陶瓷釉面抗菌磚的研究進(jìn)展*

劉俊榮

(佛山歐神諾陶瓷有限公司 廣東 佛山 528138)

在人們的日常生活中,病菌無處不在。微生物廣泛存在于自然界中,是一群體形微小、結(jié)構(gòu)簡單、肉眼看不見,必須借助光學(xué)或電子顯微鏡放大數(shù)百倍、數(shù)千倍甚至數(shù)萬倍才能觀察到的微小生物。可以侵犯人體,從而引起感染甚至傳染病的微生物,稱為致病微生物(以下簡稱“病菌”)。自然環(huán)境中的病菌種類繁多,總結(jié)起來主要有3大類(見圖1),分別為細(xì)菌、真菌和病毒區(qū)別(見表1)。

圖1 自然環(huán)境中的細(xì)菌、真菌和病毒

表1 細(xì)菌、病毒和真菌之間的區(qū)別

而自然環(huán)境中存在的病菌,在室內(nèi)環(huán)境也是存在的,比如家居環(huán)境、醫(yī)院環(huán)境、學(xué)校環(huán)境等。這些病菌在室內(nèi)環(huán)境中的濃度適宜,對人體不會造成危害,但濃度超標(biāo),則對人體健康造成威脅。

陶瓷抗菌磚是一種通過在瓷磚釉層添加納米無機(jī)復(fù)合抗菌材料,從而實(shí)現(xiàn)高效、持久抗菌功能的一種新型建筑裝飾材料。當(dāng)病菌與瓷磚表面接觸時,釉層中抗菌有效成分以離子形式釋放,滲透至病菌細(xì)胞中,破壞細(xì)胞合成酶的活性,有效阻止病菌細(xì)胞的分裂與繁殖,直至病菌死亡,從而達(dá)到抑菌、抗菌的效果。筆者主要介紹了室內(nèi)細(xì)菌的來源、瓷磚表面的抗菌原理、瓷磚表面病原體的檢測方法等相關(guān)研究進(jìn)展。

1 室內(nèi)細(xì)菌的來源

室內(nèi)作為一個相對封閉空間,且經(jīng)常清潔打掃,病菌到底從何而來? 科研工作者[1]分析了多個住宅中的細(xì)菌來源,發(fā)現(xiàn)室外微生物可以通過多個渠道進(jìn)入室內(nèi),如自然通風(fēng)帶入、居住者將沉積在門階的灰塵帶入、人類皮膚和寵物釋放。室內(nèi)細(xì)菌來源統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 室內(nèi)細(xì)菌來源統(tǒng)計(jì)表

同時,地板和地毯是室內(nèi)細(xì)菌的重要儲存的地方,加上人們和寵物的隨意走動及人們的清潔等行為,使其成為室內(nèi)細(xì)菌的持續(xù)來源。此外,管道和空調(diào)系統(tǒng)是室內(nèi)細(xì)菌的另一個重要來源,也是室內(nèi)機(jī)會性致病菌的來源之一(見圖2)。

2 瓷磚常用抗菌劑及抗菌原理

目前市面上的抗菌瓷磚,按照抗菌原理可以分為金屬離子抗菌瓷磚、光催化抗菌瓷磚、負(fù)離子抗菌瓷磚等。表3是常用抗菌劑及抗菌機(jī)理。

2.1 金屬離子型抗菌劑

大部分的金屬離子均具有抗菌效果,其中以Ag+最強(qiáng)。Ag納米粒子通過破壞膜層來改變細(xì)菌的膜電勢,導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的鉀離子、核苷酸、氨基酸等外漏,破壞正常代謝而起抑菌作用[2]。帶正電的Ag+與帶負(fù)電的細(xì)菌細(xì)胞壁結(jié)合,同時,Ag+產(chǎn)生的活性氧自由基ROS與細(xì)菌的DNA 相結(jié)合,置換細(xì)菌DNA 分子雙螺旋結(jié)構(gòu)中的氫,從而導(dǎo)致細(xì)菌DNA 分子結(jié)構(gòu)變形、斷裂[3]。

Cu作為抗菌劑的優(yōu)勢是,在干燥的室內(nèi)環(huán)境中,Cu的化學(xué)活性比Ag更強(qiáng)。Cu+/Cu2+通過Fentonlike催化反應(yīng)形成自由基,釋放出的會攻擊細(xì)菌的膜和內(nèi)部結(jié)構(gòu)[4],阻礙細(xì)胞與其他離子的交換從而殺死細(xì)菌。

2.2 光催化型抗菌劑

光催化型抗菌劑是指金屬氧化物(TiO2,Zn O 和Bi2O3[5]等),在有光照的情況下才能具有抗菌效果。因此,光催化瓷磚在自然光下具有較好的光催化抗菌功能,但對于一些陰暗區(qū)域,則抗菌效果不明顯。抗菌機(jī)理主要是金屬氧化物在特定波長光照下,基于光催化作用受激生成電子-空穴對,電子-空穴對和周圍的水、氧氣發(fā)生作用,具有極強(qiáng)的氧化-還原能力,這種反應(yīng)生成的帶有強(qiáng)氧化還原性的物質(zhì)破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁,殺滅細(xì)菌并分解其絲網(wǎng)菌體,從而達(dá)到抑制細(xì)菌生長的作用。

圖3 光催化瓷磚的抗菌原理

2.3 稀土抗菌劑

稀土元素具有特殊的4f電子層結(jié)構(gòu),所以在很多情況下會改變材料的物理、化學(xué)性能,可被廣泛地用于抗菌、發(fā)光等領(lǐng)域。當(dāng)作為抗菌劑使用時,部分稀土元素本身就具有一定的抗菌能力和產(chǎn)生活性氧離子的能力。在TiO2抗菌劑中加入CeO2,可提高其光催化活性,從而增加抗菌性能[8];在Cu2+抗菌硅膠中加入Tb3+制備出的Cu2+/Tb2O3抗菌硅膠,可負(fù)載更多的Cu2+,多孔的晶體表面可加速Cu2+形成自由基的反應(yīng),提高了抑菌效果[9]。

2.4 負(fù)離子抗菌劑

負(fù)離子抗菌瓷磚的抗菌成份為麥飯石、電氣石等[10]。抗菌機(jī)理主要是瓷磚釋放出負(fù)離子,負(fù)離子附著在著在細(xì)菌表面,變成氧化力強(qiáng)的OH 基,從細(xì)菌表面蛋白質(zhì)中抽取氫(H),分解蛋白質(zhì),從而起到抑菌作用(見圖4)。如何能快速直觀地檢測出抗菌陶瓷磚的抗菌效果,這是被消費(fèi)者認(rèn)可的關(guān)鍵。

圖4 負(fù)離子瓷磚的抗菌原理

瓷磚表面病原體的檢測方法(細(xì)菌、病毒和真菌),如表4所示。

表4 瓷磚表面病原體的檢測方法

3 結(jié)語

陶瓷釉面抗菌磚作為一種新型功能陶瓷,除保持了原有陶瓷釉面磚的使用功能和裝飾效果之外,又增加了抗菌消毒、化學(xué)降解等功能。隨著人們健康意識的增強(qiáng),傳統(tǒng)建材與環(huán)境功能材料的一體化將是建材的主要研究方向和發(fā)展目標(biāo),其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑷找鏀U(kuò)大,市場前景也將十分廣闊。