纳米硫化银-纸浆复合纤维的原位制备及抑菌性能研究

李江漫　钱学仁,*　安显慧

(1.东北林业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨,150040；2.东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨,150040)



·抑菌纸·

纳米硫化银-纸浆复合纤维的原位制备及抑菌性能研究

李江漫1,2钱学仁1,2,*安显慧1,2

(1.东北林业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨,150040；2.东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨,150040)

利用原位合成法制备纳米硫化银-纸浆复合纤维,并以此复合纤维制备抑菌纸。采用X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线光谱(EDX)对制备的复合纤维抑菌纸进行了分析,证明复合纤维抑菌纸的表面存在硫化银纳米颗粒。实验探究了制备条件(硫源种类、反应温度、反应时间和反应物浓度)对复合纤维抑菌纸抑菌性能的影响,发现影响复合纤维抑菌纸抑菌性能的主要因素是硫源和温度；以硫化钠为硫源、室温下制备的复合纤维抑菌纸具有最好的抑菌性能；纳米硫化银-纸浆复合纤维抑菌纸的适宜制备条件：硫化钠为硫源,浓度为0.005 mol/L,硝酸银浓度为0.01 mol/L,在20℃下反应2.0 h。

纳米硫化银；纸浆；抑菌纸；原位合成法；抑菌性能

抑菌纸是将少量的抑菌剂以喷洒、施胶、涂布、浸渍、改性纤维等方式添加到普通纸中而制成的具有抑菌功能的纸[1]。抑菌纸的用途十分广泛,可作为食品、医药以及水果等物品的包装材料,还可作为制造流通领域的票据、证券的原纸等[2]。抑菌纸的研究与开发已经成为特种功能纸研发领域的热点[3-10]。目前,各种抑菌剂主要采用湿部添加法、表面加工法和纤维抄造法3种方法添加到纸张中[11-12]。

图1　Ag对微生物的抑菌机理[13]

银(Ag)的抑菌机理与化学合成的抑菌剂的抑菌机理不同,Ag的抑菌机理是因为Ag+对细菌蛋白质有变性作用,所以银具有广谱杀菌功能,并且很少会产生耐药菌。目前,关于Ag+的抑菌机理有两种说法。其一,Ag通过破坏细菌细胞壁导致细胞内容物的溶出,阻碍有利于细菌新陈代谢酶的合成,破坏遗传因子从而使细菌丧失生物学活性而完成抑菌(如图1所示)。Ag和Ag+抑菌性能的体现主要是通过Ag及Ag+与细菌蛋白质、核酸接触,并与其官能团发生反应[14],来达到抑菌的目的。其二,Ag极性催化能力较高,在聚合物载体中的状态是处于稳定的活

化状态,在光的作用下,与水或空气作用,Ag会转变为Ag+,并在其周围产生活性氧。活性氧具有持久的灭菌能力。由于细菌细胞壁的组成不同,细菌表面具有微弱正电性或负电性,因此细菌一般分为革兰氏阳性菌(表面带正电)和革兰氏阴性菌(表面带负电),一般Ag+对于革兰氏阴性菌具有相对更好的抑菌性能[15]。

目前,较普遍、成熟的做法都是利用金属Ag来进行抑菌,但从稳定性这个方面进行分析,硫化银(Ag2S)在室温和空气中都是稳定的,所以硫化银的稳定性要远远大于银单质、氧化银和大部分的银盐,而关于硫化银作为抑菌剂与纸进行结合制备抑菌纸的研究尚未见报道。本研究利用原位合成法制备纳米硫化银-纸浆复合纤维,再将此复合纤维抄制成抑菌纸,通过菌种培养实验来测试该纸的抑菌性能。

1　实　验

1.1试剂与材料

纸浆为加拿大漂白硫酸盐针叶木浆板,由牡丹江恒丰纸业股份有限公司提供；硝酸银(AgNO3)、硫脲、硫代硫酸钠、硫化钠、氯化钠均为分析纯,由汕头市西陇化工厂生产；营养琼脂(BR生化试剂)、大肠杆菌(ATCC25922-3)购自青岛高科园海博生物技术有限公司；金黄色葡萄球菌(ATCC25923-3)购自青岛高科园海博生物技术有限公司。

