丙烯酸酯型季銨鹽共聚物薄膜的制備及表征

王友長， 梁文城， 范 瑤， 龔晨宇， 郎美東

（華東理工大學材料科學與工程學院，上海 200237）

傳統的包裝材料大多不具備抗菌性能，細菌與食品接觸后，極易在其表面增殖，引起蛋白質變質，最終導致食品腐爛[1-3]。新鮮果蔬在自身呼吸作用下會產生水蒸氣，在包裝薄膜表面結霧，進一步加劇食品的腐爛[4,5]。目前主要的解決辦法是在傳統薄膜材料中添加防霧劑以及釋放型殺菌劑，如抗生素[6]、重金屬離子（Ag+、Cu2+）[7,8]或無機納米粒子（ZnO、TiO2、AgNPs）[9-12]，以此改善薄膜的抗菌防霧性能。然而，隨著時間的推移，這類材料的抗菌活性會逐漸下降，重金屬離子等抗菌劑的溢出會引發更為嚴重的食品安全問題[13,14]。因此，設計一種基于接觸殺菌的防霧抗菌薄膜成為當下的研究熱點。

高分子季銨鹽種類繁多、抗菌性能優異、安全無毒，目前已被廣泛應用于生物醫療、公共衛生、食品包裝存儲等諸多領域[15-18]，其主體主要有聚乙烯基吡啶、聚丙烯酸酯及聚硅氧烷，一般可通過在聚合物側鏈中引入帶正電荷的季銨基團獲得抗菌特性[13,19]。Tiller 等[20]將聚（乙烯基-N-己基吡啶溴化銨）接枝在傳統玻璃基板表面，改性后的玻璃表面對水或空氣中懸浮細菌的接觸殺菌率可達99%，具有很好的商用價值。Khan等[21]設計了一種新型季銨化聚（4-乙烯基吡啶-co-丙烯酸）（P（Q4VP-co-AA））涂層，將其涂敷在不同基底（硅片、玻璃片、聚二甲基硅氧烷）表面，對其抗菌性能進行探究，結果表明其對大腸桿菌（E. coli, CMCC25922）和金黃色葡萄球菌（S. aureus，ATCC6538）的接觸殺菌率均可以達到90%以上。

高分子季銨鹽聚合物雖具有高效的抗菌性能，但大多存在塑性低、易脆、成膜性差、力學性能不佳等缺陷，極大限制了其在抗菌薄膜領域的應用[22]。聚丙烯酸丁酯（PBA）是一種具有延展性和柔韌性的聚合物，斷裂伸長率超過1 000%，還具有優異的機械損傷自愈能力[23]。本文首先以丙烯酸丁酯（BA）和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEMA）為單體，經自由基聚合得到聚（丙烯酸丁酯-co-甲基丙烯酸二甲氨基乙酯）（P（BA-co-DMAEMA））二元共聚物。隨后，用溴代烴（R-Br，分別為溴丁烷（BB）、溴己烷（HB）、溴辛烷（OB））對其進行季銨化改性，制備了側基烷烴鏈長度不同的薄膜材料P（BA-co-DMAEMA）-R（R: BB、HB、OB）。該薄膜接觸殺菌效果穩定，力學性能優異，兼具防霧性和透光性，有望應用于抗菌包裝領域。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

DMAEMA（采用蒸餾法除去阻聚劑）、BA、2,2-偶氮二異丁腈（AIBN）、BB、HB、OB、氯化鈉（NaCl）：分析純，上海阿拉丁試劑有限公司；乙醇、乙醚：分析純，國藥試劑有限公司；蛋白胨、酵母粉：分析純，上海江萊生物科技有限公司。

1.2 P(BA-co-DMAEMA)-R 薄膜的制備

稱取減壓蒸餾后的單體（8.3 g DMAEMA 和2.3 g BA），氬氣環境下加入到100 mL 聚合瓶內，加入30 mL乙醇作為溶劑，經磁力攪拌均勻后，加入引發劑AIBN（8.2 mg），放置在65 ℃油浴中反應24 h，使用去離子水對反應粗產物進行多次沉降提純得到白色產物。將白色產物通過冷凍干燥除水，即得到P（BA-co-DMAEMA），避光保存待用。

