水性聚氨酯(WPU)由于其挥发性有机化合物(VOC)含量低，并且具有与常规溶剂型聚氨酯相同的耐磨性、耐油性、耐低温性和良好的附着力，因此广泛应用于涂料、胶黏剂、整理剂等众多领域^[1-3]。但WPU大多具有线性结构，与溶剂型聚氨酯相比，较弱的力学性能及热稳定性能限制了其应用范围。目前，除了将淀粉、甲壳素和壳聚糖^[4-6]等生物质材料及有机硅、有机氟、丙烯酸酯等^[7-9]有机高分子材料直接作为原料或接枝于聚氨酯分子中来改性WPU以提升其性能外，还可以考虑将SiO₂、纳米蒙脱土、石墨烯、ZnO等无机纳米粒子^[10-12]引入WPU中，同样可制得强力学性能、耐水及耐腐蚀性能优异的复合材料，并广泛用于涂料、木器、化工防腐等领域。

纳米ZnO是一种廉价的多功能材料，其具备良好的化学稳定性、抗紫外老化、光催化、生物相容性及抗菌等诸多性能，常作为无机填料加入聚合物基体中得到性能良好的复合材料^[13-15]。将ZnO引入聚氨酯中可以改善复合膜的力学性能^[16]、热稳定性、抗紫外老化性能^[17]、耐腐蚀性^[18]，还能赋予复合膜抗菌性能，扩大其应用范围^[19-21]。细菌纤维素(BC)是以木醋杆菌为代表的微生物产生的由β-1，4糖苷键和D-吡喃葡萄糖单体相连的线性多糖。BC因具有独特的纳米多孔三维网络结构和高比表面积可作为合成纳米ZnO的模板或基质^[22-24]。目前，通常是将BC膜浸入含有Zn²⁺的溶液里，使用碱性材料沉淀并进一步加热来得到负载纳米ZnO的BC基复合膜^[25-27]。该浸渍方法因高结晶度阻碍Zn²⁺向结晶区的渗透而很难在纤维素表面上组装ZnO，且得到的ZnO多为颗粒状^[28-29]，因此会限制复合物的进一步应用。本文采用水热合成法，以BC为模板，得到负载于纤丝上的新型ZnO刷状结构，在一定程度上解决了纳米ZnO因表面能高而导致的易发团聚问题。在此基础上，将其引入WPU中，探究所获得的细菌纤维素-ZnO/水性聚氨酯(BC-ZnO/WPU)复合材料的力学性能、热稳定性、耐水性及抗菌性能。

1.   实验材料及方法

1.1   原材料

木葡糖酸醋杆菌(CGMCC No. 2955)；蛋白胨、酵母浸粉，均为生物试剂，北京奥博星生物技术有限责任公司；葡萄糖、磷酸氢二钠、NaOH、硫酸锌(ZnSO₄·7H₂O)、尿素(CH₄N₂O)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、三乙胺(TEA)，均为分析纯，天津市大茂化学试剂厂；异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI)，分析纯，济宁恒泰化工有限公司；聚酯多元醇，工业级，青岛新宇田化工有限公司；2,2-二羟甲基丙酸(DMPA)，上海笛柏生物科技有限公司；乙二胺(EDA)，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；丙酮，分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司；蒸馏水，实验室自制。

1.2   BC浆液的制备

按常规方式制备。简单来说，配制含有磷酸氢二钠，酵母粉，蛋白胨和葡萄糖组成的无菌营养培养基，调整pH为6.0。接种木葡糖酸醋杆菌后，倒入培养皿中，于恒温恒湿箱内(30℃，50%)培养一周形成一定厚度的BC膜。用NaOH溶液处理，蒸馏水多次洗涤得到中性的BC薄膜。通过均质机将其打成BC浆液(固含量为0.394%)，待用。