1.2纸浆的准备

称取320 g加拿大漂白硫酸盐针叶木浆板,把浆板撕成约25 mm×25 mm大小的小片,加6 L水浸泡,浸泡12 h后,将浆料倒入打浆机中,补加14 L水,使之达到1.6%的浆浓,然后开始充分地疏解浆料,一定时间后开始打浆,打浆期间每隔10 min测定一次打浆度,直至打浆度为40°SR,最后脱水平衡水分备用。

1.3纳米硫化银-纸浆复合纤维的制备

分别于两个不同的玻璃容器中配制一定浓度的硝酸银溶液及3种硫源(分别为硫脲、硫代硫酸钠、硫化钠)溶液,使Ag+∶S2-的摩尔比为2∶1。取2 g绝干浆置于三口瓶中,再加入200 mL的蒸馏水后加入100 mL 硝酸银溶液,在一定水浴条件下对其分散30 min,随后将100 mL的硫源溶液以3 mL/min的速度滴加到三口瓶中,继续反应一定时间后,用自制的网兜洗涤复合纤维,以去除未沉积在纤维表面的化学物质。整个实验过程需维持温度恒定,搅拌速度恒定为350 r/min。

1.4纳米硫化银-纸浆复合纤维抑菌纸的制备

将复合纤维在纸页成形器上抄造纸张,然后将湿纸幅在0.4 MPa下进行5 min的压榨处理,最后在105℃下干燥6 min。各种硫源抑菌纸样及空白纸样在进行各项性能检测及仪器分析之前,均在恒温恒湿环境下放置24 h。实验中所用空白纸样为2 g绝干浆抄造而成,空白样的操造工艺与复合纤维抑菌纸的完全相同。

1.5抑菌性能的测定

称量牛肉膏1.25 g、蛋白胨2.5 g、NaCl 1.25 g,将它们加入500 mL去离子水中,加热使其溶解,然后用0.1 mol/L的NaOH溶液调节其pH值到7.0～7.2,再加5 g琼脂,加热使其融化,补加去离子水至总体积为500 mL,分装于2个250 mL的锥形瓶中,在灭菌锅中灭菌20 min,制得牛肉膏蛋白胨培养基。

在无菌操作台上用接种环在牛肉膏蛋白胨培养基上分别接种大肠杆菌和金黄色葡萄球菌,放入37.2℃的培养箱中培养2天,然后放在0℃的冰箱中使其休眠,备用。取直径为9 cm的培养皿,将其洗净后烘干,用报纸包好后,在160℃的烘箱中灭菌40 min。用打孔器在待测纸样和空白纸样上打出直径为15 mm的圆形纸片,放在培养皿中在紫外光照射下灭菌20 min。

在已灭菌的培养皿中,倒入约10 mL左右的培养基,培养基凝固后移取0.15 mL制好的菌悬浮液在培养基上使之分散均匀,然后在接种过的培养基上覆盖事先准备好的圆形纸片,用蜡膜将其密封,将培养皿倒置,放入37.2℃的培养箱中培养,24 h后观察并拍照。根据抑菌圈的大小判断抑菌性能,抑菌圈的直径越大,其抑菌性能越好。

1.6表征与分析

X射线衍射(XRD)分析采用日本D/Max2200型X射线衍射仪,测量中采用Cu Kα射线,管电压30 kV,管电流40 mA,以4°/min的速率从10°扫描至70°。扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱(SEM-EDX)分析采用日本电子公司的JSM-7500F扫描电子显微镜,观察前,试样的表面及断面均做喷金处理。

图3　不同硫源抑菌纸的SEM照片及EDX图谱

2　结果与讨论

2.1纳米硫化银-纸浆复合纤维抑菌纸的表征

2.1.1XRD表征

在硝酸银为0.01 mol/L、硫源为0.005 mol/L、反应温度20℃、反应时间为2 h的条件下制得纳米硫化银-纸浆复合纤维,其抑菌纸的X射线衍射(XRD)图谱如图2所示。从图2可见,抑菌纸的XRD图谱存在明显的纤维素的特征衍射峰(2θ值分别约为16°、23°和34°)。抑菌纸与空白纸样的XRD谱图明显不同,但不同硫源合成的抑菌纸之间无明显差异,3种抑菌纸的特征峰可完全对应。抑菌纸的XRD谱图与标准晶态硫化银卡片比较显示,大部分特征峰均与硫化银晶体特征峰吻合,例如抑菌纸特征衍射峰的2θ值33.5°、34.3°、36.6°、37.0°和37.6°分别对应于标准晶态硫化银卡片33.613°、34.385°、36.556°、36.805°和37.718°,这表明抑菌纸表面存在硫化银晶体。

