玻璃纖維增強熱塑性樹脂基復合材料抗菌性研究

程水林　黃晟　秦偉偉　謝軍　滑玉濤　王俊勃

摘 要：采用添加羥基喹啉鋁抗菌劑和載銀納米TiO2抗菌劑的方法提升玻璃纖維增強尼龍66材料抗菌性能，并測試其對材料力學性能的影響。研究結果發現：羥基喹啉鋁抗菌劑的加入顯著提高了材料抗菌性能，當抗菌劑質量濃度為1%時，材料的抗菌效果最佳，在以大腸桿菌為菌種的抑菌環實驗中，抑菌環最大達到20mm，材料彎曲強度上升18%、抗拉強度下降14.3%；添加載銀納米TiO2抗菌劑質量濃度為2%時，其抗菌效果最佳，對于金黃色葡萄球菌的抗菌率達到92.7%，材料的硬度降低13.3%、抗拉強度下降12.7%、抗沖擊強度下降20%、彎曲強度下降13.4%。

關鍵詞：玻璃纖維/尼龍66復合材料 羥基喹啉鋁 載銀納米TiO2 抗菌性

中圖分類號：TQ327 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）01（c）-0001-04

Abstract： The antibacterial properties of glass fiber reinforced nylon 66 were improved by adding hydroxyquinoline aluminum antibacterial agent and silver nano TiO2 antibacterial agent， and the effects on the mechanical properties of the material were tested. The results showed that the addition of hydroxyquinoline aluminum antibacterial agent significantly improved the antibacterial properties of the material. When the mass concentration of the antibacterial agent was 1%， the antibacterial effect of the material was the best. In the antibacterial ring experiment using Escherichia coli as the strain， the antibacterial activity The maximum ring size is 20mm， the bending strength of the material is increased by 18%， and the tensile strength is decreased by 14.3%. When the mass concentration of the silver-loaded nano-TiO2 antibacterial agent is 2%， the antibacterial effect is the best， and the antibacterial rate for Staphylococcus aureus is 92.7%. The hardness of the material decreased by 13.3%， the tensile strength decreased by 12.7%， the impact strength decreased by 20%， and the bending strength decreased by 13.4%.

Key Words： Glass fiber/nylon 66 composite； Hydroxyquinoline aluminum； Silver-loaded nano-TiO2； Antibacterial

空調作為日常使用的家電產品，人們在廣泛使用的同時往往忽視對它的清潔保養，由于不注意清潔以及使用環境因素等，空調容易成為菌類的溫床，滋生大量的細菌霉菌[1]，這些菌類的存在不僅加速材料老化降低使用性能，還會產生異味污染室內空氣環境，更甚者會導致乏力、發熱、干咳甚至呼吸道感染、肺炎等疾病的發生，嚴重危害用戶的身體健康[2]。因此，提高空調材料抗菌性能的研究不僅有著學術意義，還能指導生產，有著重大的實用價值。

空調除去部分金屬零件外，多采用性能優異的玻璃纖維增強的尼龍66復合材料[3，4]作為主要構件材料[5]。但這種材料抗菌性能[6，7]研究的相關報導較少，基于此，該文采取添加羥基喹啉鋁抗菌劑[8]和載銀納米TiO2抗菌劑[9，10]的方法來提高尼龍66復合材料抗菌性，并對力學性能進行測試，以判斷是否對材料的正常使用造成影響。

1 實驗

1.1 試劑

該實驗所用到的試劑主要有：尼龍66顆粒，C-玻璃纖維粉（直徑20μm、長度120μm），載銀納米TiO2，8-羥基喹啉鋁（分析純），硅烷偶聯劑KH-550。

1.2 復合材料的制備

預先將尼龍66在95℃溫度下干燥4h，再按照表1和表2成分配比分別制備含載銀納米TiO2和羥基喹啉鋁的玻璃纖維增強尼龍66試樣。

1.3 抗菌實驗

使用抑菌環法[11]對添加8-羥基喹啉鋁抗菌劑的試樣進行抗菌性能檢測，方法是將大腸桿菌菌種接種到培養基上，再將切割成12mm×12mm大小的抗菌試樣置于培養基表面，通過觀察抑菌環的大小判斷試樣的抗菌效果強弱。

對于添加了載銀納米TiO2抗菌劑的試樣，以金黃色葡萄球菌為實驗菌，采用貼膜法[12]對其進行抗菌性能檢測，參照標準為QB/T 2591-2003抗菌塑料—抗菌性能試驗方法和抗菌效果。方法是將菌液滴加在待測試樣表面，然后用經過殺菌處理的無抑菌效果的薄膜貼覆在試樣表面使菌液與試樣充分接觸，保存一定時間后使用生理鹽水將試樣和薄膜上的菌液洗下，制成一定濃度的菌懸液，取少量菌懸液滴加在培養基上，培養一段時間后觀察菌落大小與數量，通過與未添加任何抗菌劑的對照組試樣比較得到抗菌試樣的抗菌性能結果。

