殼聚糖/杉木粉/PVC復(fù)合材料表面抗菌功能化研究

徐開蒙，李凱夫，馮 靜

(1.西南林業(yè)大學(xué) 材料工程學(xué)院，云南 昆明 650224；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 高新技術(shù)木質(zhì)復(fù)合材料工程中心，廣東 廣州 510642；3.廣東省微生物研究所 菌種保藏與應(yīng)用重點實驗室，廣東 廣州 510070)

殼聚糖/杉木粉/PVC復(fù)合材料表面抗菌功能化研究

徐開蒙1，李凱夫2，馮 靜3

(1.西南林業(yè)大學(xué) 材料工程學(xué)院，云南 昆明 650224；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 高新技術(shù)木質(zhì)復(fù)合材料工程中心，廣東 廣州 510642；3.廣東省微生物研究所 菌種保藏與應(yīng)用重點實驗室，廣東 廣州 510070)

采用貼膜法評價了添加不同分子量和脫乙酰度殼聚糖的杉木粉/PVC復(fù)合材料抗大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的性能，并通過X射線光電子能譜(XPS)進行表面元素分析。結(jié)果表明：在其他條件完全相同的情況下，添加平均分子量為32W和脫乙酰度為95％的殼聚糖時，復(fù)合材料的表面抗菌效果最佳，且對金黃色葡萄球菌抗菌效果明顯優(yōu)于大腸桿菌；XPS的分析也顯示添加殼聚糖后，樣品表面出現(xiàn)一定強度N1s的譜峰，且C1和C2的峰面積比從1.87下降至1.82，說明復(fù)合樣品的表面均勻地聚集了一定數(shù)量的殼聚糖，使樣品表面具有抗菌功能。

殼聚糖；杉木粉；PVC；復(fù)合材料；抗菌性

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人類生活水平的日益提高，人們對材料及其加工制品的需求目光會更加聚焦于“生態(tài)、環(huán)保、衛(wèi)生、健康”等能促進人體身心健康、改善生活和工作環(huán)境的新型環(huán)保功能性材料。在功能材料的眾多研究領(lǐng)域中，抗菌功能，由于與人們的生活及身體健康關(guān)系最為密切，所以一直在材料界占據(jù)有舉足輕重的地位。近些年來，由于木塑復(fù)合材料的快速發(fā)展，并且其所具有滲透到更為廣泛應(yīng)用領(lǐng)域之中的巨大潛力[1-3]，如醫(yī)院設(shè)施、公共衛(wèi)生器具、室內(nèi)家具及裝飾、兒童家具、衛(wèi)浴家具、公共場所設(shè)施及日常生活用品等，故對木塑復(fù)合材料抗菌功能的研究被提上日程。

在抗菌功能材料中一般是通過添加一定量的化學(xué)合成抗菌劑，常見的如無機金屬離子(如Ag+、Zn2+、Cu2+)抗菌劑及有機合成抗菌劑(如季胺鹽類、雙胍類、醇類、酚類、吡啶類、咪唑類、噻吩類等)來提升材料的抗菌效能[4]，但此法存在相容性差、毒性大、易殘留及易滲入人表皮等缺點[5-6]。對于天然殼聚糖此種本身對木粉/PVC復(fù)合材料具有界面增強功能的天然產(chǎn)物來說[7-8]，其報道中的抗菌特性對于木塑復(fù)合材料的功能復(fù)合材料的研究有重要價值[8-9]，故本課題組在先前的研究基礎(chǔ)上繼續(xù)研究添加不同分子量及不同脫乙酰度的殼聚糖的杉木粉/PVC復(fù)合材料，對具有典型代表性的革蘭氏陰、陽菌種的抗菌性能進行評價，并采用X射線光電子能譜(XPS)對殼聚糖添加與否的復(fù)合材料表面元素進行差異定量對比分析，揭示不同組別復(fù)合材料抗菌功能差異的緣由，也為后續(xù)殼聚糖抗菌木塑復(fù)合材料的進一步研究分析及實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料和設(shè)備

1.1 試驗材料

PVC樹脂，型號SG-5，購自天津大沽石化有限公司；杉木粉，80～100目，由名山新材料科技有限公司提供；大腸桿菌Escherichia coli ATCC 8739和金黃色葡萄球菌Staphyloccocus aureus ATCC6538，由廣東省微生物研究所菌種保藏與應(yīng)用重點實驗室提供；牛肉浸膏，蛋白陳，購自上海東海制藥廠；氫氧化鈉、氯化鈉、鹽酸，分析純，均購自天津展天化工有限公司；殼聚糖(工業(yè)級)，脫乙酰度95％，包含3種分子量(32、56、86W)，3種脫乙酰度(70％、80％、95％)，灰分約0.7％，購自浙江金殼生物化學(xué)有限公司。

