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1、环境功能负离子涂料的制备及抗菌性能研究半 陈春云，姚尧，吴永伟，孙锦榕 ( 福州大学环境与资源学院福建福州3 5 0 0 0 2 ) 摘要： 采用溶胶一凝胶法以N a 2 S i 0 3 为包覆剂成功地 制备了分散性优良负离子粉体，通过不同的添加量，研 制能够产生最大负离子浓度的功能涂料进行了负离子 涂料的抗茵性研究，实验结果表明负离子材料具有抗茵 性，抗茵效果与涂料的负离子产生量、负离子材料粒径、 涂料的距离密切相关，并从微观上对负离子杀菌进行了 分析，验证了负离子的生物学效应。 关键词：电气石；负离子；功能涂料；抗菌 中图分类号；r Q 6 3 0 1 ；T B 3 4文献标识码：A 文章
2、编号：1 0 0 I 9 7 3 I ( 2 0 0 7 ) 增刊一3 3 1 4 0 3 1 引言 在环境评价中，空气负离子浓度被列为衡量空气质 量的一个重要参数。空气中适当浓度的负离子对消除悬 浮在空气中的有毒有害气体和粉尘，抑制细菌霉菌和净 化空气，对人们的健康长寿和生态环境，均具有极其重 要的作用。随着人们对环境质量的要求越来越高，涂料 的高档化、功能化、环保化已成为涂料生产企业发展的 必然趋势，通过向涂料中添加负离子添加剂、光催化材 料可有效地提高涂料应用价值和功能。 电气石是一种以含硼为特征的铝、钠、铁、锂环状 结构的硅酸盐矿物，其化学式为N a R 3 舢6 s i 6 0 1
3、8 】( B 0 3 ) 3 ( 0 H ) 。，具有远红外波段的电磁辐射，产生负氧离子以 及抗菌、除臭等功能【4 ，引。因此，近年来广泛用于功能 纤维、纺织、服装、涂装材料、饮水净化、建材、日用 品以及复合材料等领域。 自洁、抗菌绿色健康型环保涂料如负离子涂 料，这种系列涂料不仅具有高强度、持久性和明显的装 饰作用，而且可持续释放负离子，从而增加空气中负离 子的浓度，达到改善环境的目的，目前已有研究报导可 以将释放负离子的功能材料应用到纤维及涂料中【1 _ 5 1 。 在利用电气石制备负离子添加剂的基础上，在常温 条件下成功地制备出分散性好、释放负离子稳定性高的 复合功能涂料，大大提高功能涂
4、料的实用价值。研究水 性漆中添加负离子添加剂和纳米二氧化钛负离子释放 性能，通过对空气负离子和负离子材料浓度的系统研 究，了解负离子涂料的抗菌性能。 2 实验 2 1 试验原料 电气石单晶体由江西安远高云山矿业有限公司提 供，呈深绿色，d 南= 0 0 4 3 m m ，经物相分析得知其主要 成分，见表1 。 表l电气石的化学成分 T a b l e lC h e m i c a 】。c o m p o s i t i o no fm et o u r m a l i n e 化学成分 F e 2 0 3A 1 2 0 3 C a O M 9 0S i 0 2 含量，3 5 5 4 1 4 O
5、 O 3 3 7 5O 。4 0 1 4 2 化学成分K 2 0N a 2 0 F 色0 B 2 0 3H j 0 含量，0 1 00 7 43 8 98 9 60 3 7 2 2 试剂和仪器 试剂：纳米二氧化钛，江苏河海纳米公司；分散剂： A c u m e r 9 4 0 0 ，美国罗门哈斯公司；聚丙烯酸铵( 5 0 2 7 ) ， 聚乙二醇( 化学纯) ，三乙醇胺，润湿剂( 4 3 6 ) ，消泡剂5 0 A ， 氢氧化钠，浓硫酸，硅酸钠，碳酸铵。 仪器：越R I O N C O U N T E R ，美国A l p h a l a b 公司； S T - 实验式分散乳化机，上海索维机电
6、设备有限公司； E T w 2 空气微生物采样器，江苏金坛市亿通电子有限公 司；D m ，I ) 6 0 系列电热恒温培养箱，上海实验仪器厂有 限公司；C S l 0 1 1 型电热鼓风干燥箱，重庆实验设备厂； 2 L 介质搅拌磨，无锡市鑫邦粉体工艺机械厂；B T l 5 0 0 型离心沉降式粒度分布仪，丹东百特测试设备厂。 2 3 负离子复合粉体的制备 在蒸馏水中加入一定量分散剂、润湿剂和消泡剂， 搅拌下加入电气石和纳米T i 0 2 粉体，控制p H 值、高速 搅拌，进行预分散。将一定量的包覆剂N a 2 S i 0 3 溶液加 入分散液，在恒温搅拌下滴加H 2 S 0 4 溶液缓慢中和陈
