抗菌塑料主要是在塑料基材中添加少量抗菌剂，也有一些抗菌塑料是材料的化学结构具备抗菌性能，或经过反应改性而得到，从而使塑料制品本身具有抗菌性能，在一定时间内能够杀死制品表面的细菌或抑制细菌生长繁殖。

 

 

普通塑料和抗菌塑料表面葡萄球菌情况

         

抗菌剂是抗菌塑料的关键，根据其化学成分的不同可分为无机抗菌剂、有机抗菌剂、天然抗菌剂和复合抗菌剂等。据报道，抗菌剂在塑料中使用较广，年增长率约为3．5％~4．0％。

 

从目前抗菌塑料的发展来看，以聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)和丙烯腈－丁二烯－苯乙烯(ABS)为基材的抗菌塑料使用范围较广，已应用于汽车、家用电器、医疗、管材等领域。

 

 

抗菌塑料的应用  图源：塑料与选材

 

抗菌塑料的开发和应用对改善人类生存环境具有重要意义。以下介绍了抗菌剂的分类、抗菌塑料的评价标准及其应用情况，并对抗菌塑料的应用前景进行了展望。

 

一  抗菌剂的分类

 

按照组成不同，抗菌剂可分为无机抗菌剂、有机抗菌剂、天然抗菌剂、复合抗菌剂等。

 

 

1 无机抗菌剂

 

无机抗菌剂主要以银、铜、锌等金属离子和金属氧化物以及一些纳米材料为主，银系或锌系抗菌剂的使用较为广泛，其中银系抗菌剂综合效果显著，我国使用银系抗菌剂较多。

 

银离子抗菌剂  图源：中国金属新闻网

         

上海锦湖日丽塑料有限公司通过无机银离子抗菌剂开发了ABS和PP基材的抗菌塑料ABSGN215B和PPGN015B，其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率均达99．9％以上，可应用于空调、冰箱、洗衣机及小家电等。

         

无机抗菌剂中，光催化型抗菌剂具有无毒、性能稳定、安全性好等特点，常见的有TiO2和ZnO，因为激发TiO2光催化型抗菌剂时会产生活性较强的活性氧且TiO2对人体无害而备受关注。

         

无机抗菌剂具有广谱抗菌性能、耐热性好、不产生抗药性，且制备工艺简单，尤其良好的耐热性是其能够大批量应用于工业化、制备抗菌塑料的关键。

         

2 有机抗菌剂

 

大部分的有机抗菌剂都是化学合成，主要有季铵盐类、酚类、有机金属类、噻唑类等。

         

有机抗菌剂虽然杀菌力强、效果好，但有毒、安全性较差、会产生耐药性、化学稳定性较差，特别是有机抗菌剂的耐热性较差，在高温、高压、高剪切加工条件下易分解失效，丧失抗菌效果甚至分解出有毒产物。所以至今只限于加工温度200℃左右的软质PVC和PE中使用。由于有机抗菌剂的安全性尚在研究，在抗菌塑料加工中使用量较少。

         

3 天然抗菌剂

 

从植物中提炼、精制可得到天然抗菌剂，如柠檬叶、薄荷的提取物等。另外，从节肢动物外壳提取出的甲壳素再经过脱乙酰化处理制得的壳聚糖，因其具有良好的生物相容性、可降解性，且对人体无害，成为目前的研究热点。

 

从动物外壳可提取抗菌剂壳聚糖        

 

清远瑞华助剂有限公司公开了一种天然抗菌剂，以质量分数计包括：50．0％~75．0％壳聚糖，0．5％~2．0％纳米TiO2，0．2％~1．0％分散助剂，24．0％~50．0％水。这种天然抗菌剂具有无毒、抗菌性能好、对人体有保养作用等优点。

         

宋洁等从含有不同有效抗菌成分的五倍子、茜草中分别提取天然抗菌物质，并与聚丁二酸－己二酸丁二酯(PBSA)共混制得PBSA／植物源提取物复合材料，结果表明，五倍子、茜草的添加可赋予PBSA抗菌性能。

         

4 复合抗菌剂

 

复合抗菌剂既有有机抗菌剂的即效性、持续性，又有无机抗菌剂的安全性、耐热性，因此复合抗菌剂仍是当今研究的热点之一。复合抗菌剂的制备主要有物理、化学两种方法。

         

