抗菌-超疏水性载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜制备及油水乳化液分离的应用1)

石燕花 杜西领 曲湲 张明

(北华大学，吉林省·吉林市，132013)

随着城市与工业化进程不断加快，含油废水污染问题日益严重，人类健康、水体安全以及生态平衡受到极大威胁，含油废水的分离与净化处理成为亟需解决的重要环境问题之一[1]。目前，传统的吸油材料如玉米秸秆[2]、沸石[3]、木棉纤维[4]、棉花纤维[5]等，以及新型的吸油材料如树脂[6]、碳纳米管[7]、碳海绵[8]、金属有机框架(MOF)[9]等，普遍存在制备工艺复杂、处理污染物效率低、易造成二次污染等问题。据此，实现水体污染治理新技术、新材料的研发具备十分重要且深远的战略意义。

纤维素质轻、易得、富含羟基等优点，使其在诸多领域得到了广泛应用。纤维素具有超疏水-超亲油性能，继而投入油水分离应用[10]。Huang et al.[11]利用氢键作用将纤维纳米晶负载于滤纸表面，随后以环氧丙烷与纤维素羟基的交联作用将纤维纳米晶固定于滤纸表面，形成具有纳米孔结构的超亲水-水下超疏油性纤维素纸。Satapathy et al.[12]采用溶液浇注技术，在纤维素纸上涂覆线性低密度聚乙烯和线型低密度聚乙烯-二氧化硅薄层；研究表明，线型低密度聚乙烯-二氧化硅涂层赋予纤维素纸更优异的超疏水-超亲油性能，使其在高温、酸碱环境下的油水分离效率依然可达99.9%。但纤维素纸作为基底，在循环利用过程中易被污染物中的细菌侵蚀，不利于循环利用。

随着纳米技术的迅猛发展，抗菌材料在医疗、食品包装、家庭用品等领域有极其广阔的应用前景，抑菌型超疏水-超亲油性材料的应用也受到了人们的普遍关注。TiO2常常作为纳米Ag缓释抗菌的优良载体，载银纳米二氧化钛具有高效抗菌、无毒和无污染等特点，可以用于涂料、造纸、医药和食品等领域[13-14]。本研究以纤维素纸为基材，在其表面涂覆单组分聚氨酯胶黏剂和载银纳米二氧化钛分散液，室温静置24 h后，得到抗菌-超疏水性载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜；先后对样品的微观形貌、结构组成和元素分布进行了分析与检测，研究了样品对于油水乳化液的分离性能，并系统讨论了样品的耐摩擦和抗菌性能。旨在为纤维素基油水乳化液分离膜材料的应用与发展提供参考。

1 材料与方法

材料、仪器：单组份聚氨酯胶黏剂(PU)、丙酮(体积分数99.5%)、乙醇(体积分数95%)、纤维素纸(实验室自制)、硝酸银(质量分数99.8%)、柠檬酸钠(质量分数99.8%)、二氧化钛纳米颗粒(TiO2NPs，实验室自制)；恒温振荡器(IS-RSD3，美国精骐)、生化培养箱(SPX-25085-II，上海新苗)、显微细胞分析/菌落计数/筛选/抑菌圈测量联用仪(杭州讯数)。

载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸的制备(见图1)：①将纳米二氧化钛(0.2 g)、AgNO3溶液(1.96 mol/L)、柠檬酸钠溶液(2.18 mol/L)分别加入到50 mL去离子水和乙醇(体积比为1∶1)的混合液中，经室温磁力搅拌2.5 h后，进行醇洗、离心、真空干燥；②将所得样品置于氮气保护管式炉中，以速率5 ℃/min程序升温至500 ℃煅烧1 h，冷却、研磨后，即得载银纳米二氧化钛颗粒(Ag@TiO2NPs)；③将单组分聚氨酯胶黏剂(0.2 g)通过持续磁力搅拌分散于丙酮(19.8 mL)中制得质量分数为1%的聚氨酯溶液，将载银纳米二氧化钛(0.2 g)超声分散于乙醇(7.8 mL)中得到质量分数为2.5%的载银纳米二氧化钛分散液；④利用喷笔(d=0.5 mm)在纤维素纸(80 mm×80 mm)表面交替喷涂聚氨酯溶液与载银纳米二氧化钛分散液，喷涂距离150～200 mm，室温干燥24 h，即得抗菌-超疏水性载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜。

