水性抗菌耐污氟碳涂料的研究

水性抗菌耐污氟碳涂料的研究
崔学军1,2,刘春海1,2,杨瑞嵩1,2,林修洲1,2,龚敏1,2
( 1. 四川理工学院材料与化学工程学院,四川自贡643000; 2. 材料腐蚀与防护四川省重点实验室,四川自贡643000)

引言
在水性涂料中添加低表面能抗菌剂,制备适合金属表面涂装的水性抗菌耐污涂料,具有广阔的应用前景和市场价值[1-3]。目前所用的抗菌剂主要有天然抗菌剂、有机抗菌剂和无机抗菌剂三大类[4]。天然抗菌剂如芥末、蓖麻油等,使用简便但抗菌作用有限; 有机抗菌剂如季铵盐类、山梨酸等,它们的杀菌速度快,开发和使用技术成熟,但稳定性和长效性差; 无机抗菌剂主要是银系抗菌剂和具有光催化作用物质,如纳米TiO2、纳米ZnO 等。银离子抗菌剂价格昂贵,而纳米TiO2具有自身无毒、无味、无刺激性、热稳定性与耐热性好、不燃烧,可降解性等优点,成为开发研究的热点之一,但是它需要光源照射。因此很多学者致力于复合型抗菌剂的研发[1,5],如无机- 有机复合、Ti - Ag 复合、Cu - Zn 复合等。实验中采用具有优良抗菌性的纳米TiO2 /Ag、银复合抗菌剂,通过添加工艺的研究,制备水性抗菌、耐污氟碳涂料。

1 实验
1. 1 材料
金属基材为马口铁; 抗菌剂( nano - TiO2 /Ag 复合型) ; 水性氟碳乳液( 固含量45%) 。
1. 2 制备方法
首先,在分散缸中加入水、分散剂和适量消泡剂,低速搅拌均匀; 然后缓慢加入复合抗菌剂和填料,高速分散30 min 后,在砂磨机内研磨30 min 至无颗粒; 在低速搅拌下缓缓加入氟碳乳液,低速搅拌60 min,使粉料与乳液及剩余的助剂混合均匀。涂料参考配方,见表1。填料主要包括钛白粉和高岭土。

1. 3 测试与表征
1. 3. 1 表面形貌
采用扫描电镜( SEM JSM 6360 LV) 对涂层的表面形貌进行表征。
1. 3. 2 接触角
使用GS - X150 接触角测量仪( 南京覃思科技有限公司) 对涂层接触角进行测试。
1. 3. 3 耐污性测试
将碳素墨水滴在涂层表面上,室温静置48 h,然后用棉球擦拭,考察涂层的耐污性。将涂层耐沾污性分为5 级,0代表没有效果; 1 代表有一定效果,但酒精擦拭后仍有明显痕迹; 2 代表酒精擦拭后有较浅痕迹; 3 代表清水冲洗有很浅痕迹,酒精擦拭后无痕迹; 4 代表清水冲洗后无痕迹。
1. 3. 4 涂层抗菌测试
实验采用菌落计数法对涂层的抗菌性能做定量检测。配制牛肉膏蛋白胨琼脂培养基并灭菌后,倒入已灭菌的培养皿中制得平板备用。用无菌生理盐水将大肠杆菌菌种配成103 cfu /mL 左右的菌液,并用平板计数法测定活菌数N( cfu /mL) ; 用无菌移液管吸取菌液滴于涂层上,与涂层接触若干时间后,再吸取菌液滴于平板上,用无菌三角棒涂布均匀。将平板移至37 ℃恒温培养箱中培养12 h 后,取出计算平板上的菌落数,得到与涂层接触若干时间后的活菌数N1( cfu /mL) 。灭菌率的计算公式为:
灭菌率( n%) = [( N - N1) /N]× 100%
1. 3. 5 理化性能测试
理化性能测试分别按国家标准执行,标准详见文件GB/T 1720 - 1989、GB/T 1731 - 1993、GB/T 1732 - 1993和GB/T 6739 - 1996。

