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改性碱式次氯酸镁/聚乙烯醇抗菌复合膜的制备及性能

包赞娟, 赖登旺, 庞景明, 李玉华, 刘跃军, 刘国钧, 杨军, 王进

包赞娟, 赖登旺, 庞景明, 等. 改性碱式次氯酸镁/聚乙烯醇抗菌复合膜的制备及性能[J]. 复合材料学报, 2022, 39(4): 1715-1724. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210629.001
引用本文: 包赞娟, 赖登旺, 庞景明, 等. 改性碱式次氯酸镁/聚乙烯醇抗菌复合膜的制备及性能[J]. 复合材料学报, 2022, 39(4): 1715-1724. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210629.001
BAO Zanjuan, LAI Dengwang, PANG Jingming, et al. Preparation and properties of modified basic magnesium hypochlorite/ polyvinyl alcohol antibacterial composite film[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2022, 39(4): 1715-1724. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210629.001
Citation: BAO Zanjuan, LAI Dengwang, PANG Jingming, et al. Preparation and properties of modified basic magnesium hypochlorite/ polyvinyl alcohol antibacterial composite film[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2022, 39(4): 1715-1724. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20210629.001

改性碱式次氯酸镁/聚乙烯醇抗菌复合膜的制备及性能

基金项目: 湖南省教育厅科学研究项目(20C0585);湖南省自然科学基金青年基金(2019JJ50117)
详细信息
    通讯作者:

    赖登旺,博士,讲师,硕士生导师,研究方向为聚合物基纳米复合材料 E-mail:laidengwang@hut.edu.cn

  • 中图分类号: TB332

Preparation and properties of modified basic magnesium hypochlorite/ polyvinyl alcohol antibacterial composite film

  • 摘要: 为解决食品、药品等易被细菌污染及其包装造成环境污染问题,通过γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)表面改性碱式次氯酸镁(BMH),并将其与聚乙烯醇(PVA)进行复合,制备改性碱式次氯酸镁/聚乙烯醇抗菌复合膜(改性BMH/PVA抗菌复合膜)。通过SEM、接触角分析、抑菌圈实验和FTIR,证明了BMH的有机改性的有效性。通过调节pH值能够保持改性BMH在PVA中的抗菌性能(抗菌率接近100%)。有机改性BMH含量为3wt%时,改性BMH/PVA抗菌复合膜的断裂伸长率提高了25%,不仅使PVA膜具有抗菌性能,还提高了其韧性。结果表明改性BMH/PVA抗菌复合膜是一种有应用前景的抗菌、可降解材料。
    Abstract: To solve the problem of food and medicine being easily contaminated by bacteria and its packaging causes environmental pollution problems, γ-aminopropyltriethoxysilane (KH-550) was used to modify the basic magnesium hypochlorite (BMH), and was compounded with polyvinyl alcohol (PVA) to obtain modified basic magnesium hypochlorite/polyvinyl alcohol composite membrane (modified BMH/PVA composite membrane). SEM, contact angle analysis, bacteriostatic zone experiment and FTIR have proved the effectiveness of organic modification of BMH. The antibacterial performance of modified BMH in PVA can be maintained by adjusting the pH value (The antibacterial rate is close to 100%). And when the content of organically modified BMH is 3wt%, the elongation at break of the modified BMH/PVA antibacterial composite film is increased by 25%, which not only makes the PVA film have antibacterial properties, but also improves its toughness. The conclusions indicate that the modified BMH/PVA antibacterial composite film is a promising antibacterial film material.
  • 随着石化资源的枯竭和人们对环境保护的日渐重视,开发和推广可持续发展的绿色材料来代替传统石油基材料势在必行[1]。聚乙烯醇(PVA)可以由非石油路线大规模生产,是无毒、可降解且价格低廉的绿色大分子材料[2-4],且PVA膜具有阻隔氧气、外观透明、水溶性、耐油性、生物降解性等特点[5-8],但纯PVA膜不具备抗菌功能[9],在一定程度上限制了它在食品包装、生物医学等领域的应用[10-12]。为了解决该问题,彭利辉等[13]将碱式次氯酸镁(BMH)和PVA-1799共混,制成了抗菌可降解PVA膜。