稱取1.5 g P（BA-co-DMAEMA）溶于20 mL 乙醇，按n（-N（CH3）2）∶n（BB）=2∶3 量取BB 溶于5 mL 乙醇，隨后緩慢滴加到聚合瓶中。待BB-乙醇溶液滴加完畢后，將反應體系轉移至60 ℃恒溫油浴鍋中反應24 h。使用冰乙醚對反應粗產物多次沉降提純，真空干燥后，得到淺白色固體產物P（BA-co-DMAEMA）-BB，放置于干燥器中保存待用。同樣，用HB、OB 季銨化P（BA-co-DMAEMA），可相應得到P（BA-co-DMAEMA）-HB、P（BA-co-DMAEMA）-OB，其合成路線如圖1 所示：

圖1 P（BA-co-DMAEMA）-R 的合成路線Fig. 1 Synthesis route of P（BA-co-DMAEMA）-R

分別稱取2.0 g P（BA-co-DMAEMA）-R 溶解于18 mL 乙醇溶液中，常溫下攪拌均勻。隨后轉移到模具中，置于25 ℃室溫條件下緩慢揮干溶劑，得到P（BA-co-DMAEMA）-R 薄膜，實物照片如圖2 所示。

圖2 薄膜的實物照片Fig. 2 Pictures of films

1.3 表征與測試

核磁共振氫譜（1H-NMR）儀：德國 Bruker AV400 型，氘代氯仿（CDCl3）及氘代水（D2O）為溶劑。

傅里葉變換紅外光譜（FT-IR, ）儀：美國 Nicolet 5700 型，溴化鉀壓片法，波長范圍為500～4 000 cm?1。

凝膠滲透色譜（GPC）儀：美國Waters 1515 型，測試溫度為35 ℃，流速為1.0 mL/min，淋洗溶劑為四氫呋喃（THF），標樣為聚苯乙烯（PS）。

萬能力學試驗機：美國 BOSE Load Frame 3 200 System 型，參考GB/T 1 040-92 塑料拉伸測量標準。

接觸角測試儀：上海中晨數字技術設備有限公司JC2000D2 型，每組薄膜取不同位置測量3 次，3 次結果的算術平均值為最終薄膜的接觸角。

吸濕率：將各組薄膜均裁剪成尺寸為3 cm×2 cm 的樣條，置于恒溫恒濕容器中，每隔2 h 按順序取出并吸去表面殘留的水分，稱量各樣條的質量。

紫外-可見分光光度計：上海光譜公司SP-1900 型，將各組薄膜裁成尺寸為3 cm×1 cm 的樣條，放在事先校過零的吸光槽中，設置透光率的光波長測試范圍400～900 nm，然后對每組樣條進行全范圍掃描，測量其透光率。

防霧性：將制備得到的材料貼附于相同尺寸的玻璃板上，并置于?20 ℃冰箱中儲存2 h，隨后將樣品取出，立即暴露在25 ℃、50%相對濕度的環境條件下，5 s 后拍攝照片[24]。其中以相同尺寸的空白玻璃板作為對照組。

采用菌落計數法，根據JIS Z 2 801 標準[25]研究P（BA-co-DMAEMA）-R 薄膜對E. coli和S. aureus的抗菌性能。裁取固定尺寸（1.5 cm×1.5 cm）的P（BA-co-DMAEMA）與P（BA-co-DMAEMA）-R 薄膜分別浸沒在10 mL 的細菌懸浮液（2×106CFU/mL）中，并將未添加薄膜的細菌懸液作為空白組在37 ℃下震蕩培養6 h。再取1.0 mL 細菌懸浮液用生理鹽水稀釋104倍后，取20 μL 細菌懸浮液均勻涂在LB 瓊脂板表面，放置在CO2培養箱中培養24 h 后,統計細菌的菌落生長情況，計算殺菌率。每組樣品設置3 個平行樣。