2 结果与分析
2. 1 涂层抗菌性能
图1 是涂层抗菌性与抗菌剂含量的关系,可见涂层的杀菌率随抗菌剂含量的增加而增大。抗菌剂含量在0 ~ 2%范围内时,抗菌率几乎是直线增加,与抗菌剂含量呈近似的线性关系; 当抗菌剂含量在2% ~ 4% 范围时,抗菌率增加趋于平缓,约在90% 左右。图中的变化关系表征了在不同抗菌剂含量下涂料涂层的杀菌性能,从图1 中比较,当抗菌剂含量在3% 左右时,涂层具有较高的杀菌率,可以确定为最佳用量。

图1 涂层抗菌率与抗菌剂含量的关系
2. 2 涂层耐污性能
纳米二氧化钛,不但具有良好的杀菌抗菌能力,而且由于纳米效应,还具有优异的自洁耐污性能[6-7]。由于实验中选用的无机抗菌剂中含有纳米二氧化钛,因此,我们对涂层的耐污性能进行了测试,见表2。与未引入抗菌剂的涂层比较,引入0. 5% ~ 3% 的抗菌剂,涂层均具有一定的耐污性能,尤其是含量在1. 0% ~ 3%范围内,耐污性能达到了4 级。因此,当涂层在使用中沾有污染物时,可以用清水或酒精很容易的擦洗掉,而保持原来的良好外观。


2. 3 涂层的自洁性能
在涂料中引入纳米二氧化钛,由于纳米粒子的存在,涂层具有一定的疏水性能[8]。因此,可以通过接触角的测量,表征涂层的自洁性能。图2 是涂层对水的接触角随抗菌剂含量的变化。未添加抗菌剂,涂层的接触角在43°左右,从图3( a) ( 抗菌剂含量0) 可见,水滴在表面已经铺展润湿。抗菌剂含量在0. 5% ~ 2% 范围内时,涂层的接触角随着含量的增加而递增,说明纳米抗菌剂在涂料中分布均匀,形成的涂层表面具有一定量的纳米粒子,提高了涂层的疏水性能。当含量在2% ~4%范围内时,涂层的接触角增加到80°左右,从图3( b)( 抗菌剂含量4%) 中可见到水滴在涂层表面不易扩展,涂层已经具有一定的疏水性能,提高涂层的耐污性能。而且,接触角在这个范围内变化不大,说明此时的抗菌剂对涂层的接触角的用量达到了峰值,如果用量继续增加,可能会由于纳米粒子在涂料中的分散度下降,形成的涂层表面存在大量的亲水基团,导致涂层对水的接触角下降[9],不利于提高涂层的耐污性能。


2. 4 涂层的表面形貌
图4 是添加抗菌剂前后涂层的表面形貌。未添加抗菌剂的涂层,表面光滑、致密、平整( 图4( a) ) ; 而添加抗菌剂的涂层,表面均匀地分布一层致密的纳米粒子,这也说明了添加抗菌剂的涂层具有耐污、抗菌性能的原因。这种水性的纳米面漆,当喷涂或者刷涂到粗糙的底涂层之上时,可以随溶剂水的流动,渗入底涂层,起到填充作用; 同时,纳米粒子在表面粘结剂的交联作用下,形成具有纳米效应的多功能涂层,封闭底涂层的同时,能够提高涂层的耐腐蚀性、耐久性、耐磨性等综合理化性能[10-11]。


2. 5 涂层的理化性能
表3 是涂层的理化性能检测结果,表明涂层的理化性能达到甚至超过技术指标中的要求。可见制备的水性抗菌、耐污氟碳涂料,具有良好的理化性能,可以用于金属表面的装饰和防护。

3 结论
( 1) nano - TiO2 /Ag 复合型抗菌剂的添加量为3%时,涂料涂层具有良好的抗菌、耐污性能。
( 2) 添加纳米抗菌剂后,涂层表面获得了一层致密且分布均匀的纳米粒子,提高了涂层的抗菌、耐污性能。
( 3) 涂层具有良好的理化性能,可以用于金属表面的装饰和防护。

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