    其中,抗菌剂BMH是一种无毒、无刺激性且低成本,难溶于水,不吸湿的白色粉末,化学稳定性较强,在空气中甚至在中性及碱性溶液中加热也不分解。遇无机酸类则分解生成新生态氧,具有极好的消毒、杀菌能力[14-16],是制备抗菌材料的理想填充材料。

    但是,无机填料BMH与聚合物PVA-1788难相容,混合时易出现团聚和界面相容性差[17-18]及在酸性PVA-1788(pH=5.5±0.2)中会快速分解而使抗菌效果失效等问题。因此,本研究在制备BMH/PVA抗菌复合材料时,先用γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)对BMH进行表面修饰后,将酸性PVA-1788的pH调节至碱性(适合大肠杆菌和金黄色葡萄球菌生长的碱性环境)[19-20];最终实验制备了一种改性BMH/PVA复合材料,且研究了改性BMH添加量对PVA复合膜抗菌性能、热稳定性、力学性能的影响。

    聚乙烯醇(PVA,1788型),无锡市亚泰联合化工有限公司;碱式次氯酸镁(BMH,分析纯),武汉兴众城科技有限公司;γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550,分析纯),上海麦克林生化科技有限公司;LB肉汤,北京陆桥技术股份有限公司;琼脂粉,北京奥博星生物技术有限责任公司;大肠杆菌(E.coli)、金黄色葡萄球菌(S.aureus):上海鲁微科技有限公司。

    称取0.3 g的BMH和150 g的去离子水至三口烧瓶中,将三口烧瓶放入油浴锅中加热到30℃后,将0.05 g的KH-550缓慢加入到三口烧瓶中,升温至50℃,搅拌2 h后终止反应。静置24 h后,倒掉上层溶液,并用去离子水多次洗涤,取下层白色沉淀。

    在油浴锅中放置好烧瓶,在烧瓶中加入200 mL水,将转速调到35 r/min,再加入PVA,在60℃条件下加热20 min,再将温度调到94℃加热0.5 h,待PVA完全溶解后将转速调到15 r/min,继续搅拌加热2 h后等PVA溶液中水分大量蒸发,溶液变黏稠,将温度降至80℃后,调节pH值至碱性后,停止加热。待温度冷却至25℃加入改性好的BMH,充分搅拌后,静置脱泡20 h后,利用自动刮膜机对溶液进行刮膜,室温下于通风橱中挥发溶剂48 h,得到改性BMH/PVA抗菌复合膜。不同膜的质量配比如表1所示。

    表  1  不同质量分数的改性碱式次氯酸镁/聚乙烯醇(BMH/PVA)抗菌复合膜
    Table  1.  Modified basic magnesium hypochlorite/polyvinyl alcohol composite membrane (BMH/PVA) antibacterial composite films with different mass fractions
    Sample
    Mass fraction/wt%
    PVABMH
    0wt%BMH/PVA 100.0 0
    1.5wt%BMH/PVA 98.5 1.5
    3wt%BMH/PVA 97.0 3.0
    4.5wt%BMH/PVA 95.5 4.5
    6wt%BMH/PVA 94.0 6.0
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    SEM测试:采用SEM-6380LV型(日本电子株式会社),分别取改性和未改性的BMH于乙醇中超声分散,再滴到导电胶上,自然干燥后观察其形貌。将PVA膜在液氮中低温脆断,贴在导电胶上进行断面形貌表征。

