CN101215411B - 一种光降解抗菌聚乳酸材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光降解抗菌聚乳酸复合材料,基本组成为聚乳酸和纳米TiO2。其中,聚乳酸的含量为90.0%~99.0%,纳米TiO2含量为1.0%~10.0%;制备时将纳米TiO2在丁酮、丙酮或三乙胺分散剂中中超声分散后,加入偶联剂在80±10℃下回流2-4h,经离心分离和烘干后与丙交酯一起放入直型封管中,加入催化剂,在150±10℃真空下聚合24±5h制得。该材料的热分解温度、玻璃化转变温度和力学性能较聚乳酸均有大幅度提高,具有抗菌活性和紫外吸收功能;在紫外光辐照和自然条件下降解速度明显加快,具有可完全生物降解性;本发明所得的光降解抗菌聚乳酸复合材料采用的原位聚合法,加工工艺简单,生产成本低,应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及一种光降解抗菌聚乳酸材料及制备方法和用途,属于复合材料领域。
背景技术
细菌、霉菌(真菌)作为病原菌对人类有很大危害,影响人们的健康甚至危及生命。随着人们生活水平的提高和卫生、健康意识的增强,研究开发具有抗菌、灭菌功能的“抗菌材料”已成为高技术、新材料研究和开发的热点之一。将抗菌剂按不同比例添加到釉浆、塑料、涂料、纤维等材料中,制造出不同类型的抗菌材料如长效抗菌陶瓷、抗菌防霉涂料、抗菌塑料、抗菌织物、光催化抗菌涂层,用于各种工程塑料、涂料、食品和饮料包装膜以及医疗器械等方面,具有广阔的应用前景和良好的生态环保效益,必将促进传统产业的改造升级,提高科技含量,增强产品竞争力,从而带来巨大的社会经济效益。
其中,抗菌高分子材料具有长效广谱抗菌特性,而且性能稳定,持久长效,正受到越来越多的关注,已在食品包装、医疗器械、服装、家电等很多领域得到广泛的应用。但同时也有不耐高温,分解反应的产物有可能对人体有害和带来二次污染的缺点。
而聚乳酸(PLA)是一种公认的优良的可完全降解、对环境友好的脂肪族聚酯类高分子材料,但由于其气体阻隔性差,热性能和力学性能不理想,限制了其在包装领域及其它商业领域的应用前景。TiO2俗称钛白,是钛系最重要的产品之一,也是一种重要的化工和环境材料。纳米TiO2具有粒径小、比表面积大,表面活性高,磁性强,光催化与吸收性能好,热导性好等优点,并具有超亲水作用和抗菌功能,与聚乳酸复合有可能得到有特殊功能的纳米复合材料。经检索,中国专利200410060788.1公开了一种纤维素/纳米TiO2复合材料及其制备方法和用途,基本保持了原有材料的力学性能,又赋予了新材料抗菌活性和紫外吸收等功能。中国专利200710070128.5公开了一种谷类蛋白质/纳米TiO2原位复合材料及其制备方法,通过制备稳定的纳米TiO2粒子悬浮液增强其与蛋白质间的相互作用,使原材料的力学强度有较大提高。而聚乳酸与纳米TiO2原位聚合制备光降解抗菌复合材料的方法未见报道。
由本发明所得的光降解聚乳酸复合材料,热分解温度、玻璃化转变温度和力学性能较聚乳酸均有大幅度提高,而且具有抗菌活性,对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和真菌都有极强的抑菌作用;同时,该材料还具有紫外吸收功能,降解速度明显加快,具有可完全生物降解性,应用前景广阔。
目前,国际上生产塑料抗菌制品多采用的加工方式是采用先将塑料与用于载带和分散抗菌剂的载体树脂混配制成颗粒状的浓缩抗菌母粒,然后再将抗菌母粒加入塑料中的方法生产抗菌塑料制品,加工成本较高,而本发明采用的原位聚合法不仅使抗菌剂分散效果得到大幅度提高,增强了抗菌效率,而且在不影响塑料制品的外观的情况下减少生产步骤,降低了生产成本,减轻了聚乳酸材料在加工过程中发生降解而造成的强度损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种光降解抗菌聚乳酸复合材料的制备方法和用途。该复合材料强度高,具有紫外吸收和抗菌功能,且制备工艺简单,操作方便。