图1 抗菌-超疏水性载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜的制备流程

表征测试与分析方法：样品微观形貌，采用扫描电镜(SEM，荷兰菲利普，Quanta 200)进行观测；样品表面元素分布，通过连接在扫描电镜上的X射线能谱仪(EDS，Quantax70)直接检测；产物粒度分布，通过激光粒度分析仪(美国麦奇克，Wave II)进行检测，分散相为水；产物结构组成，通过傅里叶红外光谱仪(FT-IR，德国布鲁克，Tensor 27)进行表征；样品结晶结构，通过X射线衍射仪(XRD，D/max-2200VPC)进行表征；乳化液分离效果，采用光学显微镜(麦克奥迪，BA410)进行观察；样品的润湿性能，采用接触角测量仪(上海中晨，JC2000C1)进行测定，即室温下吸取5 μL去离子水滴，在样品表面静待5 s后进行观察，要求每个样品测取5个不同位置的接触角，并计算其平均值。

样品的抗菌性能，采用抑菌圈法、最小抑菌质量浓度法和平板计数法进行测试，具体如下：

①抑菌圈法，是利用抑菌物质在涂布特定试验菌的琼脂培养基内成球性立体状扩散，抑制试验菌的繁殖，在抑菌物质的周围形成透明圈，即抑菌圈。具体实验操作——将复合纤维素纸膜裁剪成圆片(d=10 mm)放入超净无菌工作台处理；准备大肠杆菌(革兰氏阴性菌，含菌量约为106菌落·mL-1)、枯草芽孢杆菌(革兰氏阳性菌，含菌量约为106菌落·mL-1)和金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性菌，含菌量约为106菌落·mL-1)菌悬液，然后将上述3种菌悬液稀释104倍接种于固体LB培养基(酵母、蛋白胨、去离子水、琼脂)；将样品分别固定于上述3个培养基内，于37 ℃倒置培养24 h。

②最小抑菌质量浓度法，是指在体外培养细菌18～24 h后能抑制培养基内细菌生长的最低药物质量浓度，是测量药物抗菌活性的重要指标。具体实验操作——无菌操作取样(Ag@TiO2NPs/PU复合纤维素纸膜经粉碎、研磨)，利用超声处理均匀分散于去离子水中，分别配制成质量浓度为0.5、1×10-2、1×10-4、1×10-6、1×10-8g/L的抑菌液；配置双倍琼脂LB固体培养基，分别取10 mL系列抑菌液和10 mL双倍固体LB培养基充分混匀，加入培养皿内，凝固备用；分别取100 μL菌悬液(含菌量约为106菌落·mL-1)加入上述培养皿内混匀，于37 ℃倒置培养18～24 h。

③平板计数法，是统计样品含菌数的有效方法，通过统计菌落数，根据其稀释倍数和取样接种量，可以换算出样品中的含菌数，当接种过程中加入药物，可以量化评估药物抗菌活性。具体实验操作——将含菌量约为106菌落·mL-1的大肠杆菌菌悬液稀释105倍，金黄色葡萄球菌菌悬液稀释106倍；分别取2 mL大肠杆菌、金黄色葡萄球菌稀释菌悬液以及未被稀释的枯草芽孢杆菌菌悬液，与2 mL系列抑菌液放入无菌试管内混合震荡2 h(37 ℃，180 r/min)；取100 μL混合液加入LB培养基内混匀，于37 ℃倒置培养18～24 h。