1.2 試驗儀器

SW-CJ-ZF超凈工作臺，江蘇蘇州凈化設(shè)備公司；DHP-360恒溫培養(yǎng)箱，濟南科翔儀器有限公司；SHJ-20同向雙螺桿擠出機，南京杰恩特機電有限公司；LSE-35錐形雙螺桿擠出機，聯(lián)塑擠出機設(shè)備有限公司；SHR-10A高速混合機，張家港格蘭機械有限公司；ESCALAB250型X-射線光電子能譜(XPS)，Thermo-VG Scienti fic公司。

2 試驗方法

2.1 殼聚糖/杉木粉/PVC木塑復(fù)合材料的制備

選用32、56、86W不同分子量，標記為X-L、X-M、X-H；同一分子量和添加量下，70％、80％和95％不同脫乙酰度，標記為X-70、X-80、X-95。將殼聚糖加入復(fù)合物料之中，制備方法與先前采用的一致[7]，并將制備好的復(fù)合材料裁切成固定大小的片材待用。

2.2 殼聚糖/杉木粉/PVC復(fù)合材料表面抗菌性評價方法

采用貼膜法評價材料的表面抗菌性，懸浮菌液的配置方法參看QB/T2591-2003，抗菌率計算公式如下式(1)所示。每組設(shè)置3個重復(fù)，計算其平均值和標準差，采用Duncan新復(fù)極差法進行方差分析。

式中：R是抗菌率，％；C2是未添加殼聚糖的空白樣品菌落數(shù)；C1是添加殼聚糖的不同組別的樣品菌落數(shù)。

2.3 材料表面X-射線光電子能譜分析(XPS)

采用X-射線光電子能譜(XPS)對復(fù)合材料抗菌試片表面元素進行測試分析，其工作條件為：真空度2×10-9mbar；單色化AlKα源；能量為1 486eV、15kV、150W；束斑大小500μm。

3 結(jié)果與分析

3.1 同一添加量和脫乙酰度下添加不同分子量的殼聚糖后復(fù)合材料的抗菌性分析

從圖1抗菌效果圖中和表1的分析數(shù)據(jù)可知，同一添加量和脫乙酰度下分別添加不同分子量(32、56、86W)的殼聚糖后不同組別復(fù)合材料抗大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的效果各異。

對于大腸桿菌來說，組X-L-a對復(fù)合材料表面的抗菌效果最佳，抗菌率為77.99％。這與前人研究結(jié)果相一致，即殼聚糖分子量越低，其抗菌能力越強[10]。對于金黃色葡萄球菌來說，殼聚糖的平均分子量為32W(即組X-L-b)時，所對應(yīng)的復(fù)合材料表面的抗菌效果最佳，抗菌率可達83.76％。從菌落數(shù)對比分析中值得注意的是，在同一條件下，復(fù)合材料對金黃色葡萄球菌的抗菌性優(yōu)于大腸桿菌。

3.2 同一添加量和分子量下添加不同脫乙酰度的殼聚糖后復(fù)合材料的抗菌性分析

對于同一添加量和分子量下添加不同脫乙酰度(70％、80％和95％)的殼聚糖所制備的復(fù)合材料來說，其對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果見圖2和表2。從圖2和表2中的具體數(shù)據(jù)及分析可以看出，脫乙酰度70％和80％之間(X-70和X-80)的抗菌性差異較為顯著，而脫乙酰度80％和95％(X-80和X-95)之間的差異不大。三組中，對大腸桿菌抗菌性最好的為X-95，抗菌率為88.10％，這可能是由于脫乙酰度的提高，殼聚糖分子鏈上裸露的-NH2密度就會增加，在適宜的環(huán)境中，抗菌因子-NH3+的密度增加所致[11-12]。對比同樣條件下復(fù)合材料的抗金黃色葡萄球菌性能可知，添加脫乙酰度為95％的殼聚糖復(fù)合材料X-95組的表面抗金黃色葡萄球菌效果最佳，抗菌率高達98.41％，而X-70和X-80組的抗菌率分別為85.75％和82.61％，該結(jié)果與先前文獻報道中抗菌率隨著脫乙酰度的增加而增強稍有不同[13]，由于試驗數(shù)據(jù)差異不明顯，也可能是由于試驗中的不同誤差的積累而造成的。

圖1 同一添加量和脫乙酰度下添加不同分子量殼聚糖后復(fù)合材料抗大腸桿菌和金黃色葡萄球菌效果Fig.1 Anti-Escherichia coli effects of different composites with different molecular weight chitosan with same addition amount and deacetylation degree

