塑料工業中的抗菌劑
在塑料工業中,抗菌劑主要用于以下兩種情況:
作為生物穩定劑(即防腐劑)
作為抗菌活性劑
二者的主要區別在于必需的抗菌活性分布。
抗菌生物穩定劑(防腐劑)
向塑料制品中加入抗菌生物穩定劑(生物殺滅劑)或防腐劑,可以有效地對材料進行保護,避免使其受到諸如細菌、真菌和藻類微生物的侵襲,進而避免塑料產品發生不必要的化學和物理性質的變化,或者造成塑料產品不必要的外觀改變。細菌生長的危險性以及伴隨著的對塑料的損害在潮濕、多雨的環境中(例如,浴室、廚房)以及室外應用中(例如,水池襯板、溫室、遮陽篷)尤其普遍。
由微生物所引起的對塑料的生物腐蝕作用主要有三種不同的產生模式:
微生物利用塑料中的成分作為營養源,發生直接降解
微生物代謝物(例如,酸、酶、色素)所引起的塑料制品外觀的間接降解或變化
微生物未發生降解,而在塑料制品表面發生沉降所引起的表面效應
塑料制品最初會常常受到真菌的侵襲。而真菌也會使塑料制品發生最嚴重的降解,但是細菌也可以靠塑料中的添加劑為生。一旦諸如增塑劑之類的添加劑開始進行生物降解,并轉變為較小的有機化合物,其他微生物就會進入并且導致生物腐蝕現象的加劇。生物腐蝕作用常常會導致塑料產品耐用性和使用壽命的下降。微生物的活動所造成的主要影響包括:
染色:由胞內色素(例如青霉素可以使塑料出現粉色污點)或胞外染料(有色代謝物的微生物釋放,例如硫化亞鐵FeS的產生所引起的白色或黑色的脫色現象)所造成。
電學性質的變化:產品的電學性能,尤其是絕緣性能會由于微生物的侵襲而發生變化。這種現象是通過微生物在塑料表面的沉降而引起的,但是在該過程中不會伴隨有材料的變質現象。當由于微生物的存在而產生外多糖之類的高分子材料時,相應的電學性能的衰退現象也會加劇。
機械性能的降低:由細菌和/或真菌所引起的增塑劑的代謝作用可以使塑料脆化、收縮、最終導致拉伸強度和完整性的損失。增塑劑被破壞進而變成較小的分子,這一現象也會促使微生物的生長,進而使原本完整的增塑劑發生代謝。
污物吸收力的增強:由于塑料表面被微生物所侵襲,增加了表面的粗糙度,從而使得污垢更容易在表面堆積。這種現象通常是由于增塑劑降解而使表面發生變化的結果。
溶劑和氣體的滲透性:塑料機械性能的降低也會導致溶劑和氣體滲透性的增加。
氣味:微生物的代謝會導致胺類物質、氨水或硫化氫等的產生,這些代謝產物都會形成難聞的氣味。
受微生物侵襲影響的塑料制品
聚氯乙烯(Polyvinylchloride,PVC):塑料中常用的添加劑,例如增塑劑、淀粉填料、增稠劑、潤滑劑、和油脂尤其容易受到微生物生長的威脅。而在增塑聚氯乙烯(增塑PVC)中所使用的增塑劑則容易受到真菌類微生物的攻擊。真菌類微生物將增塑劑和其他成分作為其碳源,會使材料發生變色、產生異味、出現粘性并最終導致脆化。
聚氨酯(Polyurethanes,PUR):發泡聚氨酯特別容易受到微生物的侵襲。原因在于發泡聚氨酯具有開孔結構,從而容易沉積土壤、灰塵以及真菌或細菌孢子,進而促使微生物在聚氨酯表面生長。聚酯型聚氨酯較聚醚型聚氨酯更容易受到微生物的影響而使產品的性能變差。
聚乙烯(Polyethylene,PE):通常來講,與增塑PVC和聚氨酯相比,聚乙烯比較不容易受到微生物侵襲的影響。低分子量聚乙烯(<10,000)和支化度相對較小的聚合物受微生物侵襲的風險比較高。
聚酯(Polyesters):聚酯通常對微生物的降解具有抵抗力,僅僅在特殊情況下才會受到微生物的影響,例如由e-己內酯所得到的聚酯會受到微生物降解的影響。
我們可以通過在加工過程中加入抗菌添加劑的方法,對微生物的降解形成阻礙。生物殺滅劑(抗菌生物穩定劑)可以通過對一個或多個酶系統進行分割從而對微生物的新陳代謝進行干預。然而,為了使添加劑具有有效性,絕大多數的添加劑都必須遷移到塑料表面。而添加劑遷移的過程會受到添加劑的化學性質以及其與基體聚合物相容性的影響。許多化學物質都具有抗菌性,但是幾乎都不適宜用于塑料中。原因在于這類化學物質要具有低的成本,在加工過程中具有兼容性、熱穩定性,并且要求化學物質具有環境穩定性和安全/方便的操作性。