1.3   BC-ZnO复合颗粒的制备

将BC浆液与0.5 mol/L尿素、1.5 mol/L NaOH溶液在低温下混合，制得均匀的溶胶，然后与0.1 mol/L ZnSO₄溶液混合搅拌。最后将混合溶液移入到反应釜中，升温到150℃保持3 h，反应结束得到白色沉淀物。将沉淀物进行抽滤、洗涤、干燥，最终得到白色的BC-ZnO复合颗粒。

1.4   BC-ZnO/WPU复合薄膜的制备

原料预处理：将固体药品放在真空干燥箱内80℃抽真空干燥4~6 h；液体试剂提前两周用分子筛浸泡。

将已经脱水处理的聚酯多元醇放入四口烧瓶里，再加入计量好的IPDI，在N₂保护下80℃反应1 h，加入DMPA继续反应2.5 h，得到预聚体；停止加热，使预聚体自然降温至50℃，加入丙酮降黏，同时加入TEA中和成盐，继续反应0.5 h。称取一定量的BC-ZnO(分别占乳液固体质量的0wt%、0.3wt%、0.6wt%、0.8wt%、1.0wt%、1.3wt%)水分散液缓慢加入到反应体系中，并加入EDA，升温至70℃反应1 h。旋蒸除去丙酮，待气泡消失，得到含有BC-ZnO复合颗粒的WPU乳液。

将得到的乳液放入真空干燥箱内，抽真空除去气泡。取一定质量的乳液置于聚四氟乙烯板上，50℃下干燥成膜，得到厚度约为0.5 mm的BC-ZnO/WPU复合薄膜。

1.5   结构表征

采用日本岛津公司的X射线衍射仪(XRD-6100，Cu Kα辐射，扫描速度为5°/min，范围为10°~80°)表征BC-ZnO复合颗粒的晶体结构；采用美国FEI公司的场发射扫描电子显微镜(FEI-Apreo)和透射电子显微镜(Tecnai F20)表征复合颗粒的微观形貌并采用场发射电子显微镜附带的EDS表征颗粒的元素组成；低温下制备的BC溶胶的形貌使用日本OLYMPUS公司的DP-7型偏光显微镜观察；采用上海昊扩科技发展有限公司的NICOLET6700型傅里叶变换衰减全反射红外光谱仪(ATR-FTIR)测试薄膜组成特征，使用空气作为样品测量背景进行采集，其波数范围为500~4 000 cm⁻¹；采用日本日立公司的扫描电子显微镜(SEM SU1510)观察薄膜断面的微观形貌。

1.6   性能测试

1.6.1   热稳定性能测试

采用Netzsch公司的STA 449F5型热重分析仪测试复合颗粒中BC的含量及BC-ZnO/WPU复合薄膜的热稳定性，升温速率为10℃/min，N₂氛围。

1.6.2   力学性能测试

按照GB/T 1040.3—2006^[30]标准将复合膜裁成标准的哑铃形样条, 常温下使用深圳新三思材料检测有限公司的微机控制电子万能试验机(CMT4503)测试其拉伸强度σ(MPa)及断裂伸长率ε(%)，拉伸速率为50 mm/min。

1.6.3   吸水率测试

将尺寸为3 cm×3 cm×0.5 mm的薄膜，置于60℃干燥箱中保持5 h，测其初始质量为m₀，然后将膜放入蒸馏水中浸泡24 h，取出用滤纸将表面水份吸干，测得其质量为m₁。

吸水率(W) 可表示为

1.6.4   抗菌实验

采用平板菌落计数法对复合薄膜的抗菌性进行测试。

从LB固体琼脂平板上挑金黄色葡萄球菌(ATCC6538)和大肠杆菌(DH5α)单菌落接种于溶菌肉汤(lysogeny broth，LB)液体培养基中，培养过夜，收集细菌且用PBS缓冲液洗涤多次后，调整溶液光密度(optical density，OD)值为0.5。分别取50 mg薄膜(实验前均杀菌处理)加入到20 mL的菌悬液中，共培养5 h，取样稀释，最后取100 μL同一浓度稀释液涂布在磷酸缓冲盐溶液(phosphate buffer saline，PBS)琼脂平板上，37℃培养24 h。对菌落计数，计算抑菌率R。每次试验做三组平行：