表1 同一添加量和脫乙酰度下添加不同分子量的殼聚糖后復(fù)合材料抗大腸桿菌結(jié)果?Table 1 Anti-Escherichia coli resluts of different composites with various molecular weight chitosan at same addition amount and deacetylation degree

圖2 同一添加量和分子量下添加不同脫乙酰度殼聚糖后復(fù)合材料抗大腸桿菌和金黃色葡萄球菌效果Fig.2 Anti- Escherichia coli effects of different composites with various deacetylation degree of chitosan at same addition amount and molecular weight

表2 同一添加量和分子量下添加不同脫乙酰度的殼聚糖后復(fù)合材料抗大腸桿菌結(jié)果?Table 2 Anti-Escherichia coli results of different composites with various deacetylation degree of chitosan at same addition amount and molecular weight

3.3 復(fù)合材料表面X射線光電子能譜分析(XPS)

3.3.1 樣品表面XPS寬掃描全譜圖分析

圖3(a)為未添加殼聚糖的杉木粉/PVC復(fù)合材料表面XPS寬掃描全譜圖。從圖3(a)中可以看出，電子結(jié)合能在531.82、284.82和200.32eV時分別對應(yīng)O1s、C1s和Cl2p的較強譜峰，其譜峰強度計量數(shù)分別為5 487.03、8 237.97和1 980.12。圖3(b)為添加了35 phr殼聚糖的杉木粉/PVC復(fù)合材料表面XPS寬掃描全譜圖，對比后發(fā)現(xiàn)a、b兩曲線形狀基本相似，在電子結(jié)合能為532.59、285.09和200.09eV時分別對應(yīng)O1s、C1s和Cl2p的較強譜峰，各自的譜峰強度計量數(shù)分別為6 403.60、10 151.35和1 772.30，但除此之外，在電子結(jié)合能為400.09eV附近有一定強度的N1s譜峰，其強度計量數(shù)為4 032.57，說明在復(fù)合樣品的表面存在一定數(shù)量的殼聚糖，從而導(dǎo)致了樣品表面具有一定的抗菌性能。

圖3 未添加和添加35 phr殼聚糖的杉木粉/PVC復(fù)合材料表面XPS寬掃描全譜圖Fig.3 Wide-scan XPS spectra of WF/PVC composites without or with 35 phr chitosan

3.3.2 樣品表面C1s的XPS譜圖分析

圖4 為未添加和添加35 phr殼聚糖的杉木粉/PVC復(fù)合材料表面C1s譜圖，根據(jù)C1和C2的基本峰位采用分峰軟件中的Gaussian法對C1s譜峰進行分峰處理，其處理后具體數(shù)據(jù)見表3。

圖4 未添加和添加35 phr殼聚糖的杉木粉/PVC復(fù)合材料表面C1s譜圖Fig.4 XPS spectra of C1s of WF/PVC composites without or with 35 phr chitosan

表3 未添加和添加35phr殼聚糖的杉木粉/PVC復(fù)合材料表面C1S的XPS參數(shù)Table 3 XPS parameters of C1s of WF/PVC composites without and with 35 phr chitosan

圖4(a)顯示復(fù)合材料樣品表面的C1s譜圖由2個峰疊加而成，按其電子結(jié)合能的位置分別歸屬于C1和C2，結(jié)合表3中數(shù)據(jù)可知，C1的峰強度計量數(shù)為7 981.33，其相對峰面積為65.20％，C2的峰強度計量數(shù)為3 115.12，相對峰面積為34.80％，兩者的峰面積比為AC1/AC2為1.87；在圖4(b)添加35 phr殼聚糖的杉木粉/PVC復(fù)合材料表面C1s譜圖中，C1的含量有所增加，C1的峰強度計量數(shù)為10 249.01，所對應(yīng)的相對峰面積為64.57％，而C2的峰強度計量數(shù)為3 599.21，C2的相對峰面積為35.43％，兩者的峰面積比為AC1/AC2為1.82。這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要是由于添加殼聚糖后，樣品表層的C元素大大增加，故C1和C2的峰強度均上升，另外由于殼聚糖主要結(jié)構(gòu)的(l，4)-2-乙酰氨基-2-脫氧-β-D-葡聚糖中的C-O結(jié)合明顯增多，導(dǎo)致C1和C2的峰面積AC1/AC2有所下降。

4 結(jié) 論

(1)在同一添加量和脫乙酰度下分別添加不同分子量的殼聚糖后，當(dāng)添加的殼聚糖的平均分子量為32W時，對復(fù)合材料表面的抗菌效果最佳，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率分別為77.99％和87.68％。

(2)對于同一添加量和分子量下添加不同脫乙酰度的殼聚糖所制備的復(fù)合材料來說，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抗菌效果最好的均為組X-95，抗菌率分別達88.10％和98.79％，這是由于脫乙酰度的提高導(dǎo)致殼聚糖分子鏈上裸露的-NH密度增加，在適宜環(huán)境中，抗菌因子-NH+23增加所致。