7、 化后，用( N H 4 ) 2 C 0 3 溶液洗涤、离心分离、沉淀。在1 l O 下干燥3 h 研磨，制得负离子复合粉体【6 嵋】。负离子复合 粉体的制备工艺流程见图l 。 榭_ 叫弱叫蚕骨复合粉体 图l负离子复合粉体的制备工艺 F i g1T h ep r e p a r a t i o nt e c t l n i q u eo fn e g a t i V ei o nc o m p o u n d p o w d e rb o d y 采用溶胶凝胶法以锐钛矿型T i 0 2 纳米粉体为载体 N a 2 S i 0 3 为包覆剂添加负离子粉体、H 2 S 0 4 为中和剂制 基金项目
8、：福建省自然基金资助项目( F 0 4 1 3 0 1 2 ) ；福州大学科技基金项日( 8 2 4 9 8 7 ) 。 收到稿件日期：2 0 0 7 0 4 1 0通讯作者：陈春云 作者简介：陈春云( 1 9 6 7 一) ，男，四川宜宾人，副教授，主要从事水污染防治和废物资源化研究。 陈春云等：环境功能负离子涂料的制备及抗菌性能研究 备负离子复合粉体。通过实验确定分散剂5 0 2 7 用量、 分散液p H 值、中和时间等最佳包覆工艺因素。 2 4 负离子涂料的制备 负离子复合粉体添加在成品涂料中直接使用，添加 后充分搅拌均匀，添加比例与在涂料生产过程中复合时 相同。 制造方法【2 3 】为
9、：先将复合负离子粉体、助剂和水 性乳胶漆按一定比例混合，在1 3 0 0 1 8 0 彻恤n 高速分 散1 5 3 0m i n 后降速，再加入水性固化剂在6 0 0 9 0 洲I I l i n 混合3 1 0 r r I i n ，继而加入其余助剂及色浆分 散剂，搅拌l O 2 0 m i l l ，过滤待用。 2 5 实验方法 2 5 1 负离子测定 利用负离子浓度测试仪进行负离子浓度检测【9 ，1 0 】。 在测量时不应直接接触被测物体表面，实验进行前，先 对仪器进行调零，再进行负离子浓度测量，测量时间最 好不超过5 l i n 。 对于测量所得到的大量数据，剔除偏差较大的数 据，对余
10、下的数值取平均值作为实验结果，绘制空气负 离子浓度变化曲线图，根据图形分析负离子浓度的变化 规律。 测试室为聚氨酯保温钢板装配成的密闭小室，测试 室规格为3 m 3 m 3 m ，测试在常压下进行，将测试室 墙壁、顶棚上粉刷测试用负离子涂料，打开测试室门使 涂料干燥1 个月后，进行室内负离子浓度测定。 2 5 2抗菌测试 ( 1 ) 空气中细菌 用离子测定仪测试2 7 m 3 密闭粉刷涂料、没有粉刷 涂料室内负离子浓度，选择测试3 个负离子浓度与细菌 含量值，作为对照样。接着把撞击式空气细菌采集器放 入仓内，采集空仓内细菌含量。关闭仓门1 2 h 后，重新 测试负离子浓度，同样测3 个值。 (
11、 2 ) 实验室培养细菌 取实验样品3 0 0 m g ，放入灭菌大试管中，紫外灭菌 灯光下消毒3 0 l I l i n 。取l 1 0 6 ，I I l l 的金黄色葡萄球菌菌 液3 n l l 放入装粉料的大试管中，吸入2 7 m l O 8 5 灭菌生 理盐水，振动l n l i n 后放入( 3 6 士1 ) 培养箱中，每 隔3 0 l I l i n 振动试管l 耐n ，5 h 后取出，按比例稀释，取 一定稀释度的茵液0 1 I I l l 接种营养琼脂平皿3 个，于3 6 士1 培养2 4 h ，计算菌落数，实验重复3 次取平均值。 3 结果与讨论 3 1 纳米T i 0 2 粉
12、体预分散工艺条件的确定 负离子材料本身带有电极性，容易与其他材料发生 相互作用，造成电气石粉体团聚分散不均匀；而纳米 T i 0 2 颗粒粒径在3 0 5 0 n m 之间，其本身的强极性和巨 大的表面能导致T i 0 2 纳米粉体严重团聚。因此，为使 负离子复合粉体具有较好分散性，通过在其表面均匀地 包覆硅膜来分散和溶化复合粉体，不仅具有分散隔离电 极溶化作用，而且具有增加空气负离子的协同作用，达 到增加负离子浓度的目的。 3 2 涂料中添加剂含量和测试距离对负离子浓度的影响 空气负离子处在不断产生、消失的动态平衡过程， 负离子在空气中的存在时间很短，易与空气中其它分子 或离子结合，在负离子