其中：β₀为纯WPU膜的菌落数；β_s为含有BC-ZnO的复合膜样品的菌落数。

2.   结果与讨论

2.1   BC-ZnO复合颗粒的结构表征

图1为BC-ZnO复合颗粒的XRD图谱。样品在2θ为31.8°(100)、34.4°(002)、36.2°(101)、47.5°(102)、56.6°(110)、62.9°(103)、68.0°(112)处均有明显的衍射峰，并与纤锌矿ZnO(JCPDS card, No.99-0111)的标准衍射峰一致，同时在图谱中没有其他杂峰出现，说明制得的ZnO纯度较高；用EDS测定了BC-ZnO复合颗粒的元素组成，如图2所示，只检测到了Zn、O和C元素的存在。图1和图2的结果均表明了BC-ZnO复合颗粒的成功制备。

图  1  细菌纤维素(BC)-ZnO复合颗粒的XRD图谱

Figure  1.  XRD patterns of bacterial cellulose (BC)-ZnO composite particles

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图  2  BC-ZnO复合颗粒的EDS分析

Figure  2.  EDS spectrum analysis of BC-ZnO composite particles

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通过热重分析法得到了BC-ZnO复合颗粒中BC的含量。如图3所示，从室温到200℃，颗粒的失重率约为0.87%，这是由颗粒吸附的水分产生的。复合颗粒从250℃时开始热解，至700℃后质量基本保持不变，在这一过程中的质量损失都是BC分解造成的。这一阶段的质量损失约为19wt%，即可认为复合颗粒中BC模板的含量为19wt%。

图  3  BC-ZnO复合颗粒的热失重曲线

Figure  3.  TG curve of BC-ZnO composite particles

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2.2   BC-ZnO复合颗粒的微观形貌及形成机制

图4为不同反应时间BC-ZnO的FE-SEM图像。如图4(a)所示，白色的BC-ZnO复合颗粒形貌为新型的刷状结构，头部尺寸为1~3 μm，柄部尺寸为1~3 μm，形貌均一，没有团聚现象。在低温环境下，碱/尿素水溶液体系可以破坏BC分子间的氢键，分解其致密的网络结构，从而形成均匀的类溶胶体系，可以清晰地观察到如图5所示的纤丝凝胶聚集体。短时间反应得到的ZnO的头部刷状结构(图4(b))与BC纤丝聚集体的形貌高度一致，说明头部刷子的形成与溶液中的BC溶胶高度相关。从图6可以看出，头部刷状结构中的刷毛部分是沿着纤丝生长的，即以溶胶聚集体中的纤丝为模板长成刷状结构，完全复制了BC溶胶的形状，柄部在聚集体外生长，呈现棒状结构。随着反应时间的增加，如图4(b)~4(d)所示，ZnO柄部的棒状直径保持基本恒定，只在长度上产生变化，而头部刷状结构整体尺寸不断变大，刷毛不断变粗变长。两者同时生长，头部与柄部呈现自然过渡，但两者的生长速率不同，可能的原因是前期头部刷状的生长由于纤丝聚集体而受到限制。

图  4  不同反应时间BC-ZnO的FE-SEM图像

Figure  4.  FE-SEM images of BC-ZnO with different reaction times

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图  5  BC溶胶的POM图像

Figure  5.  POM image of BC sol

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图  6  BC-ZnO的TEM图像

Figure  6.  TEM image of the BC-ZnO

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BC-ZnO复合颗粒刷状结构的可能形成机制如图7所示。首先，ZnSO₄溶解在水中产生Zn²⁺，BC的三维网络结构被打开，暴露出的羟基为Zn²⁺提供活性位点，使Zn²⁺吸附在细丝上以进行预成核。同时，NaOH和尿素提供了碱性条件，使OH⁻与Zn²⁺反应生成可溶性的[Zn(OH)₄]²⁻作为晶体生长中心。随着反应温度的升高，[Zn(OH)₄]²⁻分解形成ZnO分子。高压釜产生的压力环境有助于ZnO颗粒的深层生长。以细丝为模板形成刷毛聚集体得到头部刷状结构，同在聚集体团簇表面生长出的柄部棒状结构组装在一起获得了最终刷状外形。