本发明的技术解决方案是:光降解抗菌聚乳酸复合材料,其基本组成为聚乳酸和纳米TiO2。其中,聚乳酸的含量为90.0%~99.0%,纳米TiO2含量为1.0%~10.0%,所述百分比为重量百分比,纳米TiO2为锐钛型。当然,以上述材料为基础亦可添加其它组份。
本发明是通过以下技术方案实现的,本发明提出的制备方法包括如下步骤:将纳米TiO2在溶剂中(丁酮、丙酮或三乙胺等)中超声分散后,加入偶联剂在80±10℃下回流2-4h,经离心分离和烘干后与丙交酯一起放入直型封管中,加入催化剂,在150±10℃真空下聚合24±5h;得到光降解抗菌聚乳酸材料。
本发明的有益效果:本发明与现有技术相比,其显著特点是:
1、本发明制备的光降解抗菌聚乳酸复合材料,纳米TiO2处理时丁酮的重量是锐钛型纳米TiO2重量的20倍以上,且进行超声分散10min以上,将提纯过的丙交酯和有机化处理过的TiO2放入直型封管中,加入有机锡的四氢呋喃溶液和磁子搅拌,在氮气氛的保护下抽真空封管,将封好的封管放在150℃油浴中预聚2h,再于150℃下聚合24h。以丁酮为介质分散纳米TiO2粒子,增强了聚乳酸与TiO2粒子间的相互作用,提高了复合材料的力学强度。如果用水作分散介质,由于水分子既可作为供体(O原子)又可作为受体(H原子)。当活性的二氧化钛表面吸附水分子后,可能作为连接两个颗粒的桥梁或引起二氧化钛表面水解发生化学反应,发生强烈聚集。但介质为丁酮和三乙胺时,这些分子由于仅含O,N原子与疏水基团相连。当O,N原子与二氧化钛发生配位作用吸附于表面后,屏蔽了高能表面降低了粒子之间的相互作用而达到在溶液中的良好分散。
2、本发明制备的光降解抗菌聚乳酸复合材料中,通过硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂对纳米TiO2粒子进行预处理,在丙交酯进行原位聚合的同时实现纳米TiO2在复合材料中的均匀稳定分散,复合材料的最大热分解温度、玻璃化转变温度和力学性能相对于聚乳酸有大幅度提高。催化剂是氯化亚锡、辛酸亚锡、二月桂酸锡或二丁基二月桂酸锡。
3、由本发明所得的光降解抗菌聚乳酸复合材料具有抗菌活性,在自然光线下对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和真菌都有极强的抑菌作用。
以大肠杆菌为例,以室外普通目光作为光源光照1小时,通过菌落计数法测定复合材料的杀菌率以评价其抗菌性能,杀菌率n由下式计算:n=(1-N/N0)×100%
式中N0和N分别是光催化反应前菌落数和光催化反应后的菌落数。
表1光降解抗菌聚乳酸复合材料的热力学性能
PLA | TiO<sub>2</sub>-1/PLA | TiO<sub>2</sub>-3/PLA | TiO<sub>2</sub>-5/PLA | TiO<sub>2</sub>-10/PLA | |
TiO<sub>2</sub>(%) | 0 | 1 | 3 | 5 | 10 |
T<sub>max</sub>(℃) | 310.0 | 327.5 | 335.3 | 336.9 | 369.4 |
PLA | TiO<sub>2</sub>-1/PLA | TiO<sub>2</sub>-3/PLA | TiO<sub>2</sub>-5/PLA | TiO<sub>2</sub>-10/PLA | |
T<sub>g</sub>(℃) | 48.5 | 54.5 | 53.4 | 52.8 | 49.6 |
