CN105237681A - 一种卤胺抗菌剂包覆改性纳米二氧化钛复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种卤胺抗菌剂包覆改性纳米二氧化钛复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种卤胺抗菌剂包覆改性纳米二氧化钛复合材料，制备方法为：(1)将纳米二氧化钛分散在含有分散剂的水溶液中，超声分散均匀作为A相；(2)将聚合单体卤胺抗菌剂前驱体烯丙基海因和甲基丙烯酸甲酯的混合物作为B相；(3)搅拌下将B相缓慢滴加到A相中，超声分散制成分散均匀的细乳液，转移至带有冷凝回流和搅拌装置的烧瓶中滴加引发剂进行反应；(4)反应结束后，洗涤、烘干、氯化、制得成品。本发明在纳米二氧化钛表面包覆一层卤胺抗菌剂前驱体和甲基丙烯酸甲脂聚合单体，形成具有核壳结构的纳米复合颗粒，制备出既使得卤胺抗菌剂具有耐紫外性能，又改善纳米二氧化钛在无光条件下的抗菌性能的复合材料，具有十分重要的意义。

Description

一种卤胺抗菌剂包覆改性纳米二氧化钛复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米材料科学技术领域，尤其是涉及一种以纳米二氧化钛为核，双键卤胺抗菌剂前驱体为壳的纳米复合物的制备方法。
背景技术
纳米二氧化钛具有氧化活性高、稳定性强、无毒、无味、对身体无危害，资源丰富，价格便宜，化学性质稳定，抗紫外线，抗菌，自清洁等特性，纳米二氧化钛被广泛应用在不同的领域内，包括在纺织品，化妆品，陶瓷、塑料制品以及涂料等领域。纳米二氧化钛在紫外光照射的条件下，价带电子跃迁到导带中，生成的价带空穴具有极强的氧化性能，可以将大多数的有机污染物如细菌、真菌等分解为无机物、二氧化碳和水等无害物质。
但是纳米二氧化钛在黑暗条件下不能发生光催化反应，从而不能生成能够抗菌的活性组分，再加上纳米二氧化钛本身不具有抗菌作用，但细菌恰恰在无光潮湿的条件下更容易生长和繁殖，所以改善纳米二氧化钛在无光条件下的抗菌性能，进而提高其实用性，是目前研究的重要方向。
卤胺抗菌剂具有高效广谱、抗菌性能持久以及抗菌可再生等优点，但研究发现部分卤胺抗菌剂在UVA的照射下不稳定，容易发生断裂，从而使基材由于失去环状的卤胺化合物而使得抗菌性能下降。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本申请人提供了一种卤胺抗菌剂包覆改性纳米二氧化钛复合材料及其制备方法。本发明在纳米二氧化钛表面包覆一层卤胺抗菌剂前驱体和甲基丙烯酸甲酯聚合单体，形成具有核壳结构的纳米复合颗粒，制备出既使得卤胺抗菌剂具有耐紫外性能，又改善纳米二氧化钛在无光条件下的抗菌性能的复合材料，具有十分重要的意义。
本发明的技术方案如下：
一种卤胺抗菌剂包覆改性纳米二氧化钛复合材料，其制备方法为：
(1)将2-20g的纳米二氧化钛分散在含有分散剂的水溶液中，所述分散剂的质量为纳米二氧化钛质量的10-50％，加水补满100g，在细胞粉碎机中超声分散均匀，作为A相；
(2)将质量为纳米二氧化钛质量的30-150％的聚合单体卤胺抗菌剂前驱体烯丙基海因和甲基丙烯酸甲酯的混合物作为B相；
(3)在机械搅拌作用下将B相缓慢滴加到A相中，然后置于超声波细胞粉碎机中超声分散，制成分散均匀的细乳液，将细乳液转移至带有冷凝回流和搅拌装置的烧瓶中，滴加质量为聚合单体卤胺抗菌剂前驱体烯丙基海因和甲基丙烯酸甲酯总质量的0.5-5％的引发剂进行反应；
(4)反应结束后，洗涤、烘干、氯化、制得成品。
卤胺抗菌剂前驱体烯丙基海因为式(Ⅰ)所示结构。
式中，X选自氯或溴。
所述分散剂为非离子型表面活性剂。
