 cm-1和957.0 cm-1处的振动峰则分别来自乳液中的Si—O—C和Si—O—Si[12]。ATS在1 066.9 cm-1和957.0cm-1处的峰值最大，表明ATS中硅烷的羟基数量最少，脱水缩合反应比AS和AT更充分。

图4 纳米银粒子XPS表征Fig.4 XPS characterization of silver nanoparticles

表2 复合乳液银元素含量Table 2 Ag content in composite emulsions

图5 复合乳液FT-IR谱Fig.5 FT-IR spectra of composite emulsions

2.3 复合乳液抗菌性能与防水性能分析

图6为复合乳液抗菌性能测试。如图6所示，三种乳液都有着良好的抗菌性能，其中滴加了AS和AT的培养基抗菌效果更加显著。抗菌效果的区别首先是由于三种乳液的银含量不同，根据ICP的测量结果，AS和AT的银含量高于ATS；其次是由于ATS的硅烷含量高，液体流动性相对较差，因此当ATS滴加到培养基的中心时液滴不会广泛扩散，图6(b)中框线部分即为未扩散乳液。故AS和AT在抗菌性能测试中具有更好的表现。

通过接触角测试验证了复合乳液的防水性能，结果如图7所示。ATS、AS和AT的接触角(contact angle, CA)分别为119.67°、103.19°和99.72°，表明复合乳液的改性使试块表面具有良好的防水性。ATS接触角最大是因为ATS的硅烷含量最高，试块表面交联的Si—O—Si键较多，因此ATS疏水层最为致密，防水性能最好。

图6 复合乳液抗菌性能测试Fig.6 Test of antibacterial properties of composite emulsions

图7 复合乳液接触角Fig.7 Contact angle of composite emulsions

图8为复合乳液渗透性能测试。如图8所示，试块横截面浅色部分表示未被水沾湿，浅色部分面积越大表明乳液渗透性能越好。三种乳液都有良好的渗透性能，渗透深度均可以达到5 mm以上，并且渗透程度均匀。其中AS和AT渗透深度接近，分别为9.24 mm和9.02 mm，而ATS的渗透深度为6.89 mm。AS和AT的渗透深度较大，这是因为AS和AT较为稀薄，其中的硅烷的分子量较小，因此渗透性能略强于ATS。同时根据试块显色情况可以看出，试块被乳液渗透的区域均有着良好的防水性能。这意味着涂覆乳液的水泥基材料在使用中即使表面发生一些物理磨损，内部仍具有良好的防水性能。

图8 复合乳液渗透性能测试Fig.8 Test of permeability of composite emulsions

在菌悬液中培养15 d的试块表面状态如图9所示。空白试样表面有明显的生物膜黏附(见图9(a1)框中部分)，涂覆了复合乳液的样品表面(见图9(b1)、(c1)、(d1))则没有明显的细菌生长迹象。使用CLSM对试块表面进行拍摄，图9(a2)显示在空白试块表面上有大量聚集的活细菌，图9(a3)则显示空白试块表面几乎没有死亡细菌。而在涂覆过复合乳液的样品表面(见图9(b2)、(c2)、(d2))只有少量分散的细菌。疏水表面阻止细菌黏附，在疏水表面的部分区域(见图9(b3)、(c3)、(d3))出现红色荧光反应，证明银粒子的存在对细菌有灭活作用。而从图9(b3)中红色荧光反应部分亦可知ATS的银元素含量未影响复合乳液的抗菌作用。

图9 复合乳液抑菌黏附性能测试Fig.9 Test of antibacterial adhesion of composite emulsions

2.4 SEM测试分析

利用SEM对试块表面进行深入分析(见图10)。根据IBTS防水机理[13]可知，IBTS在生成乳液的过程中会发生水解，水解后的硅烷含有大量羟基。这些羟基会与水泥基材料表面发生脱水缩合从而形成具有防水能力的疏水层。从图10中的SEM照片可以看出，三种乳液都在试块表面发生反应，生成了絮状结构。这层絮状结构是乳液在试块表面生成的疏水层，正是疏水层改变了试块表面的疏水性。其中AT与AS的絮状结构较薄，由图10(a)、(b)可以清晰地观察到水泥水化反应生成的颗粒状物质。而ATS在试样表面生成的疏水层则非常致密，这使得试块表面水化产物难以观察(见图10(c))。由图10(d)可以发现颗粒状的水化产物被完全包裹在疏水层下。正是这层致密的疏水层使得ATS的防水性能优于AS与AT，同时优异的防水性能降低了细菌的附着力，更好地保护了水化产物。因此，ATS的保护性能优于AT和AS。

图10 试块表面SEM照片Fig.10 SEM images of specimens surface

3 结 论

(1)Ag/IBTS复合乳液、Ag/TEOS复合乳液和Ag/TEOS/IBTS复合乳液均改变了水泥基材料表面的防水性能。其中Ag/TEOS/IBTS复合乳液效果最为显著，可以使试样的表面接触角达到119.67°。同时三种乳液的渗透性能良好，渗透深度均达到5 mm以上，渗透程度十分均匀。

(2)Ag/IBTS复合乳液、Ag/TEOS复合乳液和Ag/TEOS/IBTS复合乳液都具有良好的抗菌黏附性能，在菌悬液培养15 d后三种乳液都能很好地抑制细菌在水泥基材料的表面黏附。这是由于材料表面的防水性能会降低细菌黏附力。通过CLSM观察，三种乳液都具有良好的抗菌性能，证明乳液中微量的纳米银粒子赋予了乳液良好的杀菌能力。

(3)通过SEM测试可以发现，乳液会在水泥基材料表面反应生成致密疏水层，疏水层对水泥水化产物有包裹、保护作用。Ag/TEOS/IBTS复合乳液的硅烷含量最高，疏水层最致密，防水性能最好。