图2　不同硫源抑菌纸的XRD分析

图4　不同硫源抑菌纸的抑菌照片

2.1.2SEM和EDX表征

图3所示为采用SEM和EDX对喷金后的抑菌纸进行的表征分析结果。从图3中放大到20000倍的SEM图片可以看出,在纸张表面生成了许多纳米硫化银颗粒,颗粒直径在35 nm左右；由放大倍数为10000倍的SEM图片可以发现,以硫脲和硫代硫酸钠为硫源生成的硫化银在纸张表面发生聚积,而以硫化钠为硫源生成的硫化银均匀分布在纸张的表面；从EDX分析数据可以得出,除组成纤维素的主要元素C与O外,纤维表面存在Ag元素和S元素,且Ag元素和S元素的比例接近2∶1,进一步证明了在复合纤维中有硫化银生成。同时结合XRD的分析结果,说明成功制备了含有硫化银的抑菌纸。

2.2实验条件的影响

纳米硫化银复合纤维的制备是多条件控制过程,其中任何一个环节,如反应物的浓度、反应温度、反应时间等都会对最终结果产生影响。本研究通过考察多个实验条件下纳米硫化银复合纤维抑菌纸性能的变化,找到影响抑菌性能的主要因素,从而总结出一个较优的实验条件。

2.2.1硫源的影响

在2 g绝干浆和一定量蒸馏水的反应体系中，先加入硝酸银溶液充分润胀,在350 r/min下搅拌30 min 后,再分别用250 mL的滴液漏斗滴加不同的硫源溶液,滴加速度为3 mL/min。硫源在整个体系中的浓度为0.03 mol/L,硝酸银与其发生化学等量反应,即硝酸银的反应浓度为0.06 mol/L。

图4为3种硫源制备的抑菌纸对金黄色葡萄球菌的抑菌效果对比照片。以硫脲和硫代硫酸钠为硫源的抑菌纸为棕黑色,以硫化钠为硫源的抑菌纸颜色较前两种颜色浅,为浅灰黑色。从图4两种制备条件(1代表60℃和2.5 h,2代表20℃和2 h)下得到的抑菌纸的抑菌照片可以明显观察到,以硫脲和硫代硫酸钠为硫源的纸片周围几乎没有抑菌圈,而以硫化钠为硫源的纸片周围有抑菌圈,说明以硫脲和硫代硫酸钠为硫源得到的抑菌纸没有抑菌功能,而以硫化钠为硫源得到的抑菌纸有抑菌效果。综合考虑纳米硫化银-纸浆复合纤维抑菌纸的抑菌性能,硫源选择硫化钠较合适。

2.2.2反应温度的影响

将2 g的绝干浆加入三口瓶,并加入200 mL的蒸馏水之后,先加入一定量的硝酸银溶液搅拌30 min 后滴加一定量的硫化钠,反应时间为2.5 h。全部实验均在暗箱中操作。温度分别为20、30、40、50、60和80℃。硝酸银浓度为0.06 mol/L,硫化钠浓度为0.03 mol/L。

图5　反应温度对抑菌圈直径的影响

图6　反应时间对抑菌圈直径的影响

图7　反应物浓度对抑菌圈直径的影响

图5为反应温度对抑菌圈直径的影响。从图5中可以看出,复合纤维抑菌纸对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌性能随着温度的升高基本上呈降低趋势,在20℃时抑菌效果最好。这是因为随着反应温度的进一步升高,形成的硫化银纳米颗粒布朗运动加剧,粒子之间相互碰撞的几率增大,容易因碰撞聚集而形成二次颗粒,二次颗粒不但粒径比一次颗粒大,而且形态不规则,不利于发挥Ag的抑菌作用。以上实验证明，20℃为最理想的反应温度。

2.2.3反应时间的影响

硫源为硫化钠,温度为20℃,时间分别为1.0、2.0、2.5、3.0和4.0 h,其他实验条件均不变。硝酸银浓度为0.01 mol/L,硫化钠浓度为0.005 mol/L。

