納米抗菌玻璃技術的研究進展總結和展望

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　　1 引言

　　納米粒子因其尺寸變小，而具有許多新的特性。例如:表面與界面效應、尺寸效應、量子尺寸效應等。當任何材料用高科技手段被細化到納米量級時，該材料的物化性能就會發生巨大的變化，如:金屬（詞條“金屬”由行業大百科提供）為導體，但納米金屬微粒在低溫下的量子尺寸效應會導致絕緣性，納米無機殺菌劑具有極強的殺菌能力等。細菌、霉菌作為病原菌對人類和動植物有很大的危害，影響人們的健康，甚至危及生命。微生物還會引起各種工業材料、食品、化妝品、醫藥品等分解、變質、劣化、腐敗，帶來重大的經濟損失，因此，具有殺菌和抗菌效應的材料越來越受到人們的關注,同時人們也研制開發出了一系列的抗菌材料。抗菌(殺菌)玻璃（詞條“玻璃”由行業大百科提供）亦稱綠色玻璃，屬新材料科學與微生物學相結合的產物，是利用現代高科技材料抑制和殺死細菌，從而使傳統產品增添高新技術含量。納米抗菌玻璃由此產生，它既具有納米材料的新的特性，而且同時也具有殺菌效果。

　　2 納米抗菌玻璃的研究現狀

　　2.1 銀系抗菌材料的抗菌機理

　　銀系抗菌材料可以說是使用得最多的一種材料，其抗菌機理，目前有以下兩種觀點：

　　(1)Ag+接觸反應，認為Ag+通過接觸反應造成微生物活性成分破壞或產生阻礙。當微量Ag+到達微生物細胞膜時，因后者帶有負電荷，依靠庫侖引力，使二者牢固吸附，Ag+穿透細胞壁進入胞內，使蛋白質凝固，破壞細胞合成酶的活性，細胞喪失分裂增殖能力而死亡。同時，Ag+也能破壞微生物電子傳輸系統、呼吸系統、物質傳送系統。

　　(2)催化假說，認為物質表面分布的微量Ag+能起到催化活性中心的作用，銀激活空氣或水中的氧，產生羥基自由基(·OH)及活性氧離子(·O2-)。它們能破壞微生物細胞的增殖能力，抑制或殺滅細菌，以上兩種假說都有一定依據。

　　2.2 納米表面效應

　　納米ZnO 是新型抗菌劑，具有廣譜的殺菌抗菌效能、耐熱性高、安全性好、持續性好、價格便宜、使用方便，在殺菌除臭、預防疾病、美化環境方面日益受到人們的重視。其抗菌原理是由于超微細ZnO 粒度小、比表面積大，隨著顆粒細度的增加，顆粒的表面原子數增多，表面原子數與顆粒的總原子數之比值也增大，其表面能亦隨之迅速增加，于是便產生了“表面效應”;利用納米ZnO具有的奇特“表面效應”，它在與水和空氣的條件下，在陽光下尤其是在紫外線的照射下，能夠自行分解出自由移動的帶負電的電子(e)和帶正電的空穴(h+)，并發生下列化學反應：

　　H2O+h+→·OH+H-

　　O2+e→·O2-

　　生成的空穴可以激活空氣中的O2，生成的原子氧和·OH，它們有較強的化學活性，特別是原子氧能與多種有機物反應，同時能與細菌內的有機物反應，從而在短時間內能殺死細菌。

