抗抗菌防霉粉末涂料的研制

抗菌防霉粉末涂料的研制

    摘要：采用最低抑菌浓度法（MIC）选择抗菌剂，添加于粉末涂料中，研究了抗菌剂的最佳添加量、抗菌防霉粉末涂料的抗菌性、涂膜的理化性能、颜色的热稳定性及与其他粉末涂料的相容性。

    1 引 言
    随着环保意识的不断提高和环保法规的逐步完善，涂料行业对VOC（挥发性有机化合物含量）和HMPS（有害物质含量）的控制越来越严格，涂料水性化和粉末化的趋势越来越明显。环保型粉末涂料的应用范围日益扩大，从传统的金属底材领域如家电、建材、交通器材、机器外壳等扩大到非金属底材领域，如塑料制品、玻璃制品、中密度纤维板等。随着粉末涂料应用领域的扩大，粉末涂层经常会处于气候潮湿、温度适中的环境中，粉末涂膜表面极易受到细菌、霉菌等有害微生物的侵害，这不仅会破坏涂膜本身，导致涂膜沾污、变色和粉化，甚至会使涂膜脱落，失去对底材的保护装饰功能，另外，有害细菌与人体接触还会传染各种疾病，威胁人类的健康。
    近年来，日本、欧美等国家先后研制开发了抗菌粉末涂料，Dupont公司、Orion Industries公司等生产的抗菌防霉型涂料已广泛应用到家电、汽车等领域。我国许多生产厂家和研究单位对抗菌涂料也给予了极大关注。该项技术已经应用于液体涂料之中，但是在粉末涂料行业中的应用还不多见。本文通过对传统的抗菌防霉物质进行筛选，确定了一种适用于粉末涂料的复合抗菌防霉体系，并讨论了这种抗菌防霉剂对粉末涂料及粉末涂膜的影响。

    2 实验部分
    2.1 抗菌防霉剂的选择和制造
    侵蚀涂料的微生物有细菌、霉菌、酵母菌和藻类，对粉末涂料而言，危害较大的微生物主要是细菌和霉菌，因此，开发抗菌防霉粉末涂料主要就是针对这两种微生物。
    可以用做抗菌防霉剂的物质有很多，主要可分为4大类：有机抗菌剂、无机抗菌剂、天然抗菌剂和高分子抗菌剂，这4类抗菌剂各有优缺点。无机抗菌剂是利用银、锌、铜、钛等金属离子的杀菌或抑菌能力而制得的一类抗菌剂，目前多采用沸石、硅灰石、陶瓷、不溶性磷酸盐等与金属离子有较强结合力的物质作载体，无机抗菌剂属于离子溶出接触型抗菌剂，耐热性好，抗菌谱广，有效期长，毒性低，不产生耐药性，但是易变色，制造困难，对霉菌抑制力较弱。常用的有机抗菌剂有卤化物、有机锡、异噻唑、吡啶金属盐、咪唑酮、醛类化合物、季铵盐等，它们的应用历史长，用量少，杀菌速度快，加工方便，颜色稳定性好，防霉效果好，但是耐热性差，易产生生物耐药性。天然抗菌剂主要有壳聚糖类，耐热性较差，应用受到限制。高分子抗菌剂是根据天然高分子材料的抗菌性而模拟合成的具有一定抗菌性能的高分子材料，制造较困难。
    由于粉末涂料不含溶剂，采用树脂、颜填料、添加剂等成分配制而成，所以抗菌防霉剂加入之后，应与各组分有良好的相容性，不会引起涂料颜色、气味及稳定性的变化，而且能够经受住粉末涂料固化时的高温，不影响粉末涂料的交联固化，不影响粉末涂膜的性能。依据每种抗菌剂的最低抑菌浓度，我们选择了三种抗菌剂，组成了无机/有机复合抗菌防霉剂，经过对该复合体系进行化学处理，同时利用高速搅拌、球磨等物理手段进行分散、细化，制成了粉末涂料专用抗菌防霉剂。