    接触角测试:采用OCA20型接触角测试仪(法国DIG公司),将改性和未改性的BMH制备成致密圆片,以蒸馏水为介质,用接触角测试仪测定。

    抑菌圈测试:先配置浓度为0.5 g/mL的BMH溶液,将直径为6 mm的滤纸片放入其中后,超声分散。然后分别吸取100 µL的金黄色葡萄球菌或大肠杆菌菌液均匀涂抹于琼脂营养培养基的表面,再把BMH滤纸片分别放置在培养基上,最后将该培养基放入32℃恒温箱培养14~16 h。重复测量抑菌圈直径,取平均值。

    光学性能测试:采用紫外可见分光光度计( UV-2500 型,岛津公司)测试纯PVA膜及改性BMH/PVA膜的透光率,检测波长设为200~800 nm,高速扫描,采样间隔为2.0 nm。

    FTIR表征:傅里叶变换红外光谱仪(Nicole380型,美国Nicolet公司),分别取少量纯PVA膜和改性BMH/PVA膜,采用傅里叶变换红外光谱仪对其进行表征,扫描范围4 000~750 cm−1

    复合膜的抗菌率的测定[21-22]:样品:称取0.3 g改性BMH/PVA复合膜溶解于10 mL的生理盐水中,均匀混合,在121℃的高压蒸汽灭菌锅中灭菌30 min;空白:称取0.3 g纯PVA膜溶解于10 mL的生理盐水中,均匀混合,121℃的高压蒸汽灭菌锅(MLS-3781L-PC 型,松下健康医疗器械株式协会)中灭菌30 min;取活化后的菌液20 µL于40 mL液体培养基中,在摇床上培养14 h后,取1 mL菌液加入到样品和空白溶液(浓度约为108 cfu/mL)后,在恒温摇床中培养2 h。将培养后的样品和空白溶液稀释3个不同梯度(菌液浓度分别约为105、104和103 cfu/mL)后,再从3个稀释度中取100 µL滴加于固体培养基的平板中,并用涂布棒涂均匀,涂干至固体培养基没有水分,每个稀释梯度做3个平行组。把平板倒置放在32℃恒温培养箱(LRH-250A 型,韶关市泰宏医疗器械有限公司)中,培养16~18 h,取稀释到菌液浓度约为104的平板上菌落数进行计数,抗菌率计算如下式所示:

    R=ABA×100% (1)

    其中:A为空白样的细菌数;B为样品的细菌数。

    TGA测试:采用TG209C型热重分析仪(德国耐驰仪器制造有限公司),2~5 mg样品,在N2氛围下以20℃/min的升温速率将样品由25℃加热至600℃。

    力学性能测试:按照GB/T 1040.3—2006[23]测试膜的力学性能。在温度为23℃、相对湿度为50%时,用冲压机(ST-1025 型,易仕特公司)制备哑铃状的标准样条,夹具间初始距离为20 mm,拉伸速率为50 mm/min。每个样品做至少5组平行样,取其算数平均值。

    通过利用KH-550的乙氧基水解后,与无机抗菌剂BMH表面结合。图1(a)图1(b)分别为改性前和改性后的BMH的SEM图像。图2(a)图2(b)分别为改性前和改性后的BMH的接触角。改性后的BMH粒径更小,接触角大小为66°;而未经改性的BMH片,一旦水滴接触BMH片表面就立即渗入片内。说明改性后的BMH较改性前的BMH具有一定的疏水性。这是由于BMH本身微溶于水,不吸湿,水滴很容易被粉体的层间缝隙虹吸,导致接触角很小。而用KH-550改性后,BMH表面被有机化,从而提高了其疏水性,接触角增大。但KH-550水解后一端是3个羟基一端是氨基,因此本身具有一定的亲水性,因此接触角没有达到120°以上的油性效果。但改变了BMH的表面特性,使其较好地和亲水性的PVA复合。

    图  1  改性后BMH的SEM图像
    Figure  1.  SEM images of BMH before and after modified
    图  2  改性前后BMH的水接触角
    Figure  2.  Water contact angles of BMH before and after modified

