鄭輝東，邱洪峰，鄭玉嬰，劉　藝，連漢青，陳志杰

(1 福州大學(xué) 石油化工學(xué)院， 福州 350108;2 福州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 福州 350108)

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負載納米銀EVA復(fù)合發(fā)泡材料的制備及其抗菌性能

鄭輝東1，邱洪峰2，鄭玉嬰2，劉藝2，連漢青2，陳志杰2

(1 福州大學(xué) 石油化工學(xué)院， 福州 350108;2 福州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 福州 350108)

采用原位還原法在EVA復(fù)合發(fā)泡材料表面負載銀納米顆粒，制備具有抗菌性能的負載納米銀EVA復(fù)合發(fā)泡材料，通過場發(fā)射掃描電鏡、X射線光電子能譜、電感耦合等離子體發(fā)射光譜以及X射線衍射等表征其形貌及結(jié)構(gòu)，并分別采用熱失重和抗菌實驗對所制備復(fù)合發(fā)泡材料的熱穩(wěn)定性和抗菌性進行評價。結(jié)果表明：EVA復(fù)合發(fā)泡材料表面均勻分布的顆粒狀物質(zhì)為單質(zhì)銀，其直徑約為20nm；負載納米銀后EVA復(fù)合發(fā)泡材料在600℃時殘?zhí)柯侍岣叩?.22%；抗菌實驗分析表明樣品具有良好的抗菌持久性，在洗滌50次后對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌抗菌率分別可達到98%和99%以上。

EVA；納米銀；復(fù)合發(fā)泡材料；原位還原；抗菌性能

乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)具有良好的成型加工性、柔軟性、發(fā)泡后質(zhì)量輕、力學(xué)性能良好、耐繞曲等優(yōu)異性能，其復(fù)合發(fā)泡材料被廣泛應(yīng)用于包裝、防護套、鞋材等材料中[1-3]。隨著人們對環(huán)境安全以及抗菌衛(wèi)生等方面給予的高度重視，同時為了進一步拓寬EVA復(fù)合發(fā)泡材料的應(yīng)用領(lǐng)域，因此其抗菌性能的研究具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。

抗菌劑作為一種功能性添加劑，被廣泛應(yīng)用于塑料工業(yè)當中[4-6]?？咕鷦┓N類繁多，可分為無機抗菌劑和有機抗菌劑。無機抗菌劑安全性高、耐熱性能好、不產(chǎn)生抗藥性，但是具有抗菌遲效性，價格高昂等缺點[7-9]；有機抗菌劑殺菌能力強、價格相對低廉、容易加工，但是耐熱性較差、抗菌持久性較差、細菌容易產(chǎn)生耐藥性[10]。而銀作為一種無機粒子，當與細菌接觸時能夠破壞細菌結(jié)構(gòu)[11]，產(chǎn)生抑菌或殺菌效果，因此被廣泛應(yīng)用在抗菌工業(yè)上。但是傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的銀粒子容易團聚、比表面積降低、抗菌性能下降，嚴重影響了材料的使用性能[12]。有相關(guān)研究[13,14]表明，由于納米化作用，銀粒子的比表面積迅速增加，能夠更好地接觸微生物從而提高材料的抗菌性能。

因此，為了使銀粒子能夠以納米級均勻分散在EVA復(fù)合發(fā)泡材料表面，本工作采用原位還原法，先在材料表面用多巴胺原位聚合生成一層聚多巴胺薄膜，利用聚多巴胺的還原性將硝酸銀原位還原生成納米級銀粒子，從而得到負載納米銀EVA復(fù)合發(fā)泡材料(如圖1所示)，并對其形貌及結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性和抗菌性能進行研究。

圖1　原位還原法制備負載納米銀EVA復(fù)合發(fā)泡材料示意圖Fig.1　Preparation of EVA composite foams supported by nano-silver through in-situ reduction method

1　實驗

1.1實驗原料

EVA復(fù)合發(fā)泡材料：自制；鹽酸多巴胺、三羥甲基氨基甲烷：分析純，阿拉丁試劑有限公司；乙酸：分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；硝酸銀：分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2試樣制備