　　抗菌玻璃材料一般以磷酸鹽系或硼酸鹽系玻璃組成的。玻璃結構的模型是由網狀的離子群和修飾過的離子群構成的無機高分子化合物。由于玻璃本身結構和組成的原因以及可慢慢地連續發生變化的特性導致了其化學持久性不強。當某些溶媒(特別是水)存在時，很可能造成玻璃溶解。玻璃的不同部分其溶解速度也不同。從在溶劑中瞬間開始溶解到數小時以至數年才能溶解的都有。此外，玻璃有保持金屬以離子狀態穩定存在的特性。利用玻璃以上的兩個特性就可以得到緩釋型抗菌玻璃材料，也就是化學持久性較弱的玻璃與具有抗菌和防霉性能的離子化金屬，如銀、銅、鋅等相結合的材料。得到的抗菌玻璃材料在有水存在時會緩慢釋放Ag+等殺菌離子，它們可強烈吸引細菌機體中的酶蛋白的巰基，并迅速地結合在一起，并使以此為必要基的酶喪失活性，使細菌死亡。

　　緩釋型抗菌玻璃材料是通過玻璃的整體性溶解，使玻璃網絡中的銀、鋅等離子釋放出來，從而達到抗菌目的。與其他的抗菌劑相比，緩釋型抗菌玻璃材料具有以下幾個突出的特點：首先，玻璃的載銀、鋅、銅等離子的量能夠精確控制。其次，緩釋型玻璃材料釋放抗菌離子的速度能比較方便的調節。再次，能長期有效地保持抗菌離子的緩釋性能。緩釋型玻璃材料由于發生的是玻璃的整體性溶解，不產生常見抗菌材料在使用過程中容易受到吸附物質的干擾而導致抗菌離子緩釋性能下降的現象，有效保持抗菌離子的緩釋性能。

　　抗菌玻璃是一種新近研究開發的功能性玻璃，它在保持其原有使用功能和裝飾效果的同時，又增加了消毒、殺菌的功能，隨著人們對生活質量和環境意識的重視，其應用領域和產銷市場也將日益擴大，研制開發抗菌廣譜性好、殺菌率高而價格低的抗菌玻璃將是其產業化的關鍵所在。

　　3 納米抗菌玻璃的應用現狀

　　目前，許多研發人員正在努力研究改善載銀抗菌劑及其制品的變色問題。例如日木住友公司的研究人員在Ag2O-Na2O-B2O3-SiO2 抗菌玻璃中用Ag3PO4代替，使銀離子穩定下來，以改善其著色程度等等。納米抗菌劑分兩類，一類是本身是有抗菌活性的金屬納米氧化物，以TiO2、ZnO 為代表，它們在紫外線照射下，在水和空氣中產生活性氧，具有很強的化學活性，能與多種有機物發生反應，從而把大多數病菌和病毒殺死。因而可將它們應用于制作抗菌纖維、抗菌玻璃、抗菌陶瓷、抗菌建筑材料等。

　　將抗菌劑添加到基體材料中，便可制得抗菌材料。近年來，抗菌劑廣泛應用于纖維、塑料、建材、涂料、醫藥、化妝品等領域，其中應用最多的是纖維和塑料。我國抗菌材料的起源可以追溯到古代人們用銀或銅制作的容器貯水，以抑制水的變質腐爛。到了17 世紀，人們才將抗菌劑用于醫藥方面。第二次世界大戰時，德軍穿用含季銨鹽抗菌劑的制服，降低了受傷后的二次感染率。這也是現代抗菌材料的第一次大規模的使用。20 世紀60 年代以后，抗菌纖維開始出現，其中所用的抗菌劑是具有強抗菌性的化學物質，如有機錫、氯化酚等，到20 世紀80 年代中后期以來，出于安全性的考慮，多使用季銨鹽類有機硅（詞條“有機硅”由行業大百科提供）烷偶聯劑處理纖維，以達到抗菌的目的。抗菌塑料出現在20 世紀80 年代初，日本在這方面發展較快。到20 世紀90 年代后，日本的抗菌塑料幾乎覆蓋PP、ABS 等所有主要塑料品種。同時以無機化合物為載體的銀系抗菌材料也開始廣泛應用于制備抗菌陶瓷、涂料、塑料、紡織品、鋼鐵和日用品等領域。如果把目前日本抗菌材料的使用量看作100，我國的相應數值僅為0.5。由此可以看到抗菌材料在我國的發展空間是非常大的。