    通过抑菌圈实验证明了改性前后的BMH的抑菌效果,如图3(a)图3(b)分别是E.coliS.aureus的空白对照组;图3(c)图3(d)分别是改性前BMH对E.coliS.aureus的抑菌圈为10 mm和11.5 mm;图3(e)图3(f)分别是改性后BMH对E.coliS.aureus的抑菌圈为9 mm和11 mm。

    图  3  改性前后BMH的抗菌效果
    Figure  3.  Antibacterial effect of BMH before and after modified

    从实验结果可以看出,改性后的BMH的抑菌圈略有下降,这可能是KH-550亲无机基团吸附于BMH表面,从而导致BMH部分表面不能直接与E.coliS.aureus接触引起的。然而,改性后BMH的抗菌效果依然很好,因此可将改性后的BMH应用于PVA膜,不仅使其均匀分散在PVA中提高力学性能,还能使PVA薄膜具有优异的抑菌效果。

    图4(a)~4(c)分别是纯PVA膜、改性前BMH/PVA膜和改性后BMH/PVA膜在液氮中脆断后的断面SEM图像。纯PVA膜断面光滑,对比没有改性的BMH在PVA薄膜中,可以很明显地看出改性前BMH/PVA膜出现大颗粒团聚沉积到下表面的现象。而经改性后的BMH,在抗菌PVA膜中没有发生团聚现象,而且分散也较均匀。这可能是由于BMH经过KH-550的改性,粒子外面包覆一层有机基团,使粒子间与PVA树脂容易相容。结合图4(d)改性后BMH/PVA膜的能谱图,能谱图中出现Si、Cl和Mg等元素,很好地佐证了抗菌膜中含有BMH和KH-550。

    图  4  BMH/PVA复合膜脆断面的SEM图像和能谱图
    Figure  4.  SEM images and energy images brittle fracture surface of BMH/PVA composite films before and after modified

    图5纯PVA膜和改性BMH/PVA抗菌复合膜的FTIR图谱。2条FTIR图谱在3320 cm−1处都有O—H的伸缩振动、2940 cm−1处亚甲基碳氢的伸缩振动和1430 cm−1处C—H的弯曲振动,这些都是PVA的特征峰。在改性BMH/PVA抗菌复合膜曲线上,1560 cm−1处出现了N—H的弯曲振动,这是由于KH-550加入到体系中进行改性带来的;3320 cm−1处伸缩振动增强为BMH上O—H与KH-550的NH2的分子间氢键,表明KH-550吸附于BMH表面。在纯PVA膜曲线上的1100 cm−1处是PVA上的C—O的伸缩振动,由于KH-550醇解后的羟基与PVA上的羟基进行了缩合产生的Si—O—C的伸缩振动,使改性BMH/PVA抗菌复合膜的曲线上该处的吸收峰偏移至1090 cm−1并得到加强。这说明利用KH-550使BMH很好地融合于PVA基体中。

    图  5  纯PVA和改性后BMH/PVA的FTIR图谱
    Figure  5.  FTIR spectra of pure PVA and modified BMH/PVA

    将改性BMH加入到调节pH前的酸性PVA溶液,刚加入时呈现白色,2~3天后逐渐变成透明,如图6(a)所示,可能是酸性PVA溶液中的酸导致BMH的分解[14],从而引起BMH/PVA溶液由白色变成透明色;而图6(b)为调节pH后的碱性BMH/PVA溶液,从刚加入及3个月后仍然呈现白色。

    图  6  酸性BMH/PVA溶液和碱性BMH/PVA溶液
    Figure  6.  Acidic BMH/PVA solution and alkaline BMH/PVA solution

    图7为不同改性BMH质量分数的改性BMH/PVA复合膜的透光率。也可以佐证上述现象,酸性BMH/PVA膜在波长为400~800 nm区间的透光率为89%以上,而碱性BMH/PVA膜的透光率为12%~19%。

    图  7  不同BMH质量分数的改性BMH/PVA复合膜的透光率
    Figure  7.  UV-Vis light of modified BMH/PVA composites films with different mass fractions of BMH

