纳米级二氧化钛在塑料制品中的抗菌作用

杨程(山东天纳元新材料科技有限公司，山东 淄博 255000)

0 引言

塑料制品在日常生活使用量十分巨大，广泛用于食物包装、存储容器、新型厨具等，直接与食物接触，此外在医疗辅材以及包材方面也被大量采用。以上使用环境均要求塑料具有一定的防止菌群滋生的功能，在生产灭菌后，如何保证其在使用过程中依然保持良好的抗菌性能，避免滋生新的菌群，一直是此类材料应用领域重要的关注点。而以钛化合物为代表的无机物与塑料的结合运用所表现的显著的抗菌能力，已经得到塑料包装领域的高度关注和认可[1]。

1 抗菌标准的选取

在检验以及实测塑料材料的菌群抑制效果时，我们应当根据以下几个基础的标准进行：

首先是针对纺织物品的抗菌性能检测标准，这一标准为国家标准。该标准被选取的待检测产物的无菌的确认以及提取制定了较为明确的规范，同时包含以明确菌群并采取定量的方法进行菌群再生状况的规范性的基本实验要求。

其次是实际的实验方法的固定上，我们使用了按照一次性卫生产品的国标检测要求中关于菌群固定以及抑制菌群效果的判定标准以及参考数据的相关要求。具体实验流程该规范标准中进行了较为明确的规定，本次实验将完全按照以上规范的要求进行[2]。

同时实验的过程参考最新版本的卫生主管部门要求的技术规范，该规范同样用以直接引导本次实验的进展过程。此外在本次验证过程中我们使用的待检测材料以及菌群相关的数据内容均来自于具备相关国家资质的规范的专业机构。

2 二氧化钛结构类型的选取

以二氧化钛为主要化学成分的钛化合产物在自然以及工业生产中以多种形式存在，出于使用的便捷性以及对菌群再生抑制效果的两方面的考虑，最终确定采用工业制成锐钛矿同型以及工业制成的金红石同型。

其中前者本身为自然环境中储存量较大的一种二氧化钛的稳定状态，其一般以坚固高亮度的标准方晶体形式存在，具备转化为金红石的可能性。在工业领域当中该种化合物质主要通过液态的钛化合溶液低温反应的形式进行制取，作为原料时的基础形态为白色粉末。选用此状态晶体作为对象的主要理由是其光的灵敏度更高、能够实现更为明显的光触媒效果，因此在抑制菌群生长等方面效果更为明确[3]。

后者金红石型的二氧化钛有效物质含量更高，该类型的钛白粉是很多工业生产中均会选用的较为纯净的等级更高的产品。在抗菌效果方面，金红石型二氧化钛是世界上存在各类结构的二氧化钛当中，抑菌能力表现较为突出。但该结构类型二氧化钛在我国的天然矿藏储量有限，需要从国外进口，其成本会比锐钛型二氧化钛高很多。

3 二氧化钛的抗菌原理

二氧化钛作为抗菌剂，其抗菌原理可以从其物理状态以及化学属性等方面进行分析。钛的化合产物之所以能产生抗菌效果，主要是通过将光的流子由材料的表面引入到内部，直接作用于菌群表面以光能量实现灭活作用。

这一效用的达成主要由于采用的钛的化合产物从形态而言属于导体类型，能够对光进行有效的引导。通过τ=γ2Π2D对光流子进行计算，当分子尺寸维持在200 nm的常见尺寸时，光的流子能够以纳秒、皮秒乃至飞秒的时间周期内扩散至需要展开消杀的部位，因此，此种材料能够表现出更好的抗菌效应[4]。

4 二氧化钛抗菌剂的核心优势

4.1 二氧化钛具有长期抑菌效果

虽然塑料制品大都作为单次使用的产物存在，但需要注意的是包括外包装在内的很多材料使用的综合周期实际并不短，部分在厨房等使用的塑料制品由于所处环境中的水含量较高且容易受到各种化学物质的影响，因此更加可能发生抗菌剂失效现象。此种情况下塑料中添加的抗菌材料是否能够继续保持较高的抑制效果，对材料的选用起到明显的参考作用。

包括铜等金属材料在内的抑制性辅助材料，在反应发生前化学状态较为活泼的情况下整体的抑制效果极为明显，但当反应进行到一定量级自身的活泼性降低后抑制的能力明显下降。

与之相反，本文所述的钛的化合产物的抑制作用与直接的化学反应的关联度较低，因此虽然在暴露环境中本材料同样会出现一定的化学变化，但依然能够保持较高的抑制能力。实验结果显示，对3种更具代表性的菌群的抑制实验中，在材料老化发生前，对3种菌群的抑制作用率分别为99.97%、99.98%、97.39%；当承载物及塑料产品出现老化状态后对其进行同样的检验显示抑制的效果依然维持在99.86%、99.64%以及95.37%，结果证明本种材料即便在产品出现老化后同样维持较好的抑制效果，能够实现长期作用[5]。

此外根据对作用原理的讨论我们发现，铜等金属在抑制过程中虽然能够杀死细菌但无法同时破坏死亡菌体的结构，因此死亡的菌体继续驻留于产品中可能产生一定的毒性，而钛的化合产物的作用则能够从细胞层面破坏细菌，使菌体出现由内部开始破裂，因此死亡的菌体不会继续存在也不会产生另外的风险可能。

4.2 二氧化钛具有广谱抑制效果

根据对使用环境的分析，塑料制品使用的环境一般为自然状态的环境，环境中包含有害性微生物门类复杂且多样，因此在选择抑菌剂时，单独杀灭的方式将存在极大的差异性等特征，因此在选择能够维持塑料制品安全使用的抑菌添加剂的过程中，需要选择具有广谱抗菌效果的抗菌剂。

