納米硫化銀-紙漿復合纖維的原位制備及抑菌性能研究

李江漫　錢學仁,*　安顯慧

(1.東北林業大學材料科學與工程學院,黑龍江哈爾濱,150040；2.東北林業大學生物質材料科學與技術教育部重點實驗室,黑龍江哈爾濱,150040)

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·抑菌紙·

納米硫化銀-紙漿復合纖維的原位制備及抑菌性能研究

李江漫1,2錢學仁1,2,*安顯慧1,2

(1.東北林業大學材料科學與工程學院,黑龍江哈爾濱,150040；2.東北林業大學生物質材料科學與技術教育部重點實驗室,黑龍江哈爾濱,150040)

利用原位合成法制備納米硫化銀-紙漿復合纖維,并以此復合纖維制備抑菌紙。采用X射線衍射分析(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和能量色散X射線光譜(EDX)對制備的復合纖維抑菌紙進行了分析,證明復合纖維抑菌紙的表面存在硫化銀納米顆粒。實驗探究了制備條件(硫源種類、反應溫度、反應時間和反應物濃度)對復合纖維抑菌紙抑菌性能的影響,發現影響復合纖維抑菌紙抑菌性能的主要因素是硫源和溫度；以硫化鈉為硫源、室溫下制備的復合纖維抑菌紙具有最好的抑菌性能；納米硫化銀-紙漿復合纖維抑菌紙的適宜制備條件：硫化鈉為硫源,濃度為0.005 mol/L,硝酸銀濃度為0.01 mol/L,在20℃下反應2.0 h。

納米硫化銀；紙漿；抑菌紙；原位合成法；抑菌性能

抑菌紙是將少量的抑菌劑以噴灑、施膠、涂布、浸漬、改性纖維等方式添加到普通紙中而制成的具有抑菌功能的紙[1]。抑菌紙的用途十分廣泛,可作為食品、醫藥以及水果等物品的包裝材料,還可作為制造流通領域的票據、證券的原紙等[2]。抑菌紙的研究與開發已經成為特種功能紙研發領域的熱點[3-10]。目前,各種抑菌劑主要采用濕部添加法、表面加工法和纖維抄造法3種方法添加到紙張中[11-12]。

圖1　Ag對微生物的抑菌機理[13]

銀(Ag)的抑菌機理與化學合成的抑菌劑的抑菌機理不同,Ag的抑菌機理是因為Ag+對細菌蛋白質有變性作用,所以銀具有廣譜殺菌功能,并且很少會產生耐藥菌。目前,關于Ag+的抑菌機理有兩種說法。其一,Ag通過破壞細菌細胞壁導致細胞內容物的溶出,阻礙有利于細菌新陳代謝酶的合成,破壞遺傳因子從而使細菌喪失生物學活性而完成抑菌(如圖1所示)。Ag和Ag+抑菌性能的體現主要是通過Ag及Ag+與細菌蛋白質、核酸接觸,并與其官能團發生反應[14],來達到抑菌的目的。其二,Ag極性催化能力較高,在聚合物載體中的狀態是處于穩定的活

化狀態,在光的作用下,與水或空氣作用,Ag會轉變為Ag+,并在其周圍產生活性氧?；钚匝蹙哂谐志玫臏缇芰?。由于細菌細胞壁的組成不同,細菌表面具有微弱正電性或負電性,因此細菌一般分為革蘭氏陽性菌(表面帶正電)和革蘭氏陰性菌(表面帶負電),一般Ag+對于革蘭氏陰性菌具有相對更好的抑菌性能[15]。

目前,較普遍、成熟的做法都是利用金屬Ag來進行抑菌,但從穩定性這個方面進行分析,硫化銀(Ag2S)在室溫和空氣中都是穩定的,所以硫化銀的穩定性要遠遠大于銀單質、氧化銀和大部分的銀鹽,而關于硫化銀作為抑菌劑與紙進行結合制備抑菌紙的研究尚未見報道。本研究利用原位合成法制備納米硫化銀-紙漿復合纖維,再將此復合纖維抄制成抑菌紙,通過菌種培養實驗來測試該紙的抑菌性能。

1　實　驗

1.1試劑與材料

紙漿為加拿大漂白硫酸鹽針葉木漿板,由牡丹江恒豐紙業股份有限公司提供；硝酸銀(AgNO3)、硫脲、硫代硫酸鈉、硫化鈉、氯化鈉均為分析純,由汕頭市西隴化工廠生產；營養瓊脂(BR生化試劑)、大腸桿菌(ATCC25922-3)購自青島高科園海博生物技術有限公司；金黃色葡萄球菌(ATCC25923-3)購自青島高科園海博生物技術有限公司。