為去除表面雜質(zhì)，稱取一定質(zhì)量的EVA復(fù)合發(fā)泡材料，浸漬于蒸餾水中超聲振蕩10min，用蒸餾水多次沖洗后60℃烘干6h，備用。

(1)負載多巴胺

稱取一定質(zhì)量的三羥甲基氨基甲烷，溶于一定量的去離子水和乙醇中，配制成一定濃度的緩沖溶液，然后將精確稱取的鹽酸多巴胺溶于緩沖溶液中，迅速用乙酸調(diào)節(jié)溶液pH值至8.5，制成鹽酸多巴胺緩沖溶液；將一定質(zhì)量的EVA復(fù)合發(fā)泡材料浸漬于鹽酸多巴胺溶于緩沖溶液中，25℃振蕩反應(yīng)24h，反應(yīng)結(jié)束后用蒸餾水多次振蕩洗滌除去殘余物，60℃烘干6h得到負載多巴胺EVA復(fù)合發(fā)泡材料。

(2)負載納米銀

稱取一定質(zhì)量的硝酸銀顆粒配置成各種濃度硝酸銀溶液，將負載多巴胺EVA復(fù)合發(fā)泡材料浸漬于硝酸銀溶液中，25℃下避光反應(yīng)12h，反應(yīng)結(jié)束后用蒸餾水多次洗滌后至溶液變澄清,60℃烘干6h得到負載納米銀EVA復(fù)合發(fā)泡材料。

1.3測試表征

采用SUPRA 55型場發(fā)射掃描電子顯微鏡和XSERIES 2型X射線能譜儀，對復(fù)合泡沫材料斷面進行FESEM和EDS分析，試樣表面噴金處理，加速電壓10kV。

采用ESCALAB 250型X射線光電子能譜對復(fù)合泡沫材料表面進行XPS分析，圓薄片狀試樣，Al/Mg雙陽極靶，0.6eV能量分辨率，空間分辨率<3μm，元素檢測限為0.1%(原子分數(shù))。

采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP)測定復(fù)合發(fā)泡材料中銀含量，ICP源采用固體晶體穩(wěn)頻RF發(fā)生器，頻率為27.12MHz。

采用Ultima III型多晶X射線衍射儀進行XRD測定，Cu靶，管電壓為40kV，管電流為40mA，掃描范圍2θ=2°～80°，掃描速率8(°)/min。

采用SDT Q600型同步熱分析儀進行TG分析，溫度范圍25～600℃，升溫速率10℃/min，N2氛圍。

抗菌實驗：參照GB/T 12490—1990對復(fù)合發(fā)泡材料進行洗滌，依據(jù)QB/T 2881—2013中的菌液吸收法測定復(fù)合發(fā)泡材料的抗菌率，菌株為革蘭氏陰性大腸桿菌(ATCC 6538)和革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌(ATCC 8099)，均由福建省纖維檢驗局鞋類檢驗部提供。實驗時將菌株接種在營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基(5.0g牛肉膏、10.0g蛋白胨、5.0g氯化鈉、15.0g瓊脂以及1000mL無菌蒸餾水)上，對菌液稀釋至(2.5～10.0)×108cfu/mL作為實驗所用的菌懸液。將已滅菌的待測樣品放入滅菌的培養(yǎng)皿中，用移液槍準確移取0.9～1.1mL菌懸液進行接種，樣品移入無菌廣口瓶并固定于振蕩搖床，在29～31℃以200r/min振蕩1min后移取0.9～1.1mL經(jīng)磷酸鹽緩沖液稀釋作為參照樣液；類似的，在36～38℃以200r/min振蕩培養(yǎng)24h后移取0.9～1.1mL經(jīng)磷酸鹽緩沖液稀釋作為實驗樣液。用菌落計數(shù)器記錄稀釋倍數(shù)并算出相應(yīng)的菌落數(shù)量，選取菌落數(shù)為30～300cfu之間、無蔓延菌落生長情況的平板計數(shù)菌落總數(shù)，每個稀釋度的菌落數(shù)應(yīng)該使用兩個平板計數(shù)的平均值。復(fù)合發(fā)泡材料的抗菌率計算式如下：