1.4 表征

采用微機控制萬能電子試驗機對添加了抗菌劑的試樣進行彎曲強度和拉伸強度的測試；采用動態沖擊韌性測試儀對添加抗菌劑的試樣進行沖擊強度測試；采用場發射掃描電子顯微鏡對添加了抗菌劑的試樣斷口形貌進行分析。

2 結果與討論

2.1 力學性能測試結果及分析

圖1是添加了不同濃度載銀納米TiO2抗菌劑的力學性能測試結果。在圖1（a）和圖1（c）中，隨著抗菌劑的添加，其拉伸強度與彎曲強度都產生了明顯的降低，但是隨著抗菌劑濃度的增高，彎曲強度與拉伸強度均升高。圖1（b）顯示的是材料的平均沖擊韌性變化情況，材料中添加抗菌劑后其沖擊韌性降低，并且隨著抗菌劑含量的升高，材料的沖擊韌性逐漸降低。究其原因，由于添加的抗菌劑為無機物，與基體樹脂界面結合方式發生改變，割斷基體的連續組織，且抗菌劑與基體材料的結合強度并不太高，當含量較少時，抗菌劑分布不均勻，導致力學性能的降低；但是隨著抗菌劑的濃度升高，在材料內部均勻分散，納米抗菌劑粒子與聚合物基體界面同時存在物理作用及化學作用，使得界面結合良好，對材料產生了增韌增強[13]的作用，表現為材料的力學性能上升。同時，由于納米抗菌劑顆粒具有較大的比表面積，與聚合物基體的相界面面積也大，因此增韌增強效果明顯。

圖2顯示的是添加了不同濃度8-羥基喹啉鋁抗菌劑試樣的力學性能圖像。圖2（a）中，材料的彎曲強度隨著抗菌劑濃度的增加而升高，這是因為8-羥基喹啉鋁與基體材料的結合強度更高，在復合材料中起到一定程度上的增強體的作用，因此材料的彎曲強度隨著8-羥基喹啉鋁濃度的增加而上升。圖2（b）中，添加抗菌劑后材料的拉伸強度顯著降低，但隨著抗菌劑濃度的升高，材料的拉伸強度也隨之上升。究其原因，添加的低濃度的抗菌劑割裂了原本的連續組織，使得拉伸強度下降，但隨著8-羥基喹啉鋁抗菌劑濃度的升高，均勻分布的8-羥基喹啉鋁抗菌劑中的有機基團與聚合物基體之間的化學作用增強，起到了增韌增強的作用，拉伸強度逐漸上升。圖2（c）中，添加抗菌劑后材料沖擊強度變化無明顯規律，產生這種現象的原因有待研究。

2.2 表面形貌測試結果及分析

圖3是添加了載銀納米TiO2抗菌劑試樣的斷口形貌SEM圖像，圖中白色固體是載銀納米TiO2抗菌劑顆粒，可以看到抗菌劑顆粒大小并不均勻且抗菌劑與基體的結合效果并不是很好，抗菌劑與基體之間有明顯的界面存在，且有抗菌劑從基體材料中脫落留下的凹坑。

圖4是添加了8-羥基喹啉鋁抗菌劑試樣的斷口形貌SEM圖像，圖中8-羥基喹啉鋁抗菌劑顆粒均勻分布于基體材料中，抗菌劑顆粒周圍存在大量韌窩，這說明抗菌劑的加入增強了材料的韌性。

2.3 抗菌性能測試結果及分析

使用抑菌環法對添加了不同濃度的8-羥基喹啉鋁抗菌劑試樣的抗菌實驗，實驗樣品的尺寸為12mm×12mm，效果圖如圖5所示。結果表明，添加質量濃度1%的8-羥基喹啉鋁抗菌劑試樣的抑菌圈最大，達到20mm，其抗菌效果最佳。

對于載銀納米TiO2抗菌試樣使用貼膜法進行抗菌測試，通過多次抗菌實驗，得到抗菌效果最佳的試樣如圖6所示，該試樣添加了質量濃度為2%的載銀納米TiO2抗菌劑，對比圖6（b）空白對照組的菌落分布情況，圖6（a）中添加了質量濃度為2%載銀納米TiO2抗菌劑試樣的菌落數量明顯減少，抗菌效果顯著。通過計算菌落數量得到該試樣的抗菌率達到92.7%。

3 結語

（1）添加了質量濃度為1%的8-羥基喹啉鋁抗菌劑的玻纖增強尼龍66復合材料具有顯著的抗菌效果，抑菌環最大直徑達到20mm。但材料整體力學性能有所變化，其中彎曲強度上升18%、抗拉強度下降14.3%、抗沖擊強度變化無規律。

（2）當加入的納米載銀TiO2抗菌劑質量濃度為2%時，玻纖增強尼龍66復合材料抗菌效果最佳，抗菌率達到92.7%，但是該濃度下材料的力學性能有所下降，其中硬度降低13.3%、抗拉強度下降12.7%、抗沖擊強度下降20%、彎曲強度下降13.4%。

參考文獻

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