图6为反应时间对抑菌圈直径的影响。从图6中可以看出,复合纤维抑菌纸对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌性能随反应时间的增加变化趋势是不同的,对金黄色葡萄球菌的抑菌圈随反应时间增加变化比较平稳,而对大肠杆菌的抑菌圈变化比较剧烈,但二者的抑菌圈均在反应时间2.0 h处达到最大,故2.0 h是最佳反应时间,继续增加反应时间并没有使得抑菌效果更佳,反而使得抑菌效果变差。这是因为反应时间加长,促进了化学反应的正向进行,使化学反应更加充分,进而使得纳米硫化银的生成量增加,反应初期是晶体爆发成核阶段,随后才是晶体发育生长阶段,随着反应时间增加,晶体碰撞机率增加,有助于形成大颗粒,从而不利于发挥Ag的抑菌作用。

2.2.4反应物浓度的影响

反应温度为20℃,反应时间为2.0 h,硫化钠的浓度分别为0.001、0.002、0.003、0.004、0.005、0.010、0.020和0.030 mol/L,保持Ag+与S2-的摩尔比为2∶1,使硝酸银和硫化钠在纤维悬浮液中发生等量反应,其他实验条件均不变，结果见图7。从图7可看出，随着初期反应物浓度的升高,抑菌纸的抑菌圈呈上升趋势,这是由于反应物浓度的增加促进了化学反应的正向进行,使得硫化银晶体的生成量增加,从而提高了抑菌纸样的抑菌效果；但随着反应物浓度的增加,硫化银晶体生成量的不断增加,抑菌纸表面由于纳米硫化银的过度包覆,使抑菌纸的抑菌性能降低；随着反应物浓度的继续增加,抑菌纸表面会更加均匀地被大量的纳米硫化银包裹,从而提高了抑菌纸的抑菌性能,但考虑到成本,硫化银的浓度取0.005 mol/L较为适宜。

3　结　论

实验采用原位合成法制备了纳米硫化银-纸浆复合纤维抑菌纸,采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线光谱(EDX)对纳米硫化银-纸浆复合纤维抑菌纸进行了分析,并探究了不同硫源、反应温度、反应时间和反应物浓度对纳米硫化银-纸浆复合纤维抑菌纸抑菌性能(以金黄色葡萄球菌作为抑菌测试菌种)的影响。

(1)XRD、SEM和EDX分析表明,采用原位合成法成功制备了纳米硫化银-纸浆复合纤维抑菌纸。

(2)在硫脲、硫代硫酸钠和硫化钠3种硫源中,以硫化钠为硫源制备的纳米硫化银-纸浆复合纤维抑菌纸的抑菌性能最好。

(3)20℃时制备的纳米硫化银-纸浆复合纤维抑菌纸抑菌性能最好。

(4)综合考虑成本和纸张抑菌性能,硫化钠的浓度取0.005 mol/L较好。

(5)纳米硫化银-纸浆复合纤维的适宜制备条件为：硫源为硫化钠,浓度为0.005 mol/L,硝酸银浓度为0.01 mol/L,在20℃下反应2.0 h。

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(责任编辑：常青)

In Situ Preparation of Nano Silver Sulfide-pulp Composite Fibers and Its Antibacterial Properties

LI Jiang-man1,2QIAN Xue-ren1,2,*AN Xian-hui1,2

(1.MaterialScienceandEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin,HeilongjiangProvince, 150040;2.KeyLabofBio-basedMaterialScienceandTechnologyofMinistryofEducation,Harbin,HeilongjiangProvince, 150040)

(*E-mail: qianxueren@aliyun.com)

Nano silver sulfide-pulp composite fibers were successfully prepared by using in-situ synthesis process. The antibacterial paper sample made of the composite fibers was analyzed using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and the results confirmed the existence of silver sulfide nanoparticles on the surface of the paper. The effects of preparation conditions (sulfur source types, temperature, time and reactant concentration) on the antimicrobial property were explored, it was found that the main factors influencing the antibacterial property of the paper were sulfur source and temperature. The composite fibers prepared by using sodium sulfide as sulfur source had good antibacterial activity, but those prepared by using sulfourea and sodium hyposulfite as sulfur source had no antibacterial activity. The composite fibers prepared at room temperature had the best antibacterial property.

nano silver sulfide; pulp; antibacterial paper; in situ synthesis process; antibacterial property

李江漫女士，在读硕士研究生；研究方向：纸基功能材料。

2015-11-12(修改稿)

钱学仁先生，E-mail:qianxueren@aliyun.com。

TS761

ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.06.001