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抗菌涂料的应用及其发展趋势
2020年06月01日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:413
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近年来公众卫生危机频发,其中很大一部分都是由病原菌所引起的。为了能更有效地应对类似情况,许多企业都在自己擅长的领域内出谋划策,比如说全球最大的涂料生产商之一“阿克苏诺贝尔”就在近期宣布,由于社会对改善卫生状况的产品的需求大涨,因此他们将加快在Interpon D1000和2000系列建筑粉末涂料中添加抗菌性能的进度。

抗菌建筑涂料应用于电梯门 

电梯门是抗菌建筑涂料的重要应用场所之一

抗菌涂料的作用是什么?

其实抗菌涂料最初被开发出来,是为了保护建筑不被细菌、霉菌和藻类等各种微生物侵蚀。这是因为微生物在自然界中无处不在,即使是涂料也不能例外,尤其是主要由乳液、颜料、填充料、助剂和水组成的水性涂料,更是为微生物提供了良好的生长环境。

若不对微生物加以阻止,微生物就会在涂层表面生长繁殖并代谢产生各种酶、酸和毒素等次生代谢产物,对涂层产生不同程度的侵蚀,导致涂层褪色、发霉、长藻,以致脱落。因此为了不让涂料因为微生物的捣乱而发生变质,就需要在水性涂料中加入杀菌防腐剂,以抑制微生物的生长和繁殖。

无处不在的微生物 

无处不在的微生物

不过病原微生物除了会对涂料涂膜进行腐蚀还能通过接触传播的方式对人类健康造成威胁。比如在医疗环境下,病患人群大量流动,来自病患人群的病原微生物会与医院空气中的尘埃粒子结合,附着在墙体并进行滋生繁殖,可能会对医护人员和就诊人群发生再次感染。因此,当前抗菌涂料的作用已经从单纯保护建筑免受微生物侵蚀,扩展到通过抑制细菌和病毒在墙面过度滋生繁殖,使墙面避免成为细菌和病毒的传播途径,以此保障人民健康。

抗菌涂料的抗菌原理

抗菌剂主要分为天然抗菌剂、有机抗菌剂和无机抗菌剂。与其他种类抗菌剂对比,无机抗菌剂具有无耐药性、无毒副作用和长效等优点,尤其是优异的耐热性和缓释性,使其在涂料应用领域更胜一筹。而根据作用机理的不同,无机抗菌剂可分为含金属离子型抗菌剂和光催化金属氧化物型抗菌剂两大类

金属离子型抗菌剂

金属离子型抗菌剂是指采用一定的工艺,将具有抗菌作用的金属离子附着在硅胶、沸石、可溶性玻璃等硅酸盐(磷酸盐)载体中制成的抗菌剂。金属离子的抗菌效果一般按下列顺序递减:Ag+Hg2+Cu2+Cd2+Cr3+Ni2+Pb2+Co2+Zn2+Fe3+,其中铅、汞和镉等金属离子具有较高毒性,可致癌,故很少应用;镍、铜、钴等金属离子有颜色,限制了其使用范围;锌离子抗菌能力较低;银离子具有杀菌效率高、不产生抗药性、抗菌广谱等优势,在无机抗菌剂的研究和应用中占主要地位。

目前关于金属离子类抗菌剂抗菌机理的研究仍无定论,以Ag+为例,主要有下述两种机理:

①接触反应假说:当微量银离子接触带有负电荷的微生物细胞膜时,由于Ag+带有正电荷,能凭借库伦引力吸附在带有负电荷的细胞膜上,而且Ag+可以穿透细胞壁进入细菌内,并与细菌中的疏基反应,使细菌的蛋白质凝固,破坏细菌的细胞合成酶的活性,使细胞丧失分裂增殖能力而死亡,然后Ag+又被释放出来重复灭菌,因此其抗菌效果持久。