(1)

式中：R為抗菌率，%；A為參照樣液活菌數(shù)的平均值，cfu/mL；B為實驗樣液活菌數(shù)的平均值，cfu/mL。

2　結(jié)果與討論

2.1硝酸銀濃度對復(fù)合發(fā)泡材料銀含量影響

圖2為不同硝酸銀濃度對復(fù)合發(fā)泡材料含銀量的影響。從總體趨勢來看，復(fù)合發(fā)泡材料含銀量隨著硝酸銀濃度增加而增加。當硝酸銀濃度較低時，復(fù)合發(fā)泡材料含銀量隨濃度升高迅速增加，當達到一定濃度后，含銀量隨硝酸銀濃度升高增長緩慢。這可能是由于當硝酸銀濃度較低時，銀離子被還原成銀單質(zhì)后，由于聚多巴胺薄膜的良好黏附性，使得銀單質(zhì)被牢固地吸附在聚多巴胺薄膜表面，因此含銀量隨濃度升高迅速增加。當硝酸銀濃度升高后，在聚多巴胺薄膜表面還原的銀單質(zhì)含量增加，由于聚多巴胺薄膜表面積不變，則聚多巴胺薄膜對銀單質(zhì)的吸附量有限，從而導(dǎo)致復(fù)合發(fā)泡材料含銀量隨硝酸銀濃度升高增長緩慢。

圖2　硝酸銀濃度對復(fù)合發(fā)泡材料銀含量影響Fig.2　The influence of the concentration of AgNO3 on the content of silver in the composite foams

2.2形貌及結(jié)構(gòu)

2.2.1FESEM及EDS分析

圖3為EVA復(fù)合發(fā)泡材料未負載以及負載多巴胺、納米銀時的斷面掃描電鏡圖。如圖3(a)所示，未負載的EVA復(fù)合發(fā)泡材料表面較為光滑，沒有任何裂紋存在。從圖3(b)可以看出，經(jīng)多巴胺改性后EVA復(fù)合發(fā)泡材料表面形成一層均勻薄膜，薄膜在反應(yīng)和干燥過程中由于收縮作用產(chǎn)生很多細小裂紋，此時裂紋的存在有利于多巴胺與硝酸銀反應(yīng)生成納米銀以及材料擄獲銀單質(zhì)。由圖3(c)可見，經(jīng)過硝酸銀處理后納米銀單質(zhì)在EVA復(fù)合發(fā)泡材料表面分布均勻，其直徑在20nm左右。

圖4　負載納米銀EVA復(fù)合發(fā)泡材料EDS譜圖Fig.4　EDS spectrum of EVA composite foams supported by nano-silver

圖4為負載納米銀EVA復(fù)合發(fā)泡材料的X射線能譜(EDS)。由EDS譜可以清楚看到，材料表面出現(xiàn)了C，O，Ag 3種元素峰，其中C，O主要來自EVA材料，而Ag則是材料表面多巴胺和硝酸銀所反應(yīng)生成的，這有利于提高EVA復(fù)合發(fā)泡材料的抗菌性能。

2.2.2XPS分析

采用X射線光電子能譜(XPS)對EVA復(fù)合發(fā)泡材料表面進一步分析，圖5為未負載以及負載多巴胺、納米銀EVA復(fù)合發(fā)泡材料的XPS譜圖，表1則是EVA復(fù)合發(fā)泡材料表面元素成分。

如圖5(a)中曲線1所示，未負載EVA復(fù)合發(fā)泡材料存在C1s和O1s兩個峰值，并沒有出現(xiàn)N1s峰，而曲線2顯示負載多巴胺EVA復(fù)合發(fā)泡材料在399.66 eV結(jié)合能處出現(xiàn)了一個弱N1s峰值，表明材料表面元素成分發(fā)生了變化。結(jié)合表1可知，在負載多巴胺EVA復(fù)合發(fā)泡材料中出現(xiàn)了N元素，這是由材料表面負載的多巴胺分子中存在的氨基所引起。

