含銀復合乳液對混凝土表面抗菌性能的影響

武子晗，李紹純,2，眭世玉，蔣 敏，周佩劍，周子寒

(1.青島理工大學土木工程學院，青島 266033；2.青島理工大學山東省藍色經濟區工程建設與安全協同創新中心，青島 266033； 3.青島理工大學環境與市政工程學院，青島 266033)

0 引 言

海工混凝土的耐久性是海洋開發必須關注的重點問題。在海洋環境下，微生物腐蝕(microbiologically influenced corrosion， MIC)是海工混凝土過早失效的重要原因之一。海水中存在大量的硫化細菌，可附著在混凝土表面，產生酸性代謝產物[1]。這些代謝產物(如硫酸)與混凝土的水化產物反應，形成石膏和氧化鋁鈣，使混凝土表面發生開裂和剝落[2]。

涂層防護是混凝土表面免受微生物腐蝕的重要方法[3],它可以防止有害物質在混凝土表面積聚、滲透。涂層通常通過兩種方式對混凝土進行保護,一是提高混凝土表面的耐腐蝕性。例如，Roghanian等[4]開發了一種摻鋅黏土多相復合材料涂層，與腐蝕后空白樣品相比，涂覆該涂層的樣品強度損失減少了38%。此外，當涂層應用于已腐蝕樣品時，樣品的強度可恢復40%。Merachtsaki等[5]用兩種不同的纖維素制備了六種氫氧化鎂基涂料。結果表明，這些涂層具有良好的耐酸蝕性能。二是在涂料中摻入有毒制劑以提高混凝土表面抗菌性能。例如，Edge等[6]將殺蟲劑封裝在改性二氧化硅框架內，在UVA(340 nm)照射125 h后，涂層仍表現出良好的殺菌性能。而傳統抗菌涂層的缺陷不能改變混凝土的表面親水性，隨著抗菌物質的釋放，涂層抗菌性能會迅速下降。

混凝土表面疏水涂層是近年來的研究熱點之一。疏水表面可以降低微生物在混凝土表面的黏附力，使微生物更容易被水流沖走[7]。其中硅烷類材料與環氧樹脂、聚氨酯和丙烯酸樹脂等傳統防水材料相比，具有優異的透氣性和抗滲性[8]。通過試驗[9]驗證，異丁基三乙氧基硅烷(IBTS)作為一種滲透性水泥基防水材料具有良好的應用前景，并且IBTS可與正硅酸乙酯(TEOS)結合制備復合乳液。復合乳液克服了硅烷單體易揮發的缺點，與單一乳液相比，更高的硅烷含量使其擁有更好的防水性能。將納米銀粒子與TEOS/IBTS乳液混合，制備了一種新型Ag/TEOS/IBTS復合乳液(ATS),并研究、比較了ATS、Ag/IBTS復合乳液(AS)和Ag/TEOS復合乳液(AT)的疏水性能和抗菌性能。

1 實 驗

1.1 主要原料

本試驗中所用原料如表1所示。

表1 試驗用主要原料Table 1 Main raw materials for experiment

1.2 納米銀分散液的制備

向含有0.3 g聚乙烯吡咯烷酮和0.03 g SDS的混合溶液中加入0.6 g AgNO3和0.3 g KH-550，攪拌均勻。然后在上述混合液中加入微量硼氫化鈉溶液，得到納米銀分散液,過程如圖1所示。

1.3 復合乳液的制備

本試驗所用乳液根據課題組前期成果改進而來，其中AS乳液制備流程如圖2所示。AT、ATS乳液則是在AS乳液的基礎上改變或添加成分而來。其中AT乳液是將油相中的IBTS改變為TEOS，其他制備流程不變；ATS乳液的前期制備過程與AS乳液制備流程相同，待油相滴加入水相反應1 h后，向反應器皿中繼續滴加一定量的TEOS，然后繼續反應4 h制得ATS乳液。

圖1 納米銀分散液制備流程Fig.1 Preparation process of nano silver dispersion

圖2 復合乳液制備流程Fig.2 Preparation process of composite emulsion

1.4 砂漿試塊制備

1.4.1 砂漿制備

參考GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》對各材料進行稱量，m(水泥) ∶m(砂) ∶m(水)=1 ∶3 ∶0.5。然后將水泥和標準砂倒入立式攪拌機中進行攪拌，干攪1 min后緩慢加水，繼續攪拌2 min。將攪拌均勻的砂漿放入40 mm×40 mm×160 mm的模具中，然后在振動臺上進行振動，當表面平整并且出水時停止振搗。振搗后的砂漿覆膜靜置24 h，然后將試塊拆模放置在溫度為21 ℃、相對濕度>95%的標準養護室中養護28 d，28 d后取出砂漿試塊進行干燥，然后將其切割為40 mm×40 mm×8 mm試塊,過程如圖3所示。

圖3 砂漿試塊制備流程Fig.3 Preparation process of mortar specimens

1.4.2 砂漿表面涂層處理

本試驗采用分次涂覆方式，涂覆次數為2次，將三種乳液分別均勻涂覆于砂漿試塊表面，每次涂覆量約為600 g/m2，涂覆時間間隔約3 h，待乳液完全吸收后再進行下次涂覆。待試塊完全干燥后，將表面用軟刷清理干凈。