银离子杀死细菌过程演示 

②催化反应假说:在光的作用下,Ag+能起到催化活性中心的作用,激活水和空气中的氧,产生羟基自由基(·OH)及活性氧离子(O2-),而活性氧离子具有很强的氧化能力,能迅速破坏细菌的繁殖,实现抑菌灭菌的效果。

光催化金属氧化物型抗菌剂

光催化抗菌材料兼具抗菌作用和防霉效应,而且杀菌能力强、消毒迅速,具有很好的耐久性、无二次污染、稳定性好等优点。抗菌涂料常采用TiO2ZnO等光催化抗菌剂,通过抗菌剂对光线有吸收和散射的作用,防止或延缓光照对建筑涂料中有机成分的降解效应;同时通过光催化作用会生成强氧化性物质,可以使微生物细胞组织失活。由于光催化抗菌剂没有发生反应,自身没有任何损失,因此光催化型抗菌涂料具有长效的杀菌防霉作用。不过光催化金属氧化物型抗菌剂往往在紫外光下才能突显出其抗菌作用,从而限制了其在抗菌涂料中的应用。

目前,锐钛矿型的TiO2晶体材料成为科研人员研究光催化型无机抗菌剂的主要对象,TiO2晶体材料在光照条件下,生成大量的超氧负离子(O2-)和羟基自由基(·OH),这些产物可与微生物中的有机物发生反应,将有机物转化成CO2和H2O,促使微生物脂类分解和蛋白质变异,从而在较短时间内微生物就能被杀灭。

二氧化钛光催化反应作用示意图 

TiO2光催化反应作用示意图

ZnO的抗菌机理有以下几种假设:

①光催化作用。在光照条件下,ZnO价带上的电子(e-)激发后跃迁,产生带正电荷的空穴(H+),H+和e-可与材料表面吸附的-OH、H2O及O2等反应产生O2-H2O2OH-等。由于OH-具有极强氧化活性,可以分解微生物的组成成分,达到杀菌的目的;具有较强还原性的O2-也可以拥有抗菌效果。

②Zn2+溶出作用。抗菌剂中的Zn2+与微生物中蛋白质反应,破坏微生物细胞的活性。随后,Zn2+从微生物细胞中释放出来,重复上述杀菌过程。

③活性氧抗菌作用。ZnO能产生抗菌性能,其主要活性物质被推测是H2O2。

抗菌涂料的发展状况

目前,PPG、宣伟、阿克苏诺贝尔、立邦涂料、立帕麦、艾仕得、巴斯夫、关西涂料、亚洲涂料、佐敦等全球十大涂料企业,几乎全都开发出了抗菌产品。比如说前面提到的,阿克苏诺贝尔开发的抗菌Interpon AM系列,可以减少高达99.99%的细菌和霉菌,使其更容易保持卫生清洁并降低交叉污染的风险。根据Graphical的研究数据,2017年,抗菌涂料行业规模超过30亿美元,预计2018-2024年复合年增长率约为12.5%。到2024年底,全球抗菌涂料市场规模将超过70亿美元。

而在中国抗菌涂料行业在近年来也得到了快速发展。立邦、三棵树、紫荆花、晨阳、多乐士、嘉宝莉、都芳漆等一大批涂料企业先后推出了各种抗菌涂料。研究发现,目前抗菌涂料的品牌市场渗透率已经达到47.2%,抗菌涂料在很大程度上已经得到涂料行业的认可。不过最关键的是,经过此次新冠肺炎疫情,抗菌涂料需求增长有了显著增长,因此可预见抗菌涂料势必会成为未来行业的发展热点。

各平台前十名产品中抗菌涂料占比表2019 年 8 月 13 日)

抗菌涂料产品占比表 

资料来源:

无机抗菌剂在抗菌涂料中的研究进展崔跃红关红艳郭中宝

抗菌涂料及其应用张迎增

粉体圈 小榆 整理

 

 

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