水性抗菌耐污氟碳涂料的性能研究

中国双利：水性抗菌耐污氟碳涂料的性能研究摘要: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。关键词:水性涂料;抗菌;耐污;纳米二氧化钛;氟碳乳液中图分类号:TQ630文献标识码:A文章编号:1673-1549(2012)01-0031-04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材料中国双利：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。表1涂料参考配方1.3测试与表征1.3.1表面形貌采用扫描电镜(SEMJSM6360LV)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。中国双利：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: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/T1720－1989、GB/T1731－1993、GB/T1732－1993和GB/T6739－1996。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。中国双利：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。表2不同抗菌剂含量涂层的耐污性能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，水中国双利：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2涂层接触角与抗菌剂含量的关系中国双利：图3不同抗菌剂含量涂层的接触角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］。中国双利：图4涂层表面添加抗菌剂前后的微观形貌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。表3涂层的理化性能检测3·结论中国双利：(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。参考文献:［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．［3］LiGuojun，CuiXuejun，RenRuiming．Preparationandpropertiesoftheorganic-inorganiccompositecoatingonaluminumalloy［J］．MaterialsScienceFo-rumVols，2011，675-677:1197-1200．［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．［6］ShenGX，ChenYC，LinL，etal．Studyonahydro-phobicnano-TiO2coatinganditspropertiesforcorro-sionprotectionofmetals［J］．Electrochimicaacta，2005，50:5083-5089．［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．中国双利：［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):354-360．［11］贺天姝．纳米TiO2抗菌材料及抗菌涂料的研究［D］．沈阳:沈阳建筑大学，2011．