1.2紙漿的準備

稱取320 g加拿大漂白硫酸鹽針葉木漿板,把漿板撕成約25 mm×25 mm大小的小片,加6 L水浸泡,浸泡12 h后,將漿料倒入打漿機中,補加14 L水,使之達到1.6%的漿濃,然后開始充分地疏解漿料,一定時間后開始打漿,打漿期間每隔10 min測定一次打漿度,直至打漿度為40°SR,最后脫水平衡水分備用。

1.3納米硫化銀-紙漿復合纖維的制備

分別于兩個不同的玻璃容器中配制一定濃度的硝酸銀溶液及3種硫源(分別為硫脲、硫代硫酸鈉、硫化鈉)溶液,使Ag+∶S2-的摩爾比為2∶1。取2 g絕干漿置于三口瓶中,再加入200 mL的蒸餾水后加入100 mL 硝酸銀溶液,在一定水浴條件下對其分散30 min,隨后將100 mL的硫源溶液以3 mL/min的速度滴加到三口瓶中,繼續反應一定時間后,用自制的網兜洗滌復合纖維,以去除未沉積在纖維表面的化學物質。整個實驗過程需維持溫度恒定,攪拌速度恒定為350 r/min。

1.4納米硫化銀-紙漿復合纖維抑菌紙的制備

將復合纖維在紙頁成形器上抄造紙張,然后將濕紙幅在0.4 MPa下進行5 min的壓榨處理,最后在105℃下干燥6 min。各種硫源抑菌紙樣及空白紙樣在進行各項性能檢測及儀器分析之前,均在恒溫恒濕環境下放置24 h。實驗中所用空白紙樣為2 g絕干漿抄造而成,空白樣的操造工藝與復合纖維抑菌紙的完全相同。

1.5抑菌性能的測定

稱量牛肉膏1.25 g、蛋白胨2.5 g、NaCl 1.25 g,將它們加入500 mL去離子水中,加熱使其溶解,然后用0.1 mol/L的NaOH溶液調節其pH值到7.0～7.2,再加5 g瓊脂,加熱使其融化,補加去離子水至總體積為500 mL,分裝于2個250 mL的錐形瓶中,在滅菌鍋中滅菌20 min,制得牛肉膏蛋白胨培養基。

在無菌操作臺上用接種環在牛肉膏蛋白胨培養基上分別接種大腸桿菌和金黃色葡萄球菌,放入37.2℃的培養箱中培養2天,然后放在0℃的冰箱中使其休眠,備用。取直徑為9 cm的培養皿,將其洗凈后烘干,用報紙包好后,在160℃的烘箱中滅菌40 min。用打孔器在待測紙樣和空白紙樣上打出直徑為15 mm的圓形紙片,放在培養皿中在紫外光照射下滅菌20 min。

在已滅菌的培養皿中,倒入約10 mL左右的培養基,培養基凝固后移取0.15 mL制好的菌懸浮液在培養基上使之分散均勻,然后在接種過的培養基上覆蓋事先準備好的圓形紙片,用蠟膜將其密封,將培養皿倒置,放入37.2℃的培養箱中培養,24 h后觀察并拍照。根據抑菌圈的大小判斷抑菌性能,抑菌圈的直徑越大,其抑菌性能越好。

1.6表征與分析

X射線衍射(XRD)分析采用日本D/Max2200型X射線衍射儀,測量中采用Cu Kα射線,管電壓30 kV,管電流40 mA,以4°/min的速率從10°掃描至70°。掃描電子顯微鏡-能量色散X射線光譜(SEM-EDX)分析采用日本電子公司的JSM-7500F掃描電子顯微鏡,觀察前,試樣的表面及斷面均做噴金處理。

圖3　不同硫源抑菌紙的SEM照片及EDX圖譜

2　結果與討論

2.1納米硫化銀-紙漿復合纖維抑菌紙的表征

2.1.1XRD表征

在硝酸銀為0.01 mol/L、硫源為0.005 mol/L、反應溫度20℃、反應時間為2 h的條件下制得納米硫化銀-紙漿復合纖維,其抑菌紙的X射線衍射(XRD)圖譜如圖2所示。從圖2可見,抑菌紙的XRD圖譜存在明顯的纖維素的特征衍射峰(2θ值分別約為16°、23°和34°)。抑菌紙與空白紙樣的XRD譜圖明顯不同,但不同硫源合成的抑菌紙之間無明顯差異,3種抑菌紙的特征峰可完全對應。抑菌紙的XRD譜圖與標準晶態硫化銀卡片比較顯示,大部分特征峰均與硫化銀晶體特征峰吻合,例如抑菌紙特征衍射峰的2θ值33.5°、34.3°、36.6°、37.0°和37.6°分別對應于標準晶態硫化銀卡片33.613°、34.385°、36.556°、36.805°和37.718°,這表明抑菌紙表面存在硫化銀晶體。