1.5 納米銀粒子的XPS表征

將納米銀分散液倒入洗凈干燥的離心管中離心15 min，轉速為8 000 r/min，去掉上清液后將制得的產物用乙醇清洗并烘干，隨后采用賽默飛公司Kalpha型號X射線光電子能譜儀(XPS)對產物進行XPS表征。

1.6 復合乳液的表征

1.6.1 復合乳液銀粒子含量

采用珀金埃爾默公司8300型號等離子體發射光譜儀 (ICP) 對復合乳液中銀粒子含量進行測定。

1.6.2 復合乳液的FT-IR表征

采用賽默飛公司Nicolet iS10型紅外光譜儀對復合乳液進行表征，光譜范圍設定為4 000～500 cm-1，分辨率為4 cm-1。

1.6.3 微觀形貌表征

采用蔡司公司Sigma 300型掃描電鏡觀察試塊表面微觀形貌。

1.7 復合乳液性能測試

1.7.1 復合乳液的抗菌性能測試

取以芽孢桿菌為優勢菌的復合菌懸液(未經稀釋)200 μL分別接種在四個培養基上。然后分別在三個試驗組培養基中心滴加100 μL AS、AT和ATS，剩余一個培養基作為空白組不滴加乳液。將培養基置于恒溫培養箱中培養，48 h后取出觀察細菌的生長情況。

1.7.2 復合乳液的防水性能與滲透性能測試

采用SL150靜態接觸角測量儀測量處理后的砂漿表面上不同位置的接觸角，采用懸滴法測量了靜態接觸角，每個區域測量五次后取平均值作為試驗數據。另外將涂覆乳液的試塊縱向劈裂，使用噴壺在橫截面噴水，觀察乳液的滲透性能。

1.7.3 復合乳液抗菌黏附性能測試

將空白試塊與經過防水處理后的試塊在以芽孢桿菌為優勢菌的復合菌液中培養15 d，15 d后取出，并用無菌鹽水清洗表面未附著的細菌。然后制備染色溶液(2 mL無菌生理鹽水，加入2 μL SYTOTM9綠色熒光核酸染色劑和2 μL碘化亞啶)，滴在樣品表面，37 ℃恒溫培養15 min。采用Olympus FV1200激光共聚焦掃描顯微鏡(CLSM)對試塊表面死、活細胞進行成像，活細胞在488 nm激發波長處顯示綠色斑點，死細胞在559 nm激發波長處顯示紅色斑點。

2 結果與討論

2.1 納米銀粒子XPS表征分析

圖4為納米銀粒子XPS表征。如圖4(a)所示，烘干產物在368.02 eV與374.03 eV處存在兩個峰，根據文獻[10]這兩個峰分別是Ag3d2/5和Ag3d2/3的峰位。一般認為，當Ag3d2/5峰位大于等于368.0 eV時，Ag以單質的形式存在，同時兩峰之間的間距為6.00 eV可初步判斷Ag元素幾乎全部以單質的狀態存在[11]。再根據圖4(b)Ag元素的俄歇能譜可知，烘干產物中的Ag全部為單質。由于制備復合乳液的過程不具備將銀氧化的條件，因此可以得出結論，當納米銀分散體參與復合乳液的制備時，銀仍以單質狀態存在于乳液中。

2.2 復合乳液表征分析

表2為復合乳液銀元素含量。由表2可知，復合乳液中銀元素含量遠低于FT-IR檢測限，因此在FT-IR譜(見圖5)中沒有銀元素相關的峰位。如圖5所示，三種乳液在957.0 cm-1、1 066.9 cm-1、1 642.6 cm-1、2 976.6 cm-1以及3 370.4 cm-1處有相似的振動峰。其中3 370.4 cm-1處的振動峰是由—OH的拉伸引起的，2 976.6 cm-1處的振動峰是硅烷乳液中C—H鍵伸縮振動所致，1 066.9 cm-1和957.0 cm-1處的振動峰則分別來自乳液中的Si—O—C和Si—O—Si[12]。ATS在1 066.9 cm-1和957.0cm-1處的峰值最大，表明ATS中硅烷的羥基數量最少，脫水縮合反應比AS和AT更充分。

圖4 納米銀粒子XPS表征Fig.4 XPS characterization of silver nanoparticles

表2 復合乳液銀元素含量Table 2 Ag content in composite emulsions

圖5 復合乳液FT-IR譜Fig.5 FT-IR spectra of composite emulsions

2.3 復合乳液抗菌性能與防水性能分析

圖6為復合乳液抗菌性能測試。如圖6所示，三種乳液都有著良好的抗菌性能，其中滴加了AS和AT的培養基抗菌效果更加顯著。抗菌效果的區別首先是由于三種乳液的銀含量不同，根據ICP的測量結果，AS和AT的銀含量高于ATS；其次是由于ATS的硅烷含量高，液體流動性相對較差，因此當ATS滴加到培養基的中心時液滴不會廣泛擴散，圖6(b)中框線部分即為未擴散乳液。故AS和AT在抗菌性能測試中具有更好的表現。