2 结果与分析

2.1 各阶段产物的微观形貌

由纳米二氧化钛经纳米银负载前后的扫描电镜图像(见图2a、图2b)可见：纳米二氧化钛是直径为50～100 nm的球形纳米材料，纳米银的负载促使载银纳米二氧化钛团聚为尺寸更大、具有微纳多级结构的簇状固体材料，其粒径集中于322 nm(占总体积的27.9%)与1.143 μm(占总体积的72.1%，见图2c)。由纳米二氧化钛载银前后的X射线衍射谱图(见图2d(a)、图2d(b))可见：通过比对TiO2标准卡片(JCPDS，21-1272)，25.4°、37.9°、48.0°、54.3°、62.6°、68.8°、75.1°处的衍射峰，分别与TiO2的晶面(101)、(004)、(200)、(211)、(204)、(116)、(215)一一对应；负载纳米银后，TiO2的衍射峰减弱或消失，同时出现了Ag的衍射峰，通过比对Ag标准卡片(JCPDS，04-0783)可知，TiO2表面的Ag粒子为面心立方晶系Ag。根据谢乐公式(Scherrer公式)[15-17]D=0.89λ/(Bcosθ)[式中的D为晶粒垂直与晶面方向的平均厚度(单位为nm)、B为衍射峰的半高宽度、θ为衍射角(单位为(°))、λ为X射线波长(0.154 056 nm)]，经过计算，可初步获知Ag粒子在4个不同方向的厚度分别为15.23、10.38、17.14、17.29 nm，即可推测该Ag粒子可近似看作平均粒径为15.01 nm的球体颗粒。

由纤维素纸经单组分聚氨酯胶黏剂与载银纳米二氧化钛处理前后的扫描电镜图像(见图2e、图2f、图2g)可见：通过对比纤维素纸喷涂聚氨酯溶液前后的表面微观形貌可知，样品纤维、孔隙结构与微观形貌变化不大。经进一步喷涂载银纳米二氧化钛分散液后，纤维素纸表面形成粗糙的微-纳多级结构(见图2g)。通过观察Ti、O、Ag、C的元素分布(见图2g1～图2g4)与复合纤维素纸膜的能量色散X射线光谱图(见图2h)可知，载银纳米二氧化钛与单组分聚氨酯胶黏剂已经全面且较为均匀地覆盖于纤维素表面，成功制得抗菌-超疏水性载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜。

a为纳米二氧化钛的扫描电镜图像；b为载银纳米二氧化钛的扫描电镜图像；c为载银纳米二氧化钛的粒度分布图；d为二氧化钛、载银纳米二氧化钛的X射线衍射谱图；e为原始纤维素纸膜的扫描电镜图像；f为单组分聚氨酯胶黏剂处理纤维素纸膜的扫描电镜图像；g为载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜的扫描电镜图像；g1～g4为图g的元素面分布图；h为载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜的能量色散X射线光谱图。

2.2 各阶段纤维素纸膜的红外光谱分析

图3为纤维素纸膜的傅里叶变换红外光谱图；为便于理解，本研究对图中的特征吸收峰进行归纳总结(见表1)。3 413 cm-1处宽峰(O—H伸缩振动)是由于纤维素分子间氢键作用而变窄[18]。经单组分聚氨酯胶黏剂处理后，3 000～2 800 cm-1范围内的吸收峰减弱并分裂为3处，即2 974 cm-1(C—H伸缩振动)、2 922 cm-1(—CH2非对称伸缩振动)、2 849 cm-1(—CH2对称伸缩振动)[19]；加之1 049、721 cm-1处的吸收峰对应了聚氨酯的CO伸缩振动[20]与N—H弯曲振动[21]，再次验证单组分聚氨酯胶黏剂与纤维素纸膜的成功复合。另外，875、620 cm-1处的吸收峰源自于二氧化钛的Ti—OH、Ti—O—Ti的伸缩振动[22]，加之X射线衍射谱图、能量色散X射线光谱图已经印证纳米银的存在，亦可证实载银纳米二氧化钛、单组分聚氨酯胶黏剂与纤维素纸的良好复合。