于太保等利用马来酸酐与盐酸胍合成抗菌功能化马来酸酐，再与苯乙烯共聚，把具有抗菌功能的基团引入到高分子长链上，从而制得胍类高分子型抗菌剂，这种复合抗菌剂对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均具有较强的抗菌作用。

         

中国矿业大学(北京)公开了一种有机无机蒙脱石复合抗菌材料及其制备方法，实现了抗菌材料的广谱性能，使得抗菌材料能够对革兰氏阳性菌及阴性菌同时具有良好的抗菌性能。

 

二  抗菌塑料的评价标准

         

抗菌塑料除了具备良好的抗菌性能外，还必须保证所用的抗菌剂性能(如抗菌能力、安全性、耐药性、耐热性、缓释性能等)符合国家规定的卫生和安全标准，可以从常规性能、加工性能、抗菌性能3个方面来评价抗菌塑料。

         

塑料抗菌性能评价常用的指标是抗菌率、抑菌圈和抗菌长效性。抗菌率是定量指标，抑菌圈是定性指标，一般采用加速试验的方法来评价抗菌长效性。抗菌塑料抗菌评估方法主要是在其表面培养金黄色葡萄球菌和大肠杆菌来测试。

 

 

国内外的抗菌测试标准中，通常以抗菌活性值(R)或抗菌率来表征抗菌性能。R为2时，相当于抗菌率为99．0％；R为3时，相当于抗菌率为99．9％，一般认为抗菌率达到99．0％时，抗菌塑料具有较强的抗菌效果。

 

某抗菌塑料抗菌性能测试报告

 

抗菌塑料评价标准主要有：ISO846—2019《塑料微生物作用的评价》；ISO22196—2011《塑料制品表面抗菌性能评价方法》；GB／T31402—2015《塑料塑料表面抗菌性能试验方法》；JISZ2801—2010《抗菌塑料抗菌性能试验方法及抗菌效果》。

 

三  抗菌塑料的应用

         

1 在家用电器中的应用

 

目前，家用电器是全球抗菌塑料应用最为广泛和使用量最大的领域。日本是世界上较早将抗菌塑料应用于家用电器的国家，20世纪80年代后期，日本已经将抗菌防霉塑料应用于部分家用电器产品中。

 

抗菌塑料在冰箱中的应用  图源：石墨烯研究院

 

我国抗菌塑料的研发工作始于20世纪90年代，海尔集团自1998年推出了国内第一台抗菌冰箱以来，通过不断开拓创新，又推出了一系列健康安全的抗菌冰箱。

 

并于2006年首批通过了日本抗菌制品技术协会、中国抗菌材料及制品行业协会双认证。另外，海尔集团陆续实现了冷柜、洗衣机、空调等十六大门类系列产品的抗菌功能。

 

 

 

以沸石载银／锌复合抗菌剂、银系纳米无机抗菌剂、有机／无机复合抗菌剂为基础，北京崇高纳米科技有限公司研发了安迪美Ⓒ牌抗菌剂和抗菌母粒，在各种塑料材质的家电中已广泛应用。

 

该公司针对抗菌家用电器标准的要求，为家用电器零部件提供了符合技术要求的抗菌剂和抗菌母粒系列材料。

         

中国抗菌塑料的使用量还比较低，随着抗菌家用电器相关标准逐步完善和规范，中国的抗菌家用电器市场将会具有较大的发展潜力。

         

另外，若基础塑料的耐化学性不好，也容易滋生细菌，因此，家用电器企业选用抗菌塑料时，需要选择耐化学性强、表面张力较小、抗油、抗污渍、隔水、耐磨等性能较好的基础材料，以满足家用电器制造的特殊需求。

         

2 在汽车中的应用

 

对于汽车行业，人们的关注点已从化学污染、异味开始转移至微生物污染(细菌等)上，健康出行理念已获得社会各界广泛认同。

 

调研表明，65％的汽车消费者愿意为健康环保功能买单。在汽车内配备智能空气净化系统的同时，开展车内抗菌材料的研发和应用，已成为汽车行业研究的新热点。

 

 