图  7  刷状BC-ZnO复合颗粒的合成示意图

Figure  7.  Schematic illustration of the synthesis of the brush-like BC-ZnO composite particles

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2.3   WPU与BC-ZnO/WPU薄膜的结构表征

图8为WPU与BC-ZnO/WPU的FTIR图谱。可以看出，3 340 cm⁻¹处为—NHCOO—中N—H的伸缩振动峰，1 504 cm⁻¹处则为N—H的弯曲振动峰，1 732 cm⁻¹为C=O的伸缩振动峰，1 257 cm⁻¹处为C—N的伸缩振动峰，1 180 cm⁻¹处为C—O的伸缩振动，均可说明生成大量氨基甲酸酯键。2 952 cm⁻¹处出现了C—H的伸缩振动峰，可能为—CH₃、—CH₂的振动吸收峰，且2 270 cm⁻¹处附近无峰，说明—NCO基团完全反应无残留。比较WPU与BC-ZnO/WPU曲线发现，在3 340 cm⁻¹处的羟基吸收峰轻微偏移且变宽，是BC-ZnO复合颗粒中所含羟基产生的影响，另外由于复合颗粒加入量较少，ZnO的吸收峰没有体现。

图  8  水性聚氨酯(WPU)和BC-ZnO/WPU的FTIR图谱

Figure  8.  FTIR spectra of WPU and BC-ZnO/waterborne polyurethane (WPU)

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2.4   WPU和BC-ZnO/WPU薄膜的微观形貌

改性前后复合膜脆断后的断裂面SEM图像如图9所示。空白WPU薄膜断面粗糙，有大量的塑性形变；而含量为1.0wt%的BC-ZnO复合颗粒仍可以均匀分散于聚氨酯基体中，表明添加物与薄膜之间具有良好的界面相容性，同时截面光滑度上升，呈现更多的脆性断裂，说明薄膜的韧性下降。

图  9  WPU和BC-ZnO/WPU横断面SEM图像

Figure  9.  Cross-sectional SEM images of WPU and BC-ZnO/WPU

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2.5   BC-ZnO/WPU复合膜力学性能

图10为BC-ZnO含量对BC-ZnO/WPU复合膜力学性能的影响。可知，随着BC-ZnO复合颗粒含量的增加，复合膜的拉伸强度先增大后减小，当含量为1.0wt%时拉伸强度达到最高，从10.4 MPa 增大到19.2 MPa，而断裂伸长率逐渐减小。这主要是由于BC-ZnO颗粒分散良好，与聚氨酯分子相容性较好，使与基体之间的界面作用增强；此外，ZnO表面的部分—OH与—NCO反应增大了聚氨酯的交联密度，因此提高了膜的力学性能。同时，交联密度的增加必然会导致断裂伸长率的降低。但是当填充的粒子过多时，在聚合反应过程中颗粒聚集现象明显，易在基体中形成缺陷，在外力作用下导致复合膜在缺陷处先发生破坏，使其拉伸强度降低。

图  10  BC-ZnO含量对BC-ZnO/WPU复合膜力学性能的影响

Figure  10.  Effect of BC-ZnO content on the mechanical properties of BC-ZnO/WPU composite films