圖2　不同硫源抑菌紙的XRD分析

圖4　不同硫源抑菌紙的抑菌照片

2.1.2SEM和EDX表征

圖3所示為采用SEM和EDX對噴金后的抑菌紙進行的表征分析結果。從圖3中放大到20000倍的SEM圖片可以看出,在紙張表面生成了許多納米硫化銀顆粒,顆粒直徑在35 nm左右；由放大倍數為10000倍的SEM圖片可以發現,以硫脲和硫代硫酸鈉為硫源生成的硫化銀在紙張表面發生聚積,而以硫化鈉為硫源生成的硫化銀均勻分布在紙張的表面；從EDX分析數據可以得出,除組成纖維素的主要元素C與O外,纖維表面存在Ag元素和S元素,且Ag元素和S元素的比例接近2∶1,進一步證明了在復合纖維中有硫化銀生成。同時結合XRD的分析結果,說明成功制備了含有硫化銀的抑菌紙。

2.2實驗條件的影響

納米硫化銀復合纖維的制備是多條件控制過程,其中任何一個環節,如反應物的濃度、反應溫度、反應時間等都會對最終結果產生影響。本研究通過考察多個實驗條件下納米硫化銀復合纖維抑菌紙性能的變化,找到影響抑菌性能的主要因素,從而總結出一個較優的實驗條件。

2.2.1硫源的影響

在2 g絕干漿和一定量蒸餾水的反應體系中，先加入硝酸銀溶液充分潤脹,在350 r/min下攪拌30 min 后,再分別用250 mL的滴液漏斗滴加不同的硫源溶液,滴加速度為3 mL/min。硫源在整個體系中的濃度為0.03 mol/L,硝酸銀與其發生化學等量反應,即硝酸銀的反應濃度為0.06 mol/L。

圖4為3種硫源制備的抑菌紙對金黃色葡萄球菌的抑菌效果對比照片。以硫脲和硫代硫酸鈉為硫源的抑菌紙為棕黑色,以硫化鈉為硫源的抑菌紙顏色較前兩種顏色淺,為淺灰黑色。從圖4兩種制備條件(1代表60℃和2.5 h,2代表20℃和2 h)下得到的抑菌紙的抑菌照片可以明顯觀察到,以硫脲和硫代硫酸鈉為硫源的紙片周圍幾乎沒有抑菌圈,而以硫化鈉為硫源的紙片周圍有抑菌圈,說明以硫脲和硫代硫酸鈉為硫源得到的抑菌紙沒有抑菌功能,而以硫化鈉為硫源得到的抑菌紙有抑菌效果。綜合考慮納米硫化銀-紙漿復合纖維抑菌紙的抑菌性能,硫源選擇硫化鈉較合適。

2.2.2反應溫度的影響

將2 g的絕干漿加入三口瓶,并加入200 mL的蒸餾水之后,先加入一定量的硝酸銀溶液攪拌30 min 后滴加一定量的硫化鈉,反應時間為2.5 h。全部實驗均在暗箱中操作。溫度分別為20、30、40、50、60和80℃。硝酸銀濃度為0.06 mol/L,硫化鈉濃度為0.03 mol/L。

圖5　反應溫度對抑菌圈直徑的影響

圖6　反應時間對抑菌圈直徑的影響

圖7　反應物濃度對抑菌圈直徑的影響

圖5為反應溫度對抑菌圈直徑的影響。從圖5中可以看出,復合纖維抑菌紙對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌性能隨著溫度的升高基本上呈降低趨勢,在20℃時抑菌效果最好。這是因為隨著反應溫度的進一步升高,形成的硫化銀納米顆粒布朗運動加劇,粒子之間相互碰撞的幾率增大,容易因碰撞聚集而形成二次顆粒,二次顆粒不但粒徑比一次顆粒大,而且形態不規則,不利于發揮Ag的抑菌作用。以上實驗證明，20℃為最理想的反應溫度。

2.2.3反應時間的影響

硫源為硫化鈉,溫度為20℃,時間分別為1.0、2.0、2.5、3.0和4.0 h,其他實驗條件均不變。硝酸銀濃度為0.01 mol/L,硫化鈉濃度為0.005 mol/L。