由圖5(b)可見，負載納米銀EVA復(fù)合發(fā)泡材料在結(jié)合能368.4eV處出現(xiàn)了一個較強的Ag3d峰，而文獻[15]中銀單質(zhì)的結(jié)合能峰值為368.2eV，兩者基本一致；圖5(c)中顯示Ag3d3/2和Ag3d5/2結(jié)合能峰值相差6eV，與銀單質(zhì)標準樣一致[16-18]，表明EVA復(fù)合發(fā)泡材料表面所負載的納米銀是以單質(zhì)形式存在的。

圖5　未負載以及負載多巴胺(a)、納米銀(b),(c)EVA復(fù)合發(fā)泡材料XPS譜圖Fig.5　XPS of EVA composite foams supported by nothing,dopamine(a) and nano-silver(b),(c)表1　EVA復(fù)合發(fā)泡材料表面元素成分(原子分數(shù)/%)Table 1　Surface composition of EVA composite foams(atom fraction/%)

MaterialCONAgEVAcompositefoamssupportedbynothing90.379.6300EVAcompositefoamssupportedbydopamine77.8917.514.60EVAcompositefoamssupportedbynano-silver76.8217.194.251.74

2.2.3XRD分析

圖6為負載納米銀、多巴胺EVA復(fù)合發(fā)泡材料X射線衍射譜圖。如圖6所示，2θ=22°左右出現(xiàn)的較寬且強衍射峰為EVA分子鏈中PE鏈段典型的衍射結(jié)晶峰。比較圖6中曲線a和b，兩者衍射峰差別不大，但是EVA復(fù)合發(fā)泡材料負載納米銀后(曲線a)在2θ=38.1°出現(xiàn)了強度較弱的Ag(111)晶面的衍射峰[19]，表明負載納米銀EVA復(fù)合發(fā)泡材料中形成了粒徑較小的納米銀晶體。這與FESEM,EDS以及XPS分析結(jié)果相符合。

圖6　負載納米銀(a)、多巴胺(b)EVA復(fù)合發(fā)泡材料XRD譜圖Fig.6　XRD of EVA composite foams supported by nano-silver(a) and dopamine(b)

2.3TG分析

圖7為未負載EVA復(fù)合發(fā)泡材料以及負載納米銀EVA復(fù)合發(fā)泡材料熱失重曲線。如圖7所示，EVA復(fù)合發(fā)泡材料負載納米銀后熱分解趨勢沒有改變，但起始熱分解溫度(T5%)降低了15.6℃，約為287.8℃，這是由于EVA復(fù)合發(fā)泡材料表面的多巴胺熱分解造成的。負載納米銀EVA復(fù)合發(fā)泡材料在600℃時熱分解殘?zhí)柯士蛇_到3.22%，而未負載時只有0.82%，相比提高了2.4%，熱分解完全后剩余物質(zhì)為單質(zhì)銀[20]，這說明了負載納米銀能夠在一定程度上對EVA復(fù)合發(fā)泡材料成炭有促進作用。

圖7　未負載及負載納米銀EVA復(fù)合發(fā)泡材料TG曲線Fig.7　TG curves of EVA composite foams supported by nothing and nano-silver

2.4抗菌性

圖8，9分別為EVA復(fù)合發(fā)泡材料在大腸桿菌、金黃色葡萄球菌下的抗菌性能測試結(jié)果，表2則是負載納米銀EVA復(fù)合發(fā)泡材料的耐水持效抗菌率。