采用抑菌圈[26,27]試驗評估P（BA-co-DMAEMA）-R 薄膜的抗菌性能。分別移取100 μL 細菌懸液（2×105CFU/mL）涂布在LB 瓊脂板上，隨后，將P（BA-co-DMAEMA）與P（BA-co-DMAEMA）-R 樣品（1.5 cm×1.5 cm）依次放置在LB 瓊脂板的中心。在37 ℃恒溫培養箱中培育24 h 后，通過觀察樣品周圍的細菌生長情況來評價其是否向外釋放抗菌劑。

2 結果與討論

2.1 P(BA-co-DMAEMA)的結構分析

圖3（a）為PDMAEMA、P（BA-co-DMAEMA）及PBA 的核磁共振氫譜圖。從圖中可以看出，a 峰（2.26）和b 峰（2.49）為DMAEMA 中-CH2N（CH3）2基團上的-CH3和-CH2-吸收峰，f 峰（1.6）和h 峰（0.89）分別為BA 上的-CH2-和-CH3吸收峰,由此說明P（BA-co-DMAEMA）已成功合成，通過對比b，f 峰的積分面積還可以得到P（BA-co-DMAEMA）中BA、DMAEMA 的實際物質的量之比：n（BA）/n（DMAEMA） = 23∶77。此外，c、e 峰（3.96）分別為DMAEMA 和BA 中-COOCH2-基團上的-CH2-吸收峰。

圖3（b）為P（BA-co-DMAEMA）的GPC 譜圖，PDI=1.37,Mn=9.89×104，與最初設計的數均分子量1.0×105相差不大。從圖中可以看出GPC 曲線為單峰，表明P（BA-co-DMAEMA）不是多種聚合物的簡單混合。結合核磁的分析結果，可以證明P（BA-co-DMAEMA）已成功合成。

圖3 P（BA-co-DMAEMA）的（a）核磁共振氫譜和（b）凝膠滲透色譜Fig. 3 （a）1H-NMR spectra and （b）GPC curve of P（BA-co-DMAEMA）

2.2 P(BA-co-DMAEMA)-R 的結構分析

圖4（a）為P（BA-co-DMAEMA）-R 與P（BA-co-DMAEMA）的核磁共振氫譜對比圖。從圖中可以看出，DMAEMA 上的叔胺基團（-CH2N（CH3）2）被溴代烴離子化后由a 峰（2.26）向左偏移至b 峰（3.12）。這主要是由于叔胺基團被季銨化產生N+，引發了吸電子效應，使得附近甲基基團上質子H 的電子云密度降低，向化學位移更高處偏移。需要指出的是，此處叔胺基團僅是被部分離子化，所以a 峰（2.26）沒有消失，通過對比a、b峰的積分面積可知，P（BA-co-DMAEMA）-R 的離子化程度分別為58%（BB），45%（HB）和39%（OB）。

圖4（b）為P（BA-co-DMAEMA）-R 與P（BA-co-DMAEMA）的紅外光譜對比圖。從圖中可以看出，經溴代烷烴鏈修飾得到的P（BA-co-DMAEMA）-R 紅外譜圖上，在1 645 cm?1處產生C-N+吸收峰，同時在3 450 cm?1處產生顯著的-OH 吸收峰，這是季銨鹽容易吸收空氣中水分子所致。此外，2 960 cm?1處的C-H 吸收峰強度隨著溴代烷烴鏈長度增加而增強[28]。結合圖4（a）中的核磁共振氫譜，表明已成功合成3 組季銨化共聚物。

圖4 P（BA-co-DMAEMA）-R 的（a）核磁共振氫譜和（b）FT-IR 光譜Fig. 4 （a）1H-NMR spectra and （b） FT-IR spectra of P（BA-co-DMAEMA）-R