圖6為反應時間對抑菌圈直徑的影響。從圖6中可以看出,復合纖維抑菌紙對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌性能隨反應時間的增加變化趨勢是不同的,對金黃色葡萄球菌的抑菌圈隨反應時間增加變化比較平穩,而對大腸桿菌的抑菌圈變化比較劇烈,但二者的抑菌圈均在反應時間2.0 h處達到最大,故2.0 h是最佳反應時間,繼續增加反應時間并沒有使得抑菌效果更佳,反而使得抑菌效果變差。這是因為反應時間加長,促進了化學反應的正向進行,使化學反應更加充分,進而使得納米硫化銀的生成量增加,反應初期是晶體爆發成核階段,隨后才是晶體發育生長階段,隨著反應時間增加,晶體碰撞機率增加,有助于形成大顆粒,從而不利于發揮Ag的抑菌作用。

2.2.4反應物濃度的影響

反應溫度為20℃,反應時間為2.0 h,硫化鈉的濃度分別為0.001、0.002、0.003、0.004、0.005、0.010、0.020和0.030 mol/L,保持Ag+與S2-的摩爾比為2∶1,使硝酸銀和硫化鈉在纖維懸浮液中發生等量反應,其他實驗條件均不變，結果見圖7。從圖7可看出，隨著初期反應物濃度的升高,抑菌紙的抑菌圈呈上升趨勢,這是由于反應物濃度的增加促進了化學反應的正向進行,使得硫化銀晶體的生成量增加,從而提高了抑菌紙樣的抑菌效果；但隨著反應物濃度的增加,硫化銀晶體生成量的不斷增加,抑菌紙表面由于納米硫化銀的過度包覆,使抑菌紙的抑菌性能降低；隨著反應物濃度的繼續增加,抑菌紙表面會更加均勻地被大量的納米硫化銀包裹,從而提高了抑菌紙的抑菌性能,但考慮到成本,硫化銀的濃度取0.005 mol/L較為適宜。

3　結　論

實驗采用原位合成法制備了納米硫化銀-紙漿復合纖維抑菌紙,采用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和能量色散X射線光譜(EDX)對納米硫化銀-紙漿復合纖維抑菌紙進行了分析,并探究了不同硫源、反應溫度、反應時間和反應物濃度對納米硫化銀-紙漿復合纖維抑菌紙抑菌性能(以金黃色葡萄球菌作為抑菌測試菌種)的影響。

(1)XRD、SEM和EDX分析表明,采用原位合成法成功制備了納米硫化銀-紙漿復合纖維抑菌紙。

(2)在硫脲、硫代硫酸鈉和硫化鈉3種硫源中,以硫化鈉為硫源制備的納米硫化銀-紙漿復合纖維抑菌紙的抑菌性能最好。

(3)20℃時制備的納米硫化銀-紙漿復合纖維抑菌紙抑菌性能最好。

(4)綜合考慮成本和紙張抑菌性能,硫化鈉的濃度取0.005 mol/L較好。

(5)納米硫化銀-紙漿復合纖維的適宜制備條件為：硫源為硫化鈉,濃度為0.005 mol/L,硝酸銀濃度為0.01 mol/L,在20℃下反應2.0 h。

[1]Zhang J, Feng X Y, Qiu S Y, et al. Research Status and Application of Antibacterial Paper[J]. Southwest Pulp and Paper, 2006, 35(1): 14.

張靜, 馮學愚, 邱樹毅, 等. 抗菌紙的研究現狀及其應用[J]. 西南造紙,2006, 35(1): 14.

[2]Wang J T. Study on Preparation of Cellulose Fibre/Conducting Polymer/Silver Composite by One Step Reaction Approach[D]. Harbin, Northeast Forestry University, 2014.

王潔婷. 一步法制備纖維素纖維/導電聚合物/銀復合材料的研究[D]. 哈爾濱: 東北林業大學, 2014.

[3]YUAN Lin, QIAN Xue-ren. Research and Development Situation and Trend of Antibacterial Paper at Home and Abroad[J]. China Pulp & Paper, 2013, 32(2): 56.

袁麟, 錢學仁. 國內外抗菌紙的研發現狀與發展趨勢[J]. 中國造紙, 2013, 32(2): 56.

[4]Wu P J, Yu J W, Chao H J, et al. Silver-based metal sulfide heterostructures: Synthetic approaches, characterization, and application prospects[J]. Chemistry of Materials, 2014, 26(11): 3485.