2020年3月，比亚迪已将具有长效抗菌功能的材料应用到客车可接触物(如座椅、扶手等)中，以降低公共交通交叉感染细菌的风险。

 

目前，日本的汽车中已大规模使用了抗菌塑料，并且越来越多的抗菌塑料将应用在高档轿车的内饰中，如日产轿车的方向盘、把手等。

 

 

抗菌塑料可用于汽车多个部件

         

上海锦湖日丽塑料有限公司开发了专门用于汽车的抗菌防霉改性塑料，结果表明：存放8个月后，透明抗菌ABS对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率大于等于99．9％，黑色抗菌ABS及聚碳酸酯(PC)／ABS也均能够满足要求；气味和挥发性有机化合物(VOC)测试结果表明，抗菌塑料的气味和VOC与应用成熟的通用塑料相比，差异性并不大，总挥发性有机化合物(TVOC)远低于一般内饰塑料件的要求(小于等于50μg／g)。

 

锦湖日丽透明抗菌ABS抗菌效果  图源：锦湖日丽

         

总体来看，车用抗菌塑料的研发和应用尚处于起步阶段，不过吉利控股集团等少数生产企业在抗菌塑料方面已加大研发力度，积极开展产品应用。

         

3 在医疗中的应用

 

医用抗菌塑料的应用主要涉及伤口敷料、器械表面、医用植入体表面、医用导管等方面。

 

 

杭州科技职业技术学院公开了一种医用抗菌塑料材料及其制备方法，以质量份计包括：     

PP100．0份、

 

低密度聚乙烯(LDPE)5．0~12．0份、

 

乙烯－醋酸乙烯酯共聚物3．0~15．0份、

 

PP接枝羧酸0．3~0．8份、

 

柏木油1．2~2．6份、

 

环氧大豆油2．4~4．8份、

 

复合抗菌剂6．0~18．0份、

 

氧化镁3．0~8．0份、

 

硬脂酸钠1．5~3．5份、

 

抗静电剂0．8~1．5份。

 

本发明制备的医用抗菌塑料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率均在98．0％以上，抗菌效果较好，可应用于抗菌扶手、抗菌轮椅等医用产品中。

         

中国科学院理化技术研究所公开了一种接枝ε－聚赖氨酸的双醛基壳聚糖及其制备方法和应用，首次实现了接枝ε－聚赖氨酸的双醛基壳聚糖的合成制备，该改性壳聚糖作为一种新型生物医用抗菌材料，可用于制备能促进伤口愈合的各种类型抗菌敷料，如液体敷料、水凝胶敷料、水胶体敷料、海绵敷料、膜敷料等。

 

抗菌敷料

         

4 在食品包装中的应用

         

徐桂明等将纳米ZnO添加到LDPE中，制备出纳米ZnO／LDPE食品包装抗菌塑料，该材料对于金黄色葡萄球菌有很好的抗菌效果。

抗菌食品包装  图源：朗亿

         

利用不同种类物质实现抗菌功能的活性包装正在不断涌现，有些已经商品化生产，其中以载银沸石为活性成分的基材包括线型低密度聚乙烯   (LLDPE)、PE等，已应用于膜、食品、牛奶容器等方面。

         

5 在其他行业中的应用

 

抗菌塑料在建筑等领域也得到了应用，主要有给排水管系统、塑料门窗、卫生洁具等。

         

随着科技的发展，抗菌剂、加工工艺和评价方法等都会得到不断提升，抗菌塑料的应用领域也会越来越广泛，但研究广谱、长效、安全无毒、分散性和相容性良好的抗菌剂仍是重要课题。另外，在抗菌塑料的加工应用中，高温、高热、强剪切等因素对抗菌剂的影响也要重点考虑。

         

抗菌塑料今后的发展可关注以下方面：

 

1)对复合抗菌剂可进行深入研究，尽快解决复合抗菌剂产业化问题。

 

2)在高分子链上直接引进抗菌化合物活性基团的合成研究，加快研制出高效广谱、毒性小、可回收再生的廉价高分子抗菌剂。

 

3)目前抗菌效果的评价方法不利于进行工业化生产评估，建立简单易行、统一的抗菌检测标准是未来发展趋势。

 

4)抗菌塑料制品中大多含有金属离子，对抗菌塑料废弃物回收处理问题值得思考。