拉伸强度(Mpa) | 9.37 | 9.45 | 17.2 | 10.5 | 3.35 |
拉伸断裂(%) | 245.3 | 250.0 | 261.8 | 178.6 | 39.4 |
杨氏模量(Mpa) | 125.3 | 138.3 | 287.5 | 253.5 | 202.0 |
表2光降解抗菌聚乳酸复合材料的抗菌测试结果
待测样品 | 光照前PLA | TiO<sub>2</sub>-1/PLA | TiO<sub>2</sub>-3/PLA | TiO<sub>2</sub>-5/PLA | TiO<sub>2</sub>-10/PLA |
平均落菌数 | 3600 | 219 | 131 | 45 | 17 |
抗菌率(%) | 0 | 93.9 | 96.4 | 98.8 | 99.5 |
抗菌性试验结果显示该复合膜经阳光照射后具有明显的抑菌性能,膜表面的大肠杆菌几乎被全部杀死,而对照组纯聚乳酸表面的大肠杆菌生长良好。表明该材料可用于制备抗菌包装材料或医用抗菌材料。
4、由本发明所得的光降解抗菌聚乳酸复合材料具有紫外吸收功能,在紫外光辐照和自然光照射下降解速度明显加快,具有可完全生物降解性。纯聚乳酸和四种光降解抗菌聚乳酸纳米复合材料膜片的紫外光辐照后的减重情况和拉伸性能的测试结果如表3、4。
5、本发明所得的复合材料加工工艺简单。目前,国际上生产塑料抗菌制品多采用先配制浓缩抗菌母粒,然后再将抗菌母粒加入塑料中共混的加工方式,生产工序复杂,生产成本较高,而本发明采用的原位聚合法不仅使抗菌剂分散效果得到大幅度提高,增强了抗菌效率,而且在不影响塑料制品的外观的情况下减少生产步骤,降低了生产成本,也减轻了聚乳酸材料在加工过程中发生降解而造成的强度损失。
表3纯聚乳酸和光降解抗菌聚乳酸复合材料紫外光辐照失重分析(相对质量)
重量(g) | 纯PLA | TiO<sub>2</sub>-1/PLA | TiO<sub>2</sub>-3/PLA | TiO<sub>2</sub>-5/PLA | TiO<sub>2</sub>-10/PLA |
0h | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
重量(g) | 纯PLA | TiO<sub>2</sub>-1/PLA | TiO<sub>2</sub>-3/PLA | TiO<sub>2</sub>-5/PLA | TiO<sub>2</sub>-10/PLA |
12h | 99.93 | 99.83 | 99.71 | 99.58 | 99.47 |
24h | 99.86 | 99.54 | 99.30 | 99.03 | 98.73 |
36h | 99.73 | 98.92 | 98.67 | 98.14 | 97.64 |
48h | 99.55 | 98.35 | 97.88 | 97.19 | 96.52 |
240h | 97.41 | 93.67 | 93.16 | 91.67 | 89.94 |
表4纯聚乳酸和光降解聚乳酸复合材料紫外光辐照后的拉伸强度变化
拉伸强度(MPa) | 纯PLA | TiO<sub>2</sub>-1/PLA | TiO<sub>2</sub>-3/PLA | TiO<sub>2</sub>-5/PLA | TiO<sub>2</sub>-10/PLA |
0h | 9.37 | 9.45 | 17.20 | 11.30 | 4.45 |
12h | 9.27 | 9.34 | 17.03 | 11.05 | 4.37 |
24h | 9.19 | 9.15 | 16.72 | 10.73 | 4.28 |