[5]Park S Y, Ryu S Y, Kwak S Y. Antibacterial metal-fiber hybrid with covalent assembly of silver and palladium nanoparticles on cellulose fibers[C]//2010 International Conference on Biology, Environment and Chemistry, Singapore. 2010.

[6]Kim J, Kwon S, Ostler E. Antimicrobial Effect of Silver-impregnated Cellulose: Potential for Antimicrobial Therapy[J]. Journal of Biological Engineering, 2009, 3(1): 20.

[7]Díez I, Eronen P, ?sterberg M, et al. Functionalization of Nanofibrillated Cellulose with Silver Nanoclusters: Fluorescence and Antibacterial activity[J]. Macromolecular Bioscience, 2011, 11(9): 1185.

[8]Ifuku S, Tsuji M, Morimoto M, et al. Synthesis of Silver Nanoparticles Templated by TEMPO-mediated Oxidized Bacterial Cellulose Nanofibers[J]. Biomacromolecules, 2009, 10(9): 2714.

[9]CHEN Xiao-yu, QIAN Xue-ren. Preparation of Antibacterial Paper by Filling Tetrapod-like Zinc Oxide Whiskers at Wet End[J]. China Pulp & Paper, 2010, 29(5): 30.

陳曉宇, 錢學仁. 四腳狀氧化鋅晶須在抑菌紙制備中的應用研究[J]. 中國造紙, 2010, 29(5): 30.

[10]HU Fang, LI Xu-ying, ZENG Xu. Preparation of Chitosan-montmorillonite Coated Antibacterial Paper and Its Properties[J]. China Pulp & Paper, 2015, 34(6): 1.

胡芳, 李旭英, 曾旭. 殼聚糖-蒙脫土復合抗菌涂布紙的制備及性能研究[J]. 中國造紙, 2015, 34(6): 1.

[11]YANG Kai-ji, SU Wen-qiang, CHEN Jing-huan. Development and Application of Multi-purpose Antibacterial Paper[J]. China Pulp & Paper, 2007, 26(9): 44.

楊開吉, 蘇文強, 陳京環. 多功能抗菌紙的開發與應用[J]. 中國造紙, 2007, 26(9): 44.

[12]Huang C X, Bao R L, Duan D D. Advances in Researches of Antimicrobial Paper[J]. Packaging Journal, 2009, 1(1): 34.

黃崇杏, 鮑若璐, 段丹丹. 抗菌紙的研究進展[J]. 包裝學報, 2009, 1(1): 34.

[13]Mike Williams. Ions, not particles, make silver toxic to bacteria[DB/OL]. http://news.rice.edu.cn/2012/07/11/ions-not-particles-make silver-toxic-to-bacteria-2/.html. July 11, 2012.

[14]Feng Q, Wu J, Chen G, et al. Mechanistic study of the antibacterial effect of silver ions onEscherichiacoliandStaphvlococcusaureus[J]. Journal of Biomedical Materials Research, 2000, 52(4): 662.

[15]Li M N, Luo Q Z, An J, et al. Research progress of preparation and application of Ag nanoparticles[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2008, 27(11): 1765.

(責任編輯：常青)

In Situ Preparation of Nano Silver Sulfide-pulp Composite Fibers and Its Antibacterial Properties

LI Jiang-man1,2QIAN Xue-ren1,2,*AN Xian-hui1,2

(1.MaterialScienceandEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin,HeilongjiangProvince, 150040;2.KeyLabofBio-basedMaterialScienceandTechnologyofMinistryofEducation,Harbin,HeilongjiangProvince, 150040)

(*E-mail: qianxueren@aliyun.com)

Nano silver sulfide-pulp composite fibers were successfully prepared by using in-situ synthesis process. The antibacterial paper sample made of the composite fibers was analyzed using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and the results confirmed the existence of silver sulfide nanoparticles on the surface of the paper. The effects of preparation conditions (sulfur source types, temperature, time and reactant concentration) on the antimicrobial property were explored, it was found that the main factors influencing the antibacterial property of the paper were sulfur source and temperature. The composite fibers prepared by using sodium sulfide as sulfur source had good antibacterial activity, but those prepared by using sulfourea and sodium hyposulfite as sulfur source had no antibacterial activity. The composite fibers prepared at room temperature had the best antibacterial property.

nano silver sulfide; pulp; antibacterial paper; in situ synthesis process; antibacterial property

李江漫女士，在讀碩士研究生；研究方向：紙基功能材料。

2015-11-12(修改稿)

錢學仁先生，E-mail:qianxueren@aliyun.com。

TS761

ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.06.001