2.3 P(BA-co-DMAEMA)-R 的力學性能

圖5 為P（BA-co-DMAEMA）和P（BA-co-DMAE MA）-R 薄膜材料的力學性能圖。從圖中可以看出，P（BA-co-DMAEMA）薄膜的拉伸強度為1.87 MPa,斷裂伸長率為553%。P（BA-co-DMAEMA）-R 薄膜的拉伸強度隨著離子化烷烴鏈長度增長而降低（OB ＞HB ＞ BB），從3.87 MPa 降至2.78 MPa，斷裂伸長率則相應從194%提高到590%。這主要是由于溴代烷烴鏈對P（BA-co-DMAEMA）的離子化所產生的季銨鹽離子基團可以提高薄膜的拉伸強度；而烷烴鏈屬于柔性鏈段，斷裂伸長率隨著烷烴鏈長度的增加而增加。考慮到季銨鹽共聚物薄膜的實際應用，P（BA-co-DMAEMA）-HB 薄膜的力學性能相對最佳，力學強度與斷裂伸長率分別達到2.83 MPa 和590%。

圖5 P（BA-co-DMAEMA）和P（BA-co-DMAEMA）-R 薄 膜的力學性能Fig. 5 Mechanical properties of P（BA-co-DMAEMA） and P（BAco-DMAEMA）-R films

2.4 P(BA-co-DMAEMA)-R 的親水性

從共聚物薄膜的親疏水性（圖6（a））可知，P（BA-co-DMAEMA）薄膜的接觸角為100.12°，經BB、HB、OB離子化修飾后，接觸角分別為66.87°、84.47°和108.33°。這說明BB 和HB 對聚合物進行了離子化改性，引入的離子鍵提升了聚合物的親水性，而OB 由于疏水烷烴鏈過長，在水中易發生團聚而導致材料的疏水性變大[28]，所以P（BA-co-DMAEMA）-OB 薄膜疏水性強。上述結果表明BB、HB 對P（BA-co-DMAEMA）的季銨化可以顯著改善其親水性能。

為了研究薄膜在室溫條件下的吸濕性，將材料置于恒溫恒濕環境中對其進行吸濕性能測試，其結果如圖6（b）所示。從圖中可以看出，薄膜吸濕率隨時間的增長趨勢為：P（BA-co-DMAEMA）-BB ＞ P（BA-co-DMAEMA）-HB ＞ P（BA-co-DMAEMA）-OB ＞ P（BA-co-DMAEMA），并且吸濕率在24 h 后增幅趨于平緩，依次為29%、19%、16%、11%。該結果表明，吸濕率與薄膜的親水性呈正相關，長烷烴鏈的引入提高了薄膜表面的疏水性，并降低了其對水分子的吸附能力。考慮到薄膜作為抗菌包裝材料，吸濕率不能太高，所以P（BA-co-DMAEMA）-OB 作為包裝材料相對最佳。

圖6 P（BA-co-DMAEMA）和P（BA-co-DMAEMA）-R 的（a）接觸角和（b）吸濕率Fig. 6 （a）Contact angles and （b）water absorption of P（BA-co-DMAEMA） and P（BA-co-DMAEMA）-R

2.5 P(BA-co-DMAEMA)-R 的透光性

圖7 所示為P（BA-co-DMAEMA）與P（BA-co-DMAEMA）-R 薄膜在全波長范圍內的透光性。從圖中結果可以看出，烷烴鏈離子化后的P（BA-co-DMAEMA）-R＞薄 膜 透 光 性 顯 著 高 于P（BA-co-DMAEMA）薄膜的，透光性隨著烷烴鏈增長而增加[24]，透光率最高可達80%，表明引入烷烴鏈提高了薄膜的光透過性，而且長波光透過薄膜的能力要強于短波光，透光率最高可達85%。

