家用電器納米抗菌材料

陳吞 沈劍 楊樂庭 黃勇 張輝

合肥美的電冰箱有限公司 安徽合肥 340100

1 引言

如今，中國絕大多數家庭都擁有一臺及以上的家電設備，如常見的冰箱、洗衣機、空調等。隨著社會的進步，人們對生活品質的要求在不斷的進步。而家用電器作為每個家庭都需要的高頻使用設備，其行業也相應的提出了抗菌等概念以適應新的消費理念[1]。以冰箱為例，冷藏對于維持許多食品的安全性和質量以及使食品能夠在日益城市化的社會中進行供應和消費都至關重要。但是由于未經消毒的食材常常攜帶沙門氏菌、大腸桿菌等細菌，容易導致交叉污染和二次感染，如若不慎食用，會導致腹瀉、食物中毒等狀況，甚至可能進一步導致患者死亡[2]。因此，冰箱等家用電器需要具有一定的抗菌能力以保證家庭的正常使用。

現如今常見的家用設備的主要抗菌技術有高溫消毒、紫外線照射、光觸媒除菌、金屬納米材料薄膜等。不同的抗菌技術都有其優勢與劣勢，例如：高溫消毒由于在使用過程中需要產生高溫，使用場景嚴重受限，僅能應用在消毒柜等家用設備中。本文主要關注如今納米抗菌技術的應用與發展，總結并分析了當前和未來有望大規模應用在家用設備的抗菌納米技術。

2 活性金屬納米材料

金屬基納米材料可以由金屬和金屬氧化物的兩種納米材料構成，納米材料區別于普通材料的地方在于納米尺度，常用的納米材料為金屬或金屬氧化物納米材料，包括銀、金、氧化鋅、二氧化鈦和氧化銅等材料。金、銀和銅等材料主要通過對細菌的細胞膜進行破壞從而起到抗菌的作用[3][4]，并且其能夠有效抑制代謝酶活性并干擾細菌遺傳物質的表達。而金屬納米顆粒氧化物如TiO2、ZnO、CuO、Cu2O、Fe2O3、SnO2、Ag2O、CeO2，均具有一定的抗菌效果。其中，ZnO、TiO2和CuO、Cu2O在物理和化學特性上都具有相似之處，如無毒、無刺激性、熱穩定性、耐熱性、持久的抗菌作用和高效殺菌。應用于預防疾病傳播具有重要意義，可以凈化環境。

活性金屬納米材料現如今也廣泛的應用于日常的家用電器中，其多以抗菌劑的形式與樹脂聚合物材料混合以制備納米抗菌塑料[5-8]。由于金屬納米材料以粉末形式呈現，通常需要在加工過程中將這些粉末在樹脂中均勻地分散以獲得所需的抗菌效果。因此，抗菌劑通常先被制成抗菌母料，然后將其與樹脂混合所需比例（然后按照所需比例將其與樹脂混合）。另外，還必須考慮與樹脂一起使用的抗菌劑的相容性，因此通常需要添加偶聯劑，以及對抗菌劑進行預處理。而制備完成的納米金屬材料會在樹脂表面形成具有抗菌能力的表面層，然后通過與物體接觸而發揮殺菌作用。如常放置食物的冰箱盛物臺、塑料外殼和洗衣機滾筒等，并已經有相應的產品以此為賣點進行大面積推廣[9]。

3 仿生納米結構

自2006年以來，研究人員一直致力于通過材料表面的物理形貌而非化學機理來消除細菌。研究表明，物體的表面形貌和粗糙度對細菌附著有著很大的影響，其主要原因是影響其對細菌生物膜的形成[10]。而決定細菌在物體外表面附著的因素主要有疏水性、靜電相互作用、范德華力和位阻等常見物理特性。細菌細胞壁與表面紋理相互作用時會導致細胞壁拉伸并變形，如果拉伸的力足夠大，則會導致細胞破裂、死亡。納米和微米結構極大地增加了接觸粘合面積，比平坦表面有更有效的殺菌性能。因此，物體表面的殺菌效率與微結構的高度、半徑和間距等參數密切相關。

研究工作者已經嘗試復制天然存在的動植物如蟬和蜻蜓的翅膀、荷葉和鯊魚皮表面的納米結構紋理以達到抗菌的效果。蟬和蜻蜓的翅膀的外表面由于存在納米級的柱狀結構從而對大腸桿菌等細菌能起到一定的阻礙作用，而荷葉表面存在的納米和微米級分層結構則起到了超疏水和自清潔的作用，從而影響細菌生物膜的合成[11-12]。壁虎的皮膚上的納米尺度的刺突結構對軟壁菌有殺傷作用，能夠特異性的對革蘭氏陰性菌起到抗菌效果，而有效的保護人類真核細胞[13]。這些微納結構及其各種物理性質的發現使得人們可以模仿這些自然存在的表面結構以在應用中重現其抗菌效果。

由于仿生納米結構不用改變材料本身，可以直接應用在傳統家電材料中，無需其他復雜的加工條件與安全測試，可以節約較多的研發成本。但是同樣的，其需要在外表面實現較為復雜的微納結構，并且需要一定的復制精度。這導致在成本可控的情況下僅僅只有硅膠、塑料等少部分材料能夠適用。但是仍具有一定的推廣價值，如可直接改造傳統的冰箱門硅膠密封條與塑料把手等高頻接觸的部件。

4 基于光催化的納米材料

光催化的納米材料主要以納米TiO2為主，以銳鈦礦、金紅石和板鈦礦為三種主要的晶相結構。經過長時間的研究發現，銳鈦礦型TiO2被認為是光敏性最強的晶形，有著較為廣泛的應用[14]。其原理主要為當光照射二氧化鈦，使其能量達到二氧化鈦的禁帶寬度時，就會激發電子躍，形成電子-空穴對，電子-空穴對與周圍水分子和氧氣分子發生作用，生成具有強氧化性的羥基自由基和超氧離子自由基，可以侵蝕各種生物分子并損害其正常功能，達到抑制細胞呼吸，改變細菌細胞通透性和分解細胞壁等效果[15-16]。

現如今工業上光催化納米抗菌材料以抗菌陶瓷為主[17]，同樣也可以大規模應用在家用電器中，通過在燒結后的陶瓷制品上涂覆二氧化鈦膜，然后以較低的溫度燒結，可以達到光催化抗菌作用的效果，從而抑制細菌在陶瓷表面擴散[18]。可以通過在消毒柜或者凈水器中大量使用陶瓷材料從而增強紫外線殺菌的效果[19]。

圖1 光觸媒抗菌示意圖

5 結論

家用電器作為一個高頻使用設備，如果不定期進行清潔和維護，常常會導致細菌的滋生，污染食物與水源，容易對使用者的身體健康造成一定的影響。因此，需要定時對家電進行擦拭和消毒，否則會堆積污垢。適當的應用納米抗菌材料，可以有效的降低細菌的數量。在常與食物、衣物、水源接觸之處使用抗菌材料是十分有必要的。以冰箱為例，在承物架內混入金屬納米顆粒，在冰箱門硅膠封條處使用仿生抗菌微結構，在可以接觸到光照的冰箱外殼上涂覆二氧化鈦納米涂層，增強抗菌效果。因此，深入的分析并研究納米抗菌設計，能延長電器的使用壽命，提高使用者的生活品質。此外，納米抗菌無材料可廣泛應用在母嬰產品、醫療衛生用品、空氣過濾等領域，為嬰童、女性、成人群體營造安全舒適的衛生環境。