优选的，所述分散剂为聚氧乙烯脂肪醇缩合物平平加O-10、平平加O-20、聚氧乙烯烷基酚缩合物OP-10、OP-15、聚氧乙烯多元醇醚脂肪酸酯Tween40、Tween80中的一种。
所述聚合单体卤胺抗菌剂前驱体烯丙基海因的用量为聚合单体卤胺抗菌剂前驱体烯丙基海因和甲基丙烯酸甲酯总质量的5-30％。
所述引发剂为水溶性引发剂过硫酸钾、过硫酸钠或过硫酸铵。
步骤(3)所述的反应的温度为60-80℃，反应时间为1-5h。
将步骤(4)中反应结束后所得到的溶液在8000rpm下离心20min，所得到的粉末分别用乙醇和蒸馏水洗涤三次，用0.5wt％的次氯酸钠溶液氯化1h，取出固体颗粒后用蒸馏水彻底洗净，然后置于烘箱中与45℃烘干2h，即得到所需的含有双键的卤胺抗菌剂包覆纳米二氧化钛。
本发明有益的技术效果在于：
本发明所用的方法原料种类少，操作方法简便，工艺简单，反应时间短，所制备的纳米二氧化钛具有高效可重复再生的抗菌功能，同时可以提高卤胺化合物的紫外稳定性，具有很高的实际应用价值。
本发明中，采用细乳液聚合的方法制备有机/无机纳米复合粒子，实现了有机材料和无机材料间的优势互补，细乳液聚合分为两个过程：1、细乳化过程，将油相的单体加入到含有分散剂的水相中，通过超声波将单体分散成均匀的纳米级或亚微米级液滴。2、聚合过程，升高反应温度，被小液滴吸附的引发剂产生自由基，然后在液滴内引发聚合。
本发明中有机相采用具有抗菌性能的功能性单体烯丙基海因及其共聚单体，由于烯丙基海因上烯丙基自由基的“自阻聚”作用，使其难以形成高分子量的均聚物，所以共聚单体甲基丙烯酸甲酯及等的加入，有利于链增长反应。无机相采用具有紫外屏蔽功能的纳米二氧化钛，制备出既可以提高卤胺抗菌剂的紫外稳定性，又可以弥补二氧化钛在无光条件下的抗菌功能的纳米复合材料。同时，纳米结构具有更高的比表面积，相对于普通尺寸的卤胺抗菌剂来说，这种高比表面积的纳米结构可以提高所制备纳米复合材料的抗菌性能。
本发明采用细乳液聚合的方法，反应平稳，方法简单，包覆效率高，该方法制备的包覆纳米二氧化钛类似球形，大小分布均匀，粒径介于60-290nm之间。本发明所制备的包覆纳米二氧化钛具有优异的抗菌性能，抗菌效率高，其有效氯含量可达1.59％，与接种细菌接触后，分别在10min和30min之内对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率达到100％。本发明所制备的包覆纳米二氧化钛具有优异的耐紫外性能，经紫外照射72h后，仅损失42％的有效氯含量，重新氯化后，含氯量恢复为原来的73％。本发明所制备的包覆纳米二氧化钛具有优异的生物相容性。
附图说明
图1为本发明的透射电子显微照片，图中标尺为100nm；
图2为本发明的紫外稳定性测试结果图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图、表格，对本发明进行具体描述。
实施例1
将5g纳米二氧化钛加入95g其中含有1.5g非离子表面活性剂聚氧乙烯脂肪醇缩合物(平平加O-10)的水溶液中，置于超声细胞粉碎机中超声30min，作为A相；将0.25g卤胺抗菌剂前驱体烯丙基海因和2.25g甲基丙烯酸甲酯混合均匀，作为B相；在机械搅拌作用下，将B相缓慢滴加到A相中，然后超声分散10min，制成分散均匀的细乳液，将细乳液转移至带有冷凝回流和搅拌装置的烧瓶中，加入0.03g的引发剂过硫酸钠，升温至70℃，反应4h。反应结束后，将得到的溶液在8000rpm下离心20min，所得到的粉末分别用乙醇和蒸馏水洗涤三次，用0.5wt％的次氯酸钠溶液氯化1h，取出固体颗粒后用蒸馏水彻底洗净，然后置于烘箱中与45℃烘干2h，即得到所需的卤胺抗菌剂包覆纳米二氧化钛。经测定，该包覆纳米二氧化钛的含氯量为1.59％。