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2.6   BC-ZnO/WPU复合膜耐水性能

图11为不同BC-ZnO含量的BC-ZnO/WPU复合膜的吸水率。可知，空白WPU膜的吸水率为16.5%，在复合颗粒添加量逐渐增加的过程中，复合膜的吸水率不断降低，即复合材料的耐水性不断提高。当含量为1.3wt%时，复合材料膜的吸水率仅为4.9%，体现出较好的耐水性能。这是由于复合膜是通过原位聚合法得到的，在反应过程中，ZnO通过表面羟基与—NCO形成化学键从而形成致密的网络结构，复合膜交联密度增加，有利于阻止水分子向聚氨酯内部扩散、浸入，因此BC-ZnO的加入可降低WPU基体的吸水率，使复合材料的耐水性得到增强。

图  11  不同BC-ZnO含量的BC-ZnO/WPU复合膜的吸水率

Figure  11.  Water uptake of BC-ZnO/WPU composite films with different BC-ZnO contents

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2.7   BC-ZnO/WPU复合膜的热稳定性能

图12为空白WPU和BC-ZnO/WPU复合材料的热分解行为。所有材料表现出相似的热降解过程，说明复合颗粒的加入并没有影响复合材料的热分解趋势。但相比于纯WPU，随着复合颗粒含量的增加，在300℃之前，复合材料的热失重曲线逐渐向高温区移动。这是由于低于300℃时，BC-ZnO复合颗粒自身具有良好的热稳定性，能起到热绝缘体的作用，且基体中以复合颗粒为中心的网络结构限制分子链的运动，从而导致热降解的延迟，提高了热稳定性。当温度高于300℃时，ZnO在热激发的情况下形成活性催化作用点催化高分子链的断裂，加速了复合材料链段的热降解。

图  12  不同BC-ZnO含量的BC-ZnO/WPU复合膜的热分解曲线

Figure  12.  TG curves of BC-ZnO/WPU composite films with different BC-ZnO contents

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2.8   BC-ZnO/WPU复合膜抗菌性能

复合薄膜对金黄色葡萄球菌(S.aureus)和大肠杆菌(E.coli)的抗菌效果如图13所示。随着BC-ZnO复合颗粒含量的增加，菌落的存活率越来越低，复合材料的抗菌率越来越好。当含量为1.3wt%，对金黄色葡萄球菌的抗菌率超过99%，对大肠杆菌的抗菌率超过85%，说明相比于大肠杆菌复合材料对金黄色葡萄球菌表现出更好的抗菌活性。该实验结果与先前报道^[31]的相似。其抗菌效果的差异性可能是由于微生物细胞壁结构性质不同引起的。金黄色葡萄球菌属于革兰氏阳性细菌，其细胞壁由多层肽聚糖组成，具有许多孔，使它们更易于接受引起细胞破坏的物种。相比之下，大肠杆菌属于革兰氏阴性细菌，细胞壁相对较薄但组成较复杂，由肽聚糖、磷脂、脂多糖和脂蛋白组成，使其较不易接受反应性物质。

图  13  BC-ZnO/WPU复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌作用

Figure  13.  Antibacterial effect of BC-ZnO/WPU composite films against E.coli and S.aureus

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3.   结 论

(1)通过水热法制备了细菌纤维素-ZnO(BC-ZnO)复合颗粒，BC纤丝被包裹在ZnO中，自组装成新型刷状结构，总体尺寸为3~5 μm，其中BC含量约为19wt%。

(2)将BC-ZnO复合颗粒引入到水性聚氨酯(WPU)中，提高了WPU薄膜的拉伸强度，当复合颗粒含量为1.0wt%时，薄膜的拉伸强度最大，达到19.2 MPa，与纯WPU相比，提升84.6%。

(3)当BC-ZnO含量从0wt%增加至1.3wt%时，复合膜吸水率从16.5%降到4.9%。表明BC-ZnO的引入可以提升WPU薄膜的耐水性。

(4) BC-ZnO/WPU复合膜的起始分解温度随着BC-ZnO含量的增加向高温区移动，表明薄膜初始热稳定性有所提高。

(5) BC-ZnO的引入使WPU薄膜表现出一定的抗菌作用，在相同浓度下对金黄色葡萄球菌的抗菌效果优于大肠杆菌。