通過接觸角測試驗證了復合乳液的防水性能，結果如圖7所示。ATS、AS和AT的接觸角(contact angle, CA)分別為119.67°、103.19°和99.72°，表明復合乳液的改性使試塊表面具有良好的防水性。ATS接觸角最大是因為ATS的硅烷含量最高，試塊表面交聯的Si—O—Si鍵較多，因此ATS疏水層最為致密，防水性能最好。

圖6 復合乳液抗菌性能測試Fig.6 Test of antibacterial properties of composite emulsions

圖7 復合乳液接觸角Fig.7 Contact angle of composite emulsions

圖8為復合乳液滲透性能測試。如圖8所示，試塊橫截面淺色部分表示未被水沾濕，淺色部分面積越大表明乳液滲透性能越好。三種乳液都有良好的滲透性能，滲透深度均可以達到5 mm以上，并且滲透程度均勻。其中AS和AT滲透深度接近，分別為9.24 mm和9.02 mm，而ATS的滲透深度為6.89 mm。AS和AT的滲透深度較大，這是因為AS和AT較為稀薄，其中的硅烷的分子量較小，因此滲透性能略強于ATS。同時根據試塊顯色情況可以看出，試塊被乳液滲透的區域均有著良好的防水性能。這意味著涂覆乳液的水泥基材料在使用中即使表面發生一些物理磨損，內部仍具有良好的防水性能。

圖8 復合乳液滲透性能測試Fig.8 Test of permeability of composite emulsions

在菌懸液中培養15 d的試塊表面狀態如圖9所示。空白試樣表面有明顯的生物膜黏附(見圖9(a1)框中部分)，涂覆了復合乳液的樣品表面(見圖9(b1)、(c1)、(d1))則沒有明顯的細菌生長跡象。使用CLSM對試塊表面進行拍攝，圖9(a2)顯示在空白試塊表面上有大量聚集的活細菌，圖9(a3)則顯示空白試塊表面幾乎沒有死亡細菌。而在涂覆過復合乳液的樣品表面(見圖9(b2)、(c2)、(d2))只有少量分散的細菌。疏水表面阻止細菌黏附，在疏水表面的部分區域(見圖9(b3)、(c3)、(d3))出現紅色熒光反應，證明銀粒子的存在對細菌有滅活作用。而從圖9(b3)中紅色熒光反應部分亦可知ATS的銀元素含量未影響復合乳液的抗菌作用。

圖9 復合乳液抑菌黏附性能測試Fig.9 Test of antibacterial adhesion of composite emulsions

2.4 SEM測試分析

利用SEM對試塊表面進行深入分析(見圖10)。根據IBTS防水機理[13]可知，IBTS在生成乳液的過程中會發生水解，水解后的硅烷含有大量羥基。這些羥基會與水泥基材料表面發生脫水縮合從而形成具有防水能力的疏水層。從圖10中的SEM照片可以看出，三種乳液都在試塊表面發生反應，生成了絮狀結構。這層絮狀結構是乳液在試塊表面生成的疏水層，正是疏水層改變了試塊表面的疏水性。其中AT與AS的絮狀結構較薄，由圖10(a)、(b)可以清晰地觀察到水泥水化反應生成的顆粒狀物質。而ATS在試樣表面生成的疏水層則非常致密，這使得試塊表面水化產物難以觀察(見圖10(c))。由圖10(d)可以發現顆粒狀的水化產物被完全包裹在疏水層下。正是這層致密的疏水層使得ATS的防水性能優于AS與AT，同時優異的防水性能降低了細菌的附著力，更好地保護了水化產物。因此，ATS的保護性能優于AT和AS。

圖10 試塊表面SEM照片Fig.10 SEM images of specimens surface

3 結 論

(1)Ag/IBTS復合乳液、Ag/TEOS復合乳液和Ag/TEOS/IBTS復合乳液均改變了水泥基材料表面的防水性能。其中Ag/TEOS/IBTS復合乳液效果最為顯著，可以使試樣的表面接觸角達到119.67°。同時三種乳液的滲透性能良好，滲透深度均達到5 mm以上，滲透程度十分均勻。

(2)Ag/IBTS復合乳液、Ag/TEOS復合乳液和Ag/TEOS/IBTS復合乳液都具有良好的抗菌黏附性能，在菌懸液培養15 d后三種乳液都能很好地抑制細菌在水泥基材料的表面黏附。這是由于材料表面的防水性能會降低細菌黏附力。通過CLSM觀察，三種乳液都具有良好的抗菌性能，證明乳液中微量的納米銀粒子賦予了乳液良好的殺菌能力。

(3)通過SEM測試可以發現，乳液會在水泥基材料表面反應生成致密疏水層，疏水層對水泥水化產物有包裹、保護作用。Ag/TEOS/IBTS復合乳液的硅烷含量最高，疏水層最致密，防水性能最好。