实施例2
将10g纳米二氧化钛加入90g含有4g非离子表面活性剂聚氧乙烯多元醇醚脂肪酸酯(Tween80)的水溶液中，然后置于超声细胞粉碎机中超声分散30min，作为A相；将1.5g卤胺抗菌剂前驱体烯丙基海因和8.5g甲基丙烯酸甲酯混合均匀，作为B相；在机械搅拌作用下，将B相缓慢滴加到A相中，然后超声分散10min，制成分散均匀的细乳液，将细乳液转移至带有冷凝回流和搅拌装置的烧瓶中，加入0.25g的引发剂过硫酸钾，升温至65℃，反应5h。反应结束后，将得到的溶液在8000rpm下离心20min，所得到的粉末分别用乙醇和蒸馏水洗涤三次，用0.5wt％的次氯酸钠溶液氯化1h，取出固体颗粒后用蒸馏水彻底洗净，然后置于烘箱中与45℃烘干2h，即得到所需的卤胺抗菌剂包覆纳米二氧化钛。经测定，该包覆纳米二氧化钛的含氯量为2.26％。
实施例3
将15g纳米二氧化钛加入85g含有2.5g非离子表面活性剂聚氧乙烯脂肪醇缩合物(平平加O-20)的水溶液中，然后置于超声细胞粉碎机中超声分散30min，作为A相；将4.5g卤胺抗菌剂前驱体烯丙基海因和13.5g甲基丙烯酸甲酯混合均匀，作为B相；在机械搅拌作用下，将B相缓慢滴加到A相中，然后超声分散10min，制成分散均匀的细乳液，将细乳液转移至带有冷凝回流和搅拌装置的烧瓶中，加入0.9g的引发剂过硫酸铵，升温至75℃，反应3h。反应结束后，将得到的溶液在8000rpm下离心20min，所得到的粉末分别用乙醇和蒸馏水洗涤三次，用0.5wt％的次氯酸钠溶液氯化1h，取出固体颗粒后用蒸馏水彻底洗净，然后置于烘箱中与45℃烘干2h，即得到所需的卤胺抗菌剂包覆纳米二氧化钛。经测定，该包覆纳米二氧化钛的含氯量为1.77％。
实施例4
将20g纳米二氧化钛加入80g含有2g非离子表面活性剂聚氧乙烯烷基酚缩合物(OP-10)的水溶液中，然后置于超声细胞粉碎机中超声分散30min，作为A相；将1g卤胺抗菌剂前驱体烯丙基海因和11g甲基丙烯酸甲酯混合均匀，作为B相；在机械搅拌作用下，将B相缓慢滴加到A相中，然后超声分散10min，制成分散均匀的细乳液，将细乳液转移至带有冷凝回流和搅拌装置的烧瓶中，加入0.2g的引发剂过硫酸钾，升温至80℃，反应1.5h。反应结束后，将得到的溶液在8000rpm下离心20min，所得到的粉末分别用乙醇和蒸馏水洗涤三次，用0.5wt％的次氯酸钠溶液氯化1h，取出固体颗粒后用蒸馏水彻底洗净，然后置于烘箱中与45℃烘干2h，即得到所需的卤胺抗菌剂包覆纳米二氧化钛。经测定，该包覆纳米二氧化钛的含氯量为1.01％。
如图1所示，由实施例1-4获得的卤胺抗菌剂包覆纳米二氧化钛，通过常用透射电镜观察，制备的包覆纳米二氧化钛具有核壳结构。
测试例1：卤胺抗菌剂包覆纳米二氧化钛紫外稳定性测试
采用紫外光加速老化试验仪进行测试。将测试样品卤胺抗菌剂包覆纳米二样浒苔置于紫外光照射室照射1-72h后，拿出测试有效氯含量或重新氯化后测试其有效氯含量。测试结果见图2。
由图2分析可得，照射刚开始的几个小时内，卤胺抗菌剂包覆的纳米二氧化钛含氯量下降较快，随着时间的延长，其有效氯含量缓慢降低。照射72h以后，制备的包覆纳米二氧化钛仅失去42％的含氯量，重新氯化后含氯量恢复到原来的73％。相对于之前对于卤胺抗菌剂的研究，所制备的包覆纳米二氧化钛的紫外稳定性具有显著的提升，表明在紫外照射时，二氧化钛可以通过紫外屏蔽作用保护卤胺化合物的结构。
测试例2：卤胺抗菌剂包覆纳米二氧化钛的抗菌性能测试