    2.2 抗菌防霉粉末涂料的制造
    将占总量1%的抗菌防霉剂与环氧树脂、聚酯树脂、流平剂、脱气剂、填料及其他添加剂按照普通的粉末涂料配方工艺混合均匀，采用双螺杆挤出机熔融混炼，压片冷却后粉碎成片，再置于ACM研磨机中粉碎成粒度适中的粉末涂料。
    取适量的抗菌防霉粉末涂料，用静电喷枪喷涂于样板上（样板依据国标GB/T 1727制作），置于设定温度的烘箱中，固化至规定的时间后取出，室温下放置24h。按照HG/T2006-91（电冰箱用粉末涂料标准）对涂膜性能作综合测试，结果见表1。参照《卫生部消毒技术规范》中的抑菌实验，测试涂膜的抗菌率，结果见表-2；按照GB2423.16-90（电工电子产品基本环境试验规程中试验J：长霉试验方法ASTM G21-96）测试防霉等级，结果见表3。以上各项实验均同时做空白对比实验。    
    3 结果与讨论
    3.1 选择抗菌剂的注意事项
    在确定抗菌剂杀菌能力时我们采用了最低抑菌浓度法（MIC），即在营养琼脂培养液中加入105cfu/ml的菌液，测试完全不长菌时所需要的杀菌剂最低浓度。表4为3种典型的抗菌剂的最低抑菌浓度。1#为无机纳米抗菌剂，它对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌能力很强，但对霉菌的抑制作用较弱；2#、3#为有机抗菌剂，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制作用差，但对不同霉菌有一定的抑制作用，防霉谱不连续。2#、3#同时使用，既可保证防霉谱的连续，又能解决生物耐药性；根据以上分析，最终确定了三种组分同时使用，形成了有机/无机复合抗菌防霉剂。
        无机抗菌剂中含有重金属离子，对粉末涂料的固化反应有一定程度的影响，在复合抗菌剂中应尽量少用无机抗菌剂，同时应对复合抗菌剂进行化学处理，以减少对涂料树脂聚合反应的阻碍作用。在粉末涂料的配方设计中，要选用高反应活性的树脂，或添加适量催化剂，以保证涂料树脂的充分固化。

    3.2 复合抗菌防霉剂在粉末涂料中的添加量
    在普通粉末涂料配方中，通过添加不同用量的抗菌防霉剂，配制成不同的抗菌防霉粉末涂料，经喷涂、固化后，测试涂膜的抗菌率（以大肠杆菌为代表），结果见表5和图1。
    由图1可知，抗菌防霉剂的最佳添加量应为1%，此时的抗菌率已达98%，进一步提高抗菌防霉剂的用量，抗菌率提高有限，并且会增加成本，还会影响涂膜的固化反应，当添加量达到2.5%时，固化后涂膜的抗冲击性能变得很差，不能满足涂膜对基材的保护功能。所以，抗菌防霉剂的上限用量应为2%，综合考虑，添加1%的抗菌防霉剂即可满足要求。

    3.3 抗菌防霉剂对粉末涂料颜色稳定性的影响
     传统的抗菌防霉剂热稳定性差，易变色，会影响粉末涂膜的颜色。因此，有必要对抗菌防霉粉末涂料的颜色稳定性进行研究。抗菌防霉剂主要受光、热的影响而产生颜色变化，抗菌防霉粉末涂料要经受180℃以上的烘烤温度，所以涂膜固化过程中的高温是产生颜色变化的主要因素。热稳定性随着抗菌防霉剂用量的增加而降低（见表6）。当用量为2%时，涂膜热稳定性明显变差。涂膜颜色随温度的变化情况见表7。   
    表6、表7表明，在适宜的添加量和固化条件下，抗菌防霉粉末涂膜的色差是可以接受的。

    3.4 抗菌防霉剂对粉末涂料相容性的影响
    在粉末涂料的施工过程中，经常会遇到相容性不良的问题。如果两种粉末涂料不相容或相容性差，就会产生缩孔、失光、针孔等涂膜弊病。因此，探讨抗菌防霉粉末涂料的相容性非常必要。取普通粉末涂料和抗菌防霉粉末涂料（基本配方一致，仅有抗菌防霉剂含量的区别）各200g，根据表8作混粉试验，结果表明，抗菌防霉剂对粉末涂料的混容性没有影响。
    4 结语
    （1）选择抗菌防霉物质时必须综合考虑抗菌、防霉、生物耐药性、杀菌谱等多种因素，本试验选用的无机/有机复合体系可以达到这一要求。
    （2）抗菌防霉剂的加量必须慎重，由于其中的重金属离子会阻碍涂料中树脂之间的化学反应，因此涂料配方时必须选择高反应活性的树脂和少量的抗菌防霉剂配用。
    （3）抗菌防霉剂对粉末涂料颜色的热稳定性和粉末之间的混容性几乎没有影响。

                                                                                              湖北来斯技术部整理

                                                                                                                                                                                                                                 20140326