(3)添加殼聚糖的復(fù)合材料表面有一定強度的N1s譜峰，且C1和C2的峰面積比從1.87下降至1.82，這兩個現(xiàn)象均說明在復(fù)合樣品的表面存在聚集了一定數(shù)量的殼聚糖，從而導(dǎo)致樣品表面具有抗菌性能。

[1] Wei L Q,McDonald A G,Freitag C,et al.Effects of wood fi ber esterification on properties,weatherability and biodurability of wood plastic composites [J].Polymer Degradation and Stability,2013,98(7):1348-1361.

[2] Binhussain M A,El-Tonsy M M.Palm leave and plastic waste wood composite for out-door structures [J].Construction and Building Materials,2013,47:1431-1435.

[3] 曹 鍵,徐凱宏,谷志新.利用水環(huán)流裝置解決木塑擠出機分段溫度耦合[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2014,34(3):123-126.

[4] 范友華,陳澤君,申愛榮,等.單分散性納米銀凝膠制備及其抗菌性能研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2012,32(2):118-121.

[5] 師 蘭,郭金毓,哈日巴拉.高分子抗菌材料發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2011,26(1):25-28.

[6] 吉向飛,李玉平,楊柳青,等.抗菌劑及抗菌材料的發(fā)展和應(yīng)用[J].太原理工大學(xué)學(xué)報,2003,34(1):11-15.

[7] Xu K M,Li K F,Zhong T H,et al.Interface self‐reinforcing ability and antibacterial effect of natural chitosan modified polyvinyl chloride‐based wood fl our composites [J].Journal of Applied Polymer Science,DOI:10.1002/app.39854

[8] Shah B L,Matuana L M,Heiden P A.Novel coupling agents for PVC/wood‐ fl our composites [J].Journal of Vinyl and Additive Technology,2005,11(4):160-165.

[9] 張惠珍.不同種類殼聚糖/LDPE抗菌塑料性能初探[J].塑料工業(yè),2008,36(11):39-41.

[10] 楊 聲,馮小強,王廷璞,等.殼聚糖對大腸桿菌的抑制作用規(guī)律及抗菌機理初探[J].天然產(chǎn)物研究與開發(fā),2007,19:39-43.

[11] EI-GHAOUTH A,ARUL J,ASSELIN A,et al.Antifungal activity of chitosan on two post-harvest pathogen of strawberry fruits [J].Phytooath,1992,82:398-402.

[12] 段文凱,呂美巧,鄭春翠,等.殼聚糖的結(jié)構(gòu)及抑菌作用[J].現(xiàn)代食品科技,2006,22(4):259-261.

[13] Simpson B K,Gagne N,Ashie I N A,et al.Utilization of chitosan for preservation of raw shrimp(pandalus borealis)[J].Food Biotechnology,1997,11(1):25-44.

Study on surface anti-bacterial function of composites made from chitosan,Chinese fi r powder and PVC

XU Kai-meng1,LI Kai-fu2,FENG Jing3
(1.College of Material Engineering,Southwest Forestry University,Kunming 650224,Yunnan,China; 2.Wood-based Composites Engineering Center,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,Guangdong,China; 3.Guangdong Key Lab.of Microbiol Culture Collection and Application,Guangdong Institute of Microbiology,Guangzhou 510070,Guangdong,China)

s:The anti-bacterial functions(Escherchia coli and Staphyloccocus aureus)of PVC/wood powder composites after added chitosan of different molecular weight and degree of deacetylation were estimated by sticking membrane method,and XPS was used to analyze the elements of sample surface.The results indicate that the sample with average molecular weight of 320000 and degree of deacetylation of 95％ had the excellent anti-bacterial performances for both Escherichia coli and Staphyloccocus aureus,and the latter was better than former; The XPS analysis showed that after added chitosan,the sample surface appeared spectral peak with intensity N1s,the peak area ratio of C1 and C2 decreased from 1.87 to 1.82.The fi ndings suggest that the surface of composites evenly gathereda certain number of chitosan,thus making the sample surface has antibacterial function.

chitosan; fi r powder; PVC; composites; anti-bacterial property

S781

A

1673-923X(2015)01-0117-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.01.021

2013-11-10

廣東省科技計劃項目(2011B020310002)；廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新項目(2011KJCX015-01)

徐開蒙，博士，講師；E-mail：xukm007@163.com

徐開蒙，李凱夫，馮 靜.殼聚糖/杉木粉/PVC復(fù)合材料表面抗菌功能化研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2015,35(1):117-121.

[本文編校：謝榮秀]