上述的危害性微生物当中，既包含常见的各类细菌生物也存在一定量的霉菌类生物，不同生物的生物构成、细胞形态以及形成生物体连接的各种蛋白和酶均存在较大的差异性，这些生物的生存和适应环境也同样存在一定的差别，因此，采用化学抑菌法很难起到全面有效的抑菌作用。而考虑到塑料材质本身大都无法耐受过高的温度，因此对于塑料制品而言，高温等物理方法对塑料材料上的菌群抑制中同样难以取得从成效。

而我们使用的二氧化钛产品其抑菌的途径与以上化学和物理方法均不相同，其通过光的流子引导直接供给菌体的细胞结构，对所有具备生物基本形态的菌体均能造成有效的杀伤。此外其起效的途径不会引发明显的物理或化学的反应，因此不会造成产品本身的性质改变等问题。

4.3 二氧化钛具有长期稳定性

耐久性的塑料制品添加的抗菌剂需要有一定的稳定性，才能保证塑料制品的抑菌作用长期稳定有效。由于我们选择的二氧化钛材料主要结构并非是具有更高活性的物质结构，而是已经处于稳定的状态的结构，且该化合产物是化学稳定性极好的化合物，因此首先从稳定性而言，我们选择的此类材料能够维持长期的固定状态[6]。

与之相比在某些场合中同样使用较为频繁的金属离子抑制剂，虽然这些物质由于离子较为活泼在初始阶段能够通过快速而活泼的反应实现较为明显的抑制效果，但是正由于金属离子的属性过分活跃因此其不仅能够通过化学变化实现菌群抑制，同样化学反应也会给承载材料造成一些影响，塑料制品的形状会因此而发生性状改变，甚至出现过早老化的情况，一些分子结构较为特殊的塑料，还会与离子结合，存在形成危害性物质的可能。

二氧化钛并非依赖化学反应实现抑菌功能，而且二氧化钛性质和结构稳定，该化学结构属于内部聚合作用较为明显的稳定类型的产物，因此在非特定环境中不会与周围的其他物质发生明显的反应。另外我们选择的两种物质的形态本身从物理的结构以及化学结构的维持双方面考量变化的可能性同样较小[7]。

对添加材料而言，添加入主材料的辅助性材料能够维持更好的稳定状态，不会对主材料的物理以及化学性状造成负面的改变是材料选取中重要的参考因素，有鉴于此二氧化钛在塑料抑制菌群需求中属于首选的抑菌材料。

5 嵌入金属离子强化二氧化钛的抑菌效果

5.1 二氧化钛嵌入金属离子的可行性

如上所述我们可知金属的自由离子在实现初期的抑制效果时表现较好，同时以适当的手段将离子的位置和受力固化，防止其过速发生反应的前提下此种离子理论而言能够在更长的周期中体现抑制效果的增大。

通过对二氧化钛的内部结构的分解，我们能够发现，诸如使用较多的银离子在空间层面具备镶嵌入备选材料分子结构的可行性。另外由于金属离子自身的能量等级相较结合较为紧密的化合物而言明显更低，因此金属的离子在实现嵌入后不会如同游离状态一般快速发生反应并脱离离子形态，因此镶嵌有金属离子的原始材料具备维持较长周期的可行性[8]。

而在实现作用方面，已经嵌入其他化合物结构当中的金属离子的作用原理以其原本的作用已经存在较大的区别。由于离子的嵌入，原本结构已经较为紧密的材料分子结构的空间空隙得到进一步的缩小，因此电子在跃迁等过程当中必须经历的能量层更少，能够实现以更短的速度抵达预计区域的效果。因此当离子加入时原本材料的起效时间得到了有效的缩短。此外虽然其他以化学的形式结构的金属与钛的化合产物的结合物同样具备类似的效果，但是由于作用的空间布局必须，其在结构上往往更为复杂在空间的控制上效果更差，对某些类别的较小的对象的作用效果并不明显。

5.2 嵌入金属离子后抑菌效果提升

从数据角度而言，在原始的二氧化钛中，嵌入离子状态的金属能够起到更为有效的菌群抑制作用。

如在正常的周期实验中，原始状态下，备选材料的抑制率虽然均能够达到97%以上，并且大部分能够保持在99%以上，然而这一结构意味依然存在小部分菌群能够逃离抗菌材料的抑制作用。但是加入离子状态的金属后，在针对以上检验菌群进行周期统计后，得到的数据显示，各类菌群的消杀率均由原本的数值提升至99.9%以上，从理论上讲，此类材料能够形成完全的抑制消杀作用[9]。

另外在环境光亮的影响层面，按照我们以上的验证数据我们能够明确，在紫外光线更高的情况下备选材料的消杀效果更为明显，但是通过金属银离子等的加入我们在验证中发现，各类光线中添加材料的抑制利用均得到了较为明显的提升，在缺乏紫外光源的环境中新的复合类型的材料同样能够起到有效的抑制效用[10]。

而与含有游离的金属离子的材料相比，被嵌入的金属离子对光照的反应更小，更不易发生变异的问题，能够在更长的时间内保持基本属性。

6 结语

随着塑料制品在食品和医疗等行业的广泛应用，其抗菌性能也受到越来越多的重视。纳米级二氧化钛作为一种稳定安全的抗菌化合物，以及其所具有光学抗菌性能，使其成为塑料制品抗菌剂的优选品种。该类抗菌剂不仅具有广谱的抑菌效果，抑制效果极为显著，而且价格与塑料较为匹配，具备较高的安全维持能力，因此在满足塑料抑制的需求方面应得到优先使用。