圖7 P（BA-co-DMAEMA）和P（BA-co-DMAEMA）-R 薄 膜的透光率Fig. 7 Transmittance of P（BA-co-DMAEMA） and P（BA-co-DMAEMA）-R films

2.6 P(BA-co-DMAEMA)-R 的防霧性

采用薄膜涂層貼附法測試不同組材料的防霧性能，具體結果如圖8 所示。從圖中可以看出，相對P（BA-co-DMAEMA） （圖8（a）），3 組離子化后的薄膜（圖8（b）～圖8（d））表面沒有觀察到霧滴附著，說明薄膜均具有優異的防霧性能。這主要是由于凝結在表面的水分子經氫鍵作用迅速被季銨鹽吸收，且烷烴鏈的引入可以保持薄膜表面的疏水干燥，進一步提高其防霧性能[24]。

圖8 樣品的防霧效果圖Fig. 8 Antifogging effects of samples

2.7 P(BA-co-DMAEMA)-R 的抗菌性能

2.7.1 菌落計數法 圖9 為P（BA-co-DMAEMA）、P（BA-co-DMAEMA）-R 與空白組的涂板抗菌圖，由菌落計數法測得的殺菌率如表1 所示。從圖9 和表1 中可以看出，P（BA-co-DMAEMA）薄膜的殺菌效果不佳，對E. coli和S. aureus的殺菌率僅為53.3%和48.6%。季銨化改性后的P（BA-co-DMAEMA）-R 薄膜對E. coli和S. aureus則展現出優異的抗菌性能。這主要是由于季銨化后產生的正電荷N+離子基團可以與細胞膜表面負電荷發生靜電吸附作用，隨后烷烴鏈（BB、HB、OB）能夠有效穿透細胞膜，破壞細胞膜的完整性，導致細菌死亡[29]。P（BA-co-DMAEMA）-R 的抗菌活性隨著季銨化烷烴鏈的增長而增加，對E. coli和S. aureus的殺菌率可達99%以上。

表1 菌落計數法測得的殺菌率Table 1 Bactericidal rates measured by colony counting method

圖9 薄膜對E. coli（上）和S. aureus（下）的殺菌效果圖Fig. 9 Antibacterial effects of films on E. coli （up） and S. aureus （down）

2.7.2 抑菌圈評估 采用抑菌圈試驗評估P（BA-co-DMAEMA）-R 薄膜的殺菌劑釋放情況（圖10）。在E. coli和S. aureus培養基中，P（BA-co-DMAEMA）-R表面光滑潔凈，周圍沒有產生抑菌圈，而P（BA-co-DMAEMA）的周圍雖沒有抑菌圈，表面卻出現明顯的菌落附著。相較于P（BA-co-DMAEMA），季銨化改性后的P（BA-co-DMAEMA）-R 薄膜具備優異的接觸殺菌性能，且完全基于接觸殺菌，不向外釋放抗菌劑，安全無毒，有望在食品包裝領域廣泛應用。

圖10 P（BA-co-DMAEMA） （a）和P（BA-co-DMAEMA）-R （b, c, d）對E. coli 和S. aureus 的抑菌圈照片Fig. 10 Zone of inhibition test result of P（BA-co-DMAEMA） （a） and P（BA-co-DMAEMA）-R （b, c, d） against E. coli and S. aureus

3 結 論

（1）以BA 與DMAEMA 進行自由基聚合成功得到分子量可控的二元共聚物P（BA-co-DMAEMA）。

（2）用不同長度溴代烷烴（BB、HB、OB）對P（BA-co-DMAEMA）進行季銨化改性，成功得到3 種季銨鹽聚合物P（BA-co-DMAEMA）-R（R: BB、HB、OB）, 并以流延法制備薄膜，制備流程簡單可控。

（3）P（BA-co-DMAEMA）-R 季銨鹽薄膜力學性能優異，具有很好的透光性和防霧性。同時，P（BA-co-DMAEMA）-R 薄膜對E. coli和S. aureus的接觸殺菌率可達99%。