36h | 9.10 | 9.02 | 16.42 | 10.51 | 4.19 |
48h | 8.97 | 8.85 | 15.94 | 10.33 | 4.12 |
240h | 3.41 | --------- | --------- | --------- | --------- |
附图说明
图1光降解抗菌聚乳酸复合材料(TiO2-3/PLA)断面的SEM照片,显示纳米TiO2粒子与聚乳酸相容性良好。
具体实施方式
聚合方法实施例如下述:
1.TiO2的有机化处理
将6g TiO2(粒径50~100纳米)与300mL丁酮混合,超声分散10min,与含偶联剂的丁酮溶液混合,在80℃下回流3h。冷却至室温,经离心分离,于100℃下烘干,得到有机化处理过的TiO2,保存在干燥器中备用。
2.光降解抗菌聚乳酸复合材料的制备
将丙交酯和不同含量有机化处理过的TiO2(有机化处理过的TiO2的质量分数为1.0wt%、3.0wt%、5.0wt%、10wt%)分别放入5个直型封管中,加入辛酸亚锡的四氢呋喃溶液和磁子搅拌,在氮气氛的保护下抽真空封管,将封好的封管放在150℃油浴中预聚2h,再于150℃下聚合24h,制得PLA基材和纳米TiO2/PLA的复合材料,标记为TiO2-x/PLA(x是TiO2的质量分数)。制得的样品经热压成膜或溶液成膜后,保存在于燥器内备用。
实施例1:
1.TiO2的有机化处理
将6g锐钛型纳米TiO2与300mL丁酮混合,超声分散10min,与含2.4g KH570硅烷偶联剂(γ-甲基乙酰氧基丙基三甲氧基硅烷)的300mL丁酮溶液混合,在80℃下回流3h。冷却至室温,经离心分离,于100℃下烘干,得到有机化处理过的TiO2,保存在干燥器中备用。采用丙酮处理的结果与丁酮处理得到的材料性能相近。
2.光降解抗菌聚乳酸复合材料的制备
将提纯过的丙交酯和质量分数为1.0wt%的有机化处理过的TiO2放入直型封管中,加入辛酸亚锡的四氢呋喃溶液和磁子搅拌,在氮气氛的保护下抽真空封管,将封好的封管放在150℃油浴中预聚2h,再于150℃下聚合24h,制得纳米TiO2/PLA的复合材料,标记为TiO2-1/PLA。制得的样品经热压成膜或溶液成膜后,保存在干燥器内备用。
实施例2:按照实施例1所述方法进行纳米TiO2的有机化处理,所不同的是分散剂是三乙胺,进行有机改性所用的试剂是钛酸酯偶联剂(NDZ105,异丙基三油酸酰氧基钛酸酯),其他处理方式和反应条件均相同。
按照实施例1所述方法进行丙交酯的提纯和光降解抗菌聚乳酸复合材料的制备,所不同的是催化剂为氯化亚锡,所用纳米TiO2的质量分数为丙交酯的3.0wt%,其他处理方式和反应条件均相同,制得复合材料标记为TiO2-3/PLA。
实施例3:按照实施例1所述方法进行纳米TiO2的有机化处理和丙交酯的提纯。
按照实施例1所述方法进行光降解抗菌聚乳酸复合材料的制备,所不同的是催化剂为二月桂酸锡,所用纳米TiO2的质量分数为丙交酯的5.0wt%,其他处理方式和反应条件均相同,制得复合材料标记为TiO2-5/PLA。
实施例4:按照实施例1所述方法进行纳米TiO2的有机化处理和丙交酯的提纯。
按照实施例1所述方法进行光降解抗菌聚乳酸复合材料的制备,所不同的是催化剂为二丁基二月桂酸锡,所用纳米TiO2的质量分数为丙交酯的10.0wt%,其他处理方式和反应条件均相同,制得复合材料标记为TiO2-10/PLA。
实施例5:紫外光吸收实验
用紫外光谱仪(岛津UV2401PC)扫描实施例1、2、3、4制得的复合材料膜在波长200nm~1000nm范围内的透光率。测试结果表明本发明制备的光降解抗菌聚乳酸膜都具有很好的紫外吸收功能,且随着纳米TiO2含量的增加,膜的紫外吸收功能增强,产生明显的“红移”。表明该材料可以用于制备具有紫外吸收功能的服装和包装材料。