    为了验证BMH是否在酸性PVA溶液中分解以及在调节pH后的碱性PVA中的稳定存在,实验采用抗菌率的方法。

    图8(a)~8(c)分别为酸性纯PVA、BMH添加量为1.5wt%的透明色酸性BMH/PVA和BMH添加量为1.5wt%的白色酸性BMH/PVA对E.coli的抗菌效果;图8(d)~8(f)分别为酸性纯PVA、BMH添加量为1.5wt%的透明色酸性BMH/PVA和BMH添加量为1.5wt%的白色酸性BMH/PVA对S.aureus的抗菌效果。可知,BMH添加量为1.5wt%的透明色酸性BMH/PVA与酸性纯PVA上的菌落数几乎一样多,而BMH添加量为1.5wt%的白色酸性BMH/PVA没有菌落;说明酸性BMH/PVA由白色变成透明色,抗菌剂BMH分解失效,有关反应方程式如下所示:

    图  8  酸性BMH/PVA的抗菌效果图
    Figure  8.  Antibacterial effect diagrams of acidic BMH/PVA
    Mg2ClO(OH)3+H+MgCl2+HClO+H2O (2)
    HClOHCl+O(Activeoxygen) (3)

    图9(a)图9(b)分别为碱性纯PVA、BMH添加量为1.5wt%的碱性BMH/PVA对E.coli的抗菌效果;图9(c)图9(d)分别为碱性纯PVA、BMH添加量为1.5wt%的碱性BMH/PVA对S.aureus的抗菌效果。图10是碱性BMH/PVA对E.coliS.aureus的抑菌率曲线。可知,未添加BMH的碱性PVA对E.coliS.aureus没有抗菌效果;BMH添加量为1.5wt%的碱性PVA,其琼脂板上没有菌落及抗菌率接近100%,证明了BMH在碱性PVA中稳定存在和抗菌的长效性。

    图  9  碱性BMH/PVA的抗菌效果图
    Figure  9.  Diagrams of the antibacterial effect of alkaline BMH/PVA
    图  10  不同BMH质量分数的改性BMH/PVA复合膜抗菌效果曲线
    Figure  10.  Antibacterial effect curves of modified BMH/PVA composite films with different mass fractions of BMH

    图11是纯PVA膜和改性后BMH/PVA膜的热稳定性。可以看出,纯PVA膜和改性后BMH/PVA膜在100℃之前都有质量损失,这是由于PVA具有较好的亲水性,该温度下质量损失是PVA膜中水分蒸发引起的[24]。当温度达到230℃后,改性后BMH/PVA膜开始分解,可能主要是KH-550在此温度开始分解,由于BMH热分解温度在300℃以上[14-15],而且纯PVA膜也是250℃才开始分解。在整个热分解过程中,改性后BMH/PVA膜质量损失小于纯PVA膜质量损失,改性后BMH/PVA膜比纯PVA膜热稳定有所提高,在日常温度下使用是稳定的。

    图  11  纯PVA和改性后BMH/PVA的TG曲线
    Figure  11.  TG curves of pure PVA and after modified BMH/PVA

    图12图13分别是改性后的BMH添加量对PVA膜的拉伸强度和断裂伸长率的影响。可以看出,随着改性后BMH添加量的增加,其拉伸强度逐渐下降,其断裂伸长率先增大后减小,并在添加量为3wt%时,断裂伸长率达到最大值,相对于纯PVA膜,提高了25%。这可能是由于改性后BMH在添加量小于等于3%时,能够均匀分布在基体PVA中,其较大的比表面积使其与基体PVA紧密结合,在一定程度上起到了增韧的效果;当改性后BMH在添加量大于3wt%时,由于其自身极高的表面能,相互吸附作用增强,导致出现团聚现象,从而影响了PVA膜的力学性能。

    图  12  不同BMH质量分数的改性BMH/PVA复合膜的拉伸强度
    Figure  12.  Tensile strength of modified BMH/PVA composite films with different mass fractions of BMH
    图  13  不同BMH质量分数的改性BMH/PVA复合膜的断裂伸长率
    Figure  13.  Elongation at break of modified BMH/PVA composite films with different mass fractions of BMH