從圖8,9可發(fā)現(xiàn)，在振蕩培養(yǎng)24h后，未負載EVA復(fù)合發(fā)泡材料的菌落數(shù)下降幅度很小，表明材料不具有抗菌性能；負載多巴胺EVA復(fù)合發(fā)泡材料菌落數(shù)有一定程度的下降，說明材料具有一定的抗菌作用，其中對金黃色葡萄球菌的抑菌作用相對較好，這可能是因為多巴胺結(jié)構(gòu)中所含有的兒茶酚和氨基具有一定程度抑菌作用；而負載納米銀EVA復(fù)合發(fā)泡材料菌落數(shù)下降程度顯著，表明該材料具有良好的抗菌性能，這是由于負載納米銀具有良好的抑菌作用。

圖8　未負載(a)以及負載多巴胺(b)、納米銀(c)EVA復(fù)合發(fā)泡材料在大腸桿菌下的抗菌性能測試Fig.8　Antibacterial performance test of EVA composite foams supported by nothing(a), dopamine(b) and nano-silver(c) under escherichia coli

圖9　未負載(a)以及負載多巴胺(b)、納米銀(c)EVA復(fù)合發(fā)泡材料在金黃色葡萄球菌下的抗菌性能測試Fig.9　Antibacterial performance test of EVA composite foams supported by nothing (a), dopamine (b) and nano-silver (c) under staphylococcus aureus

從表2的測試結(jié)果可以看出：與未洗滌試樣相比，試樣洗滌20次、50次后對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果只是出現(xiàn)了輕微的下降，洗滌50次后負載納米銀EVA復(fù)合發(fā)泡材料對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率分別達到98.0%和99.2%，因此，該材料具備良好的抗菌持久性。

表2　負載納米銀EVA復(fù)合發(fā)泡材料的耐水持效抗菌率Table 2　The water-tolerant antibacterial rate of EVA composite foams supported by nano-silver

3　結(jié)論

(1)均勻分布在EVA復(fù)合發(fā)泡材料表面的顆粒狀物質(zhì)為單質(zhì)銀粒子，其直徑約為20nm。

(2)負載納米銀后EVA復(fù)合發(fā)泡材料殘?zhí)柯侍岣吡?.4%，表明負載納米銀可提高EVA復(fù)合發(fā)泡材料的熱穩(wěn)定性；負載納米銀后EVA復(fù)合發(fā)泡材料菌落數(shù)下降顯著，洗滌50次后對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌抗菌率可分別達到98.0%和99.2%。

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Preparation and Antibacterial Property of EVA Composite Foams Supported by Nano-silver

ZHENG Hui-dong1，QIU Hong-feng2，ZHENG Yu-ying2，LIU Yi2，LIAN Han-qing2，CHEN Zhi-jie2

(1 School of Chemical Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China；2 College of Materials Science and Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China)

Throughin-situreduction method, Ag nanoparticles were loaded on the surfaces of EVA composite foams. A series of investigations, including field emission scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and X-ray diffraction, were carried out to characterize the samples. Thermal stability and antibacterial properties of the products were evaluated by thermo gravimetric analysis and antibacterial test, respectively. Results show that nanoparticles, with an average particle size of 20nm, are elemental silver and decorated on the surface of EVA composite foams in uniform and regular stacks; after the presence of Ag nanoparticles, char yield of the products at 600℃ could increase to 3.22%; the samples have good persistent antibacterial effects and after 50 washing cycles, the antibacterial rate reaches above 98% and 99% against escherichia coli and staphylococcus aureus, respectively.

ethylene-vinyl acetate copolymer; nano-silver; composite foam;in-situreduction; antibacterial property

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.07.018

TB332

A

1001-4381(2016)07-0107-06

福建省高校產(chǎn)學(xué)合作科技重大關(guān)鍵資助項目(2012H6008)；福州市科技計劃資助項目(2013-G-92)

2015-03-24；

2015-08-15

鄭玉嬰(1959-)，女，教授，博士，研究方向：功能高分子復(fù)合材料，聯(lián)系地址：福建省福州市閩侯縣上街鎮(zhèn)大學(xué)城學(xué)園路2號福州大學(xué)新校區(qū)材料科學(xué)與工程學(xué)院(350108)，E-mail:yyzheng@fzu.edu.cn