　　隨著人們的不斷努力，特別是具有創新思維的抗菌材料的制備方法的引入，如有機一無機復合材料，納米技術等，抗菌技術在國內將會得到不斷的進步與提高

　　利用納米氧化鋅的體積效應，表面效應和高離散性，在低溫低壓下，納米氧化鋅可不經磨碎直接使用，使陶瓷制品的燒結溫度降低400～600℃，燒成品外觀光亮、質地致密。另外，納米氧化鋅的陶瓷具有抗菌除臭和分解有機物的自潔作用，大大提高了產品質量。添加納米氧化鋅的玻璃可抗紫外線、耐磨、抗菌和除臭，可用作汽車玻璃（詞條“汽車玻璃”由行業大百科提供）和建筑玻璃。

　　研制開發納米級的TiO2 光觸媒等抗菌材料將是提高光催化反應的光量子產率，有效地減少光生電子和光生空穴的復合，使更多的電子和空穴參與氧化一還原反應的主要方法;同時由于比表面積的增大，巨大的表面有將反應物吸附在表面上，也有利于反應的進行，從而提高了光催化材料的活性，使抗菌性能大大改善。

　　為有效克服TiO2 類光催化材料在紫外光條件下才能具有較好抗菌及凈化空氣功能的不足，實現室內條件下光催化抗菌和空氣凈化的研究目標。相關文獻也系統研究了我國富產的稀土元素鈰對納米TiO2 晶體結構、顯微結構、表面電子結構、紫外吸收光譜以及產生羥基自由基(OH)性能的影響。制備的稀土/納米TiO2 光催化抗菌凈化功能材料，在室內光條件下就具有優良的抗菌和空氣凈化性能。

　　4 納米抗菌玻璃的展望

　　4.1 建筑應用抗菌玻璃材料

　　無機抗菌劑具有耐高溫的特點，可便利地混合在建材原料內或涂覆于表面，在高溫焙燒時，形成穩定的抗菌組分或涂層，能長久保持殺菌作用。

　　已面市的抗菌玻璃、衛生陶瓷、涂料、壁紙、地板材料等就應用了不同種類無機抗菌劑。例如，具有抗菌性能的室內外裝璜材料，可有效分解表面的細菌、有機油類物質、染料顏色污染物，殘留物經清洗或雨水沖刷可很便利地除去;當抗菌涂料粉刷在居住環境時，涂層中的抗菌劑因接觸到潮濕的空氣或與水直接相接觸時而釋放出Ag+而達到抗菌的效果。

　　4.2 水處理劑用抗菌玻璃

　　抗菌材料在水處理方面也有著重要的作用，如游泳池滅菌，把具有緩釋性抗菌劑作為水處理劑直接應用到水中去，抗菌劑在水中釋放出Ag+就可以達到抗菌的效果。

　　由于抗菌材料中引入抗菌劑的種類及作用方式不同，材料在抗菌效果以及持久性等方面也存在不小的差別。從目前抗菌材料的研究以及應用狀況來看，具有綠色安全、性能穩定、功效持久、形式多樣的無機型抗菌材料將會是今后抗菌材料的主流發展方向。

　　無機抗菌納米玻璃是近年國際上剛剛興起不久的與人類健康發展、環境保護等密切相關的熱點研究課題。抗菌玻璃正由原來主要用于食品和醫療方面，向日常生活用品和建筑材料的無機抗菌、空氣凈化等生態健康功能方向發展。預計21 世紀將發展為兼有抗菌和凈化功能的生態環境材料。這些新材料多是以原來材料為載體，外加變價稀土元素、光催化劑（詞條“催化劑”由行業大百科提供）、抗菌劑、輻射遠紅外線功能外加劑等添加劑來協同增效，提高材料及其制品的生態健康功能。【完】