13、很短的寿命里，它飞行的距离是 有限的，所以距离负离子发生源不同距离的位置，负离 子浓度不同，测量不同质量负离子粉体产生的负离子浓 度与距离的关系，负离子浓度变化曲线见图2 。 t 里 餐 巾 悲 距禹，c m 图2 距离对负离子浓度的影响 F i g2D i s t 蛆c ei m p a c to nd e n s i t yo f 锄i o n 实验时温度为2 5 ，测试距离墙体3 0 c m ，检测结 果见图2 。从实验结果中可以看出，负离子浓度与粉体 的质量有着一定的关系，随粉体质量的增加，负离子浓 度逐渐升高，但当粉体增加到5 0 0 9 时，负离子浓度也 随粉体质量增加上升，但增加
14、的幅度不大。距离从零变 化到1 I I l 时，3 0 c m 到6 0 C m 范围内离子浓度衰减最快， 实验测试距离以3 0 c m 处最佳。因此l O o L 乳胶漆水性 涂料中加入3 0 0 9 负离子复合粉体即为最佳比例。 3 3 不同粒度负离子添加剂抗菌效果 平均粒径分别为O 5 ，O 7 ，1 O ，1 5 ，2 O 阻的套M r 实验用量为3 0 0 m g ，1 0 0 L 。不同粒度的电气石对大肠杆 菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效果见图3 。 粒径，u m 图3 不同粒径抗菌效果( 3 0 0 m g ，l o o L ) F i g 3D i 虢r e n t 锄锄曲i o
15、雠r e s u l to ff o o t p a t t l ( 3 0 0 m 1 0 0 L ) 从图3 可见，粒度小于1 O 岫的电气石粉料具有较 好的抗菌作用，粒度达到2 0 岫以上时抗菌作用微弱。 3 4 负离子涂料的抗菌性能 把负离子( 直径O 5 陋1 ) 涂料均匀涂刷到薄膜上， 待干燥后剪成l O c m 1 0 c m 的正方形，放在超净工作台 上消毒，作为实验样品，同时做空白试验，实验结果如 能材料2 0 0 7 年增刊( 3 8 ) 卷 表2 所示： 表2 涂料与粉体的杀抑菌率 T a b l e2A n 曲i o t i cr a t eo fa n i o nc
16、o a t i n g 平均杀抑茵率平均杀抑茵率 实验样品 ( 金黄色葡萄球菌)( 大肠杆菌) 负离子涂料 9 79 9 实验结果是3 次实验的平均数值，负离子涂料对大肠 杆菌和金黄色葡萄球菌的平均杀抑率均达到9 7 以上。 3 5 负离子浓度与空气中细菌数量的关系 实验温度为2 5 ，相对湿度为4 1 ，室内负离子 浓度：5 0 2 5 0 Q 怨m 3 室内的平皿菌落数如图4 所示，计 算空气中细菌数量的公式如下： 细菌数量( c 3 ) = 耥 3 5 3 4 负离子浓度，c m 。 图4 负离子浓度与细菌数量关系 F i g4 I h er e l a 硒nd e I l s i t
17、yo f 锄i o n 锄db a c n 耐哪sq 咖d t a 畸v e 由图可见，负离子涂料产生不同浓度负离子都有一 定的抗菌作用，但效果有差别，当负离子浓度达到 1 5 0 Q ，c m 3 以上对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均也有很好 的杀抑作用。前面负离子产生量实验结果与抗菌实验结 果一致，即产生负离子量高的涂料其抗菌作用也很强。 抗菌抑菌负离子涂料添加剂具有很强的抗茵抑菌 效果，包括大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、霉菌等，抗菌 抑菌率9 7 ( C M A 测定) 。细菌大多带正电荷，在空气 中被大量H 3 0 2 一包覆或被H 3 0 2 一所中和，使其失去增生 与繁殖的条件。空气负离子