实施例6:抗菌实验
以大肠杆菌或革兰氏金黄色葡萄球菌(S.aureus)用来评价材料的抗菌功能的方法是公知的,如在中国专利申请200710070128.5有述,引入本文作为参考:
培养基的制备:称取蛋白胨10g、牛肉浸膏5g、NaCl 5g于装有1000mL蒸馏水的烧杯中,加热熔解后,以NaOH溶液调节pH值为7.0~7.2,加入琼脂20g,煮沸使其全部熔化,装入烧瓶中封口,在0.1MPa下灭菌20min后备用。
PBS缓冲溶液的制备:0.2mol/L的Na2HPO472mL、0.2mol/L的NaH2PO428mL加入装有1000mL蒸馏水烧杯中,再加入5gNaCl,溶解后装入烧瓶中封口,在0.1MPa下灭菌20min后备用。
在无菌培养皿中加入已灭菌的牛肉膏蛋白胨琼脂培养基,使之覆盖整个培养皿底部,将实施例1、2、3、4所制备的复合材料膜片裁成3cm×1cm大小铺在培养基上,用计量器取10μL的含革兰氏阳性金黄色葡萄球菌(S.aureus)的菌液涂敷在膜上,在培养箱中于37℃下培养24h后放在阳光下照射2h左右。然后将膜用镊子取出放入装有10mLPBS缓冲溶液的试管中,剧烈振荡使膜上的菌落全部洗下,逐级稀释100倍后用定量取液器吸取100μL的菌液于已铺满培养基的培养皿中,涂匀,再次放入培养箱中培养24h后观察菌落数。
杀菌率n由下式计算:n=(1-N/N0)×100%
式中N0和N分别是光催化反应前菌落数和光催化反应后的菌落数。
表5光降解抗菌聚乳酸复合材料的抗菌测试结果
待测样品 | 光照前PLA | TiO<sub>2</sub>-1/PLA | TiO<sub>2</sub>-3/PLA | TiO<sub>2</sub>-5/PLA | TiO<sub>2</sub>-10/PLA |
平均落菌数 | 3600 | 107 | 63 | 24 | 9 |
抗菌率(%) | 0 | 97.0 | 98.2 | 99.3 | 99.8 |
抗菌性试验结果显示该光降解抗菌聚乳酸复合材料膜经阳光照射后具有明显的抑菌性能,膜表面的革兰氏阳性金黄色葡萄球菌几乎被全部杀死,而对照组纯聚乳酸表面的革兰氏阳性金黄色葡萄球菌生长良好。表明该材料可用于制备生物医学材料和抗菌包装材料。
Claims (4)
1.光降解抗菌聚乳酸复合材料的制备方法,其特征是制备步骤如下,复合材料的基本组成如下:聚乳酸和纳米TiO2,聚乳酸的含量为90.0%~99.0%,纳米TiO2含量为1.0%~10.0%,所述百分比为重量百分比;将纳米TiO2在丁酮、丙酮或三乙胺分散剂中超声分散后,加入偶联剂在80±10℃下回流2-4h,经离心分离和烘干后与丙交酯一起放入直型封管中,加入催化剂,在150±10℃真空下聚合24±5h,制得光降解抗菌聚乳酸复合材料。
2.根据权利要求1所述的光降解抗菌聚乳酸复合材料的制备方法,其特征是,所述的偶联剂是硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂。
3.根据权利要求1所述的光降解抗菌聚乳酸复合材料的制备方法,其特征是,所述的催化剂是氯化亚锡、辛酸亚锡、二月桂酸锡或二丁基二月桂酸锡。
4.根据权利要求1所述的光降解抗菌聚乳酸复合材料的制备方法,其特征是纳米TiO2的有机化处理时丁酮的重量是锐钛型纳米TiO2重量的20倍以上,且进行超声分散10min以上,将提纯过的丙交酯和有机化处理过的TiO2放入直型封管中,加入有机锡的四氢呋喃溶液和磁子搅拌,在氮气氛的保护下抽真空封管,将封好的封管放在150℃油浴中预聚2h,再于150℃下聚合24h。
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