测试样品：按照实例2所述方法制备；对照样品：按照实例2所述方法制备但不进行氯化以及准备未反应的纳米二氧化钛。将上述测试和对照样品分别接种金黄色葡萄球菌和大肠杆菌O157：H7，将一定数量的细菌稀释到在100μM磷酸盐缓冲溶液中制备成细菌悬浮液，之后将100μL细菌悬浮液加入含有0.1g测试样品的磷酸缓冲液中，在37℃接触10min，30min，60min，90min及120min后，试样用0.5mL，0.05N的无菌硫代硫酸钠溶液猝熄以去除所有氧化态氯，上述硫代硫酸钠在对照试验中对任何一种细菌都无影响，猝熄试样用pH7.0，100μM的磷酸盐缓冲溶液连续稀释，然后取100μL置于无菌培养基中，在37℃的条件下培养24h。测试结果见表1。
表1卤胺抗菌剂包覆纳米二氧化钛抗菌性能测试
注：a接种浓度为5.00×105CFU/mL；b接种浓度为1.80×106CFU/mL
由表1数据表明，本发明所制备的卤胺抗菌剂包覆纳米二氧化钛具有优异的抗菌性能，抗菌效率高，与接种细菌接触后，测试样品在10min内对金黄色葡萄球菌的抗菌率达到100％，30min内对大肠杆菌的抗菌率也达到100％。
以上实施例所涉及原料和实际均为市售产品，所使用的工业设备均为本领域常规设备。

Claims (8)

1.一种卤胺抗菌剂包覆改性纳米二氧化钛复合材料，其特征在于其制备方法为：
(1)将2-20g的纳米二氧化钛分散在含有分散剂的水溶液中，所述分散剂的质量为纳米二氧化钛质量的10-50％，加水补满100g，在细胞粉碎机中超声分散均匀，作为A相；
(2)将质量为纳米二氧化钛质量的30-150％的聚合单体卤胺抗菌剂前驱体烯丙基海因和甲基丙烯酸甲酯的混合物作为B相；
(3)在机械搅拌作用下将B相缓慢滴加到A相中，然后置于超声波细胞粉碎机中超声分散，制成分散均匀的细乳液，将细乳液转移至带有冷凝回流和搅拌装置的烧瓶中，滴加质量为聚合单体卤胺抗菌剂前驱体烯丙基海因和甲基丙烯酸甲酯总质量的0.5-5％的引发剂进行反应；
(4)反应结束后，洗涤、烘干、氯化、制得成品。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于卤胺抗菌剂前驱体烯丙基海因为式(Ⅰ)所示结构。
式中，X选自氯或溴。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述分散剂为非离子型表面活性剂。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述分散剂为聚氧乙烯脂肪醇缩合物平平加O-10、平平加O-20、聚氧乙烯烷基酚缩合物OP-10、OP-15、聚氧乙烯多元醇醚脂肪酸酯Tween40、Tween80中的一种。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述聚合单体卤胺抗菌剂前驱体烯丙基海因的用量为聚合单体卤胺抗菌剂前驱体烯丙基海因和甲基丙烯酸甲酯总质量的5-30％。
6.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述引发剂为水溶性引发剂过硫酸钾、过硫酸钠或过硫酸铵。
7.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于步骤(3)所述的反应的温度为60-80℃，反应时间为1-5h。
8.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，将步骤(4)中反应结束后所得到的溶液在8000rpm下离心20min，所得到的粉末分别用乙醇和蒸馏水洗涤三次，用0.5wt％的次氯酸钠溶液氯化1h，取出固体颗粒后用蒸馏水彻底洗净，然后置于烘箱中与45℃烘干2h，即得到所需的含有双键的卤胺抗菌剂包覆纳米二氧化钛。
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