18、使活的生物细胞带负电荷， 从而使病毒失去对细胞的攻击能力。因此空气中负离子 浓度越高，抑制细菌生长的能力就越强，空气中的微生 物含量也就越低。而且通过抗菌实验表明，材料的负离 子发生能力越大，抗菌效果越好。 4 结论 ( 1 ) 通过采用N a 2 S i 0 3 包覆技术在保证能高效产 生负离子的前提下，有效避免材料的团聚和破乳，通过 添加纳米T i 0 2 粉体提高负离子的产生量。 ( 2 ) 负离子粉体能稳定高效的产生负离子，其负 离子发生量与粉体的质量、温度和测量距离有着密切的 关系。距离从3 0 c m 到6 0 c m 范围内离子浓度衰减最快， 1 m 以外范围的负离子浓度没有贡献
19、，1 0 0 L 涂料中加入 3 0 0 9 负离子复合粉体即为最佳比例。 ( 3 ) 利用实验室自制的负离子涂料用于抗菌研究， 证明其具有较强的杀菌效果。经过表面包覆处理的负离 子添加剂能够均匀地分散于乳液中，有助于涂料抗菌性 能的充分发挥。添加负离子和纳米T i 0 2 的抗菌涂料具 有长效抗菌性和彻底杀菌性。 参考文献： 【l 】王广勇，陈荣坤【J 】中国涂料，2 0 0 5 ，2 0 ( 7 ) ：4 4 4 5 2 】苍风波，蔡怀福【J 】中国涂料，2 0 0 3 ，9 ( 2 ) ：1 3 3 】1 y u s t l iT e ta 1 【J 】B i o m e t e o m
20、 l o g y ，1 9 9 8 ，4 1 ( 3 ) ：1 3 2 1 3 6 【4 】姜洪泉，王鹏，等【J 】高校化学工程学报，2 0 0 5 ， 1 9 ( 1 ) ：1 1 3 1 1 8 【5 】郑水林，杜高翔，等 J 】矿冶，2 0 0 4 ，I3 ( 4 ) ：5 0 一5 3 【6 】V a nD y kAC ，H e y n sAM 【J 】J o u m a lo fC o U 0 i da n d I n t e d ；a c eS c i e n c e ，1 9 9 8 ，2 0 6 ( 2 ) ：3 8 l 一3 9 1 【7 】N a k a m l l r a
21、 ， T 觚dK u b o t 【J 】 F e r r o e l e c t r i c s 1 9 9 2 ， ( 1 3 7 ) ：1 3 - 3 1 8 】Q i n g - s h 觚L i ，Y 叫i eH u ，) ( i a o - h u aG u J 】N a m r a lS c i e n c e 2 0 0 44 0 ( 3 ) ：9 0 9 1 T h es t u d yo fp r e p a r a t i o na n da n t i b a c t e r i a lp r o p e r t i e sf o re n V i r 0 啪e n t
22、 a l f h n c t i o nn e g a t i V ei o nc o a t i n g s C H E NC h u n y u n ，Y A OY a o ，W UY b n g w e i ，S U NJ i n r o n g ( C o l l e g eo fE n V i r o 姗e n t 距离越大,浓度越低.同时,对不同产地的电气石粉体进行了测试,发现这种天然矿石能产生一定量的负离子,发生量的高低与 化学成分密切相关,其中表面电场强度较高的铁、镁电气石的负离子发生量较多.通过对研制的负离子涂料进行房间实验.结果表明,涂刷负离子内墙涂料 的房间内不同位置,负
23、离子浓度不相同;而且涂刷负离子涂料房间的负离子浓度高于涂刷普通涂料的房间.通过对空气负离子和负离子材料浓度的系统研究 ,掌握了环境因素对负离子浓度的影响变化规律,在此基础上,综合评价了各种材料,提出空气负离子及负离子材料的测试和评价方法.同时,进行了负离子 的应用研究,主要是负离子的抗菌性.实验结果表面负离子材料具有抗菌性,抗菌效果与材料的负离子产生量密切相关,并从微观上对负离子杀菌进行了分 析,验证了负离子的生物学效应. 本文链接：http:/ 授权使用：五邑大学(wydx)，授权号：69f21bb2-1db5-4de8-9717-9e5b013bb7ee 下载时间：2010年12月29日