    (1) 采用硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)对碱式次氯酸镁(BMH)进行改性,由亲水性的BMH改性成接触角大小为66°的能和聚乙烯醇(PVA)很好相容的BMH;改性后的BMH不但对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌保持很优的抗菌性,而且在PVA中分散均匀。

    (2) 通过调节pH值,保持了BMH在PVA中的稳定性,当改性后BMH添加量为1.5wt%时,碱性BMH/PVA膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率接近100%。

    (3) 改性后的BMH按不同添加量添加到PVA中,对热稳定性和拉伸强度的影响很小,并且当质量分数小于等于3wt%时,对PVA起到了增韧的效果。

    (4) 所制得的改性BMH/PVA抗菌复合膜具有良好的抗菌性能、热稳定性及力学性能,可以满足部分食品、药品、一次性卫生用品等包装性能的性能要求,且在探索抗菌可降解PVA作为未来商品包装、可降解地膜、一次性卫生制品等方面具有应用前景。

  • 图  1   改性后BMH的SEM图像

    Figure  1.   SEM images of BMH before and after modified

    图  2   改性前后BMH的水接触角

    Figure  2.   Water contact angles of BMH before and after modified

    图  3   改性前后BMH的抗菌效果

    Figure  3.   Antibacterial effect of BMH before and after modified

    图  4   BMH/PVA复合膜脆断面的SEM图像和能谱图

    Figure  4.   SEM images and energy images brittle fracture surface of BMH/PVA composite films before and after modified

    图  5   纯PVA和改性后BMH/PVA的FTIR图谱

    Figure  5.   FTIR spectra of pure PVA and modified BMH/PVA

    图  6   酸性BMH/PVA溶液和碱性BMH/PVA溶液

    Figure  6.   Acidic BMH/PVA solution and alkaline BMH/PVA solution

    图  7   不同BMH质量分数的改性BMH/PVA复合膜的透光率

    Figure  7.   UV-Vis light of modified BMH/PVA composites films with different mass fractions of BMH

    图  8   酸性BMH/PVA的抗菌效果图

    Figure  8.   Antibacterial effect diagrams of acidic BMH/PVA

    图  9   碱性BMH/PVA的抗菌效果图

    Figure  9.   Diagrams of the antibacterial effect of alkaline BMH/PVA

    图  10   不同BMH质量分数的改性BMH/PVA复合膜抗菌效果曲线

    Figure  10.   Antibacterial effect curves of modified BMH/PVA composite films with different mass fractions of BMH

    图  11   纯PVA和改性后BMH/PVA的TG曲线

    Figure  11.   TG curves of pure PVA and after modified BMH/PVA

    图  12   不同BMH质量分数的改性BMH/PVA复合膜的拉伸强度

    Figure  12.   Tensile strength of modified BMH/PVA composite films with different mass fractions of BMH

    图  13   不同BMH质量分数的改性BMH/PVA复合膜的断裂伸长率

    Figure  13.   Elongation at break of modified BMH/PVA composite films with different mass fractions of BMH

    表  1   不同质量分数的改性碱式次氯酸镁/聚乙烯醇(BMH/PVA)抗菌复合膜

    Table  1   Modified basic magnesium hypochlorite/polyvinyl alcohol composite membrane (BMH/PVA) antibacterial composite films with different mass fractions

    Sample
    Mass fraction/wt%
    PVABMH
    0wt%BMH/PVA 100.0 0
    1.5wt%BMH/PVA 98.5 1.5
    3wt%BMH/PVA 97.0 3.0
    4.5wt%BMH/PVA 95.5 4.5
    6wt%BMH/PVA 94.0 6.0
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-04-19
  • 修回日期:  2021-06-07
  • 录用日期:  2021-06-18
  • 网络出版日期:  2021-06-28
  • 刊出日期:  2022-03-31

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