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水性抗菌耐污氟碳涂料的性能研究与分析

发布时间:2021-02-11 20:24 作者:老哥论坛

  慧聪表面处理网: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)

  摘要:以水性氟碳涂料为基础涂料,添加nano-TiO2/Ag复合型抗菌剂,在金属表面获得了一种抗菌、耐污涂层。详细地研究了复合抗菌剂用量对涂层杀菌率、接触角、耐污性能的影响,确定抗菌剂的含量为3%时,涂层具有良好的耐污、抗菌综合性能。通过对涂层表面形貌的微观表征,证实添加抗菌剂后,涂层表面均匀分布了一层纳米颗粒,使得涂层具有良好的耐污、抗菌性能。通过性能检测,表明制备的水性抗菌、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。

  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。

  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%)。

  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30min后,在砂磨机内研磨30min至无颗粒;在低速搅拌下缓缓加入氟碳乳液,低速搅拌60min,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。

  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。

  将碳素墨水滴在涂层表面上,室温静置48h,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。

  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103cfu/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12h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:

  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。

  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。

  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。

  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]。

  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。

  (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。

  [1]谭生,郭军红,崔锦峰,等.抗菌涂料的研究现状及发展趋势[J].中国涂料,2011(2):16-20.

  [2]袁麟.不锈钢表面TiO2涂层的制备及其性能研究[D].武汉:武汉科技大学,2009.

  [4]苏学军,王建军.抗菌剂在抗菌涂料中的应用进展[J].天津化工,2007,21(4):4-7.

  [5]杨超,王云普,郭金山,等.环境友好型纳米银/氟碳抗菌涂料的研究[J].现代涂料与涂装,2008,11(2):21-23.

  [7]崔学军,李国军,董洪亮,等.铝合金表面不燃有机-无机复合涂层的制备与表征[J].材料科学与工程学报,2009,27(5):704-708.

  [8]周向东,钟明强.载银纳米TiO2表面改性对抗菌涂料性能的影响[J].材料科学与工程学报,2011(2):33-37.

  [9]张立德,牟季美.纳米材料和纳米结构[M].北京:科学出版社,2001.

  [10]杨立红,刘福春,韩恩厚.纳米氧化锌改性聚氨醋复合涂层的防腐性能[J].材料研究学报,2006,20(4):354.


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