a为载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜；b为载银纳米二氧化钛；c为未处理纤维素纸膜。

表1 各阶段纤维素纸膜的傅里叶变换红外光谱图中特征峰的波数和归属

2.3 复合纤维素纸膜油水分离性能

未处理纤维素纸与水的接触角(WCA)为0°(见图4a)。喷涂单组分聚氨酯胶黏剂后，纤维素纸与水的接触角为122.5°，表现出一定疏水性(见图4b)。这是由于聚氨酯含有氨脂基(—NHCOO)、异氰酸酯基(—NCO)类的胶黏剂，—NHCOO、—NCO具有较强的化学活泼性，与含活泼氢的纤维素纸有良好的黏合力，可以有效降低纤维素纸膜的表面能。继续喷涂载银纳米二氧化钛分散液后，获得超疏水-超亲油性复合纤维素纸膜，即与水的接触角为153°、与油的接触角(OCA)为0°(见图4c～图4e)。然而，光滑聚氨酯表面的与水的接触角仅为73°[23]。显然，固体材料表面的润湿性由其表面自由能、表面粗糙度、液体表面张力共同决定[24]。根据Cassie-Baxter方程[1]cosθc=fscosθs+fgcosθg、fs+fg=1、θg=180°，则可推导出cosθc=fs(cosθs+1)-1；式中的θc为粗糙表面的表观接触角、θs为光滑表面的本征接触角、θg为空气表面的本征接触角、fs为液滴与固体接触所占有的单位表观面积分数、fg为液滴与空气接触所占有的单位表观面积分数。

经计算，当水滴滴落于载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜表面时，水与纤维素纸膜表面接触所占有的单位表观面积分数为8.45%，而与空气接触所占有的单位表观面积分数为91.55%，即表明此时水滴位于载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合层的微/纳粗糙结构顶部，被捕获于复合层空隙或凹槽中的“空气垫”托住，稍微倾斜立即滚落，表现出良好的超疏水性。将该材料作为选择透过性介质置于漏斗中(见图4f)，将配制的油包水乳化液(氯仿和水)倾倒于其表面。此时，乳化液中的氯仿迅速润湿、穿透载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜；而微米级的水滴，则在复合纤维素纸膜表面移动、聚集，进一步形成更大的水滴立于纸膜表面，完成破乳过程；氯仿可以被简单收集于下方容器内，而纸膜表面的水可以通过简单的倾斜转移到其他容器内；完成油水乳化液的分离过程。通过光学显微镜观察发现，初始的雾状乳化液中均匀分散着直径在1～3 μm的水滴(见图4g)，经复合纤维素纸膜过滤后，乳化液中的水滴消失(见图4i)，乳化液变得澄清透明，显示了突出的油水乳化液分离效果。

a为未处理纤维素纸膜与水的接触角；b为单组分聚氨酯胶黏剂处理纤维素纸膜与水的接触角，c为载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜与水的接触角；d为水在载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜表面的图像；e为氯仿滴在载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜表面的图像；f为水油分离装置；g为油包水乳化液；h为过滤前后的乳化液；i为滤液。

2.4 复合纤维素纸膜的耐摩擦性能

超疏水材料表面遭受机械摩擦时，其疏水性能大多会有明显减弱，极大限制了其实际应用。为此，本研究对载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜进行了耐摩擦性能评估。由图5a可见：设置负重为175 g、摩擦距离为100 mm、摩擦介质为滤纸，将25 mm×25 mm的样品固定在透明载玻片上，随后以7 mm/s匀速拉动载玻片进行摩擦测试。对比不同摩擦次数的载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜表面状态与防水效果可知，随着摩擦次数的增加，样品表面的颗粒依次出现部分脱落，与水的接触角亦逐渐减小。由图5b可见：载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜初始与水的接触角为153°，第3次减小到127.5°，第4～7次以后纸膜表面的颗粒脱落减缓，与水的接触角变化逐渐趋于平衡达至121.5°，仍拥有良好的疏水性能。图5c呈现了摩擦后纤维素纸膜的质量变化情况，载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜进行第1次摩擦后，纸膜质量剩余率降至92.3%，经历第3次摩擦后，纸膜质量剩余率为80.0%，由此至第7次摩擦测试，载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜的质量剩余率不再发生改变，表明该复合纤维素纸膜具备较好的机械稳定性。

a为表面状态；b为疏水效果；c为复合纤维素纸膜的质量剩余率。

2.5 复合纤维素纸膜的抗菌性

(1)抑菌圈法。由图6a可见：培养皿上的原纤维素纸周围没有抑菌圈，不具抗菌性能；而载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜周围有抑菌圈，表明对大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌起到了较好抑制作用。载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜分别置于接种大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌的培养基内，其形成抑菌圈的平均厚度分别为1.76、8.36、13.76 mm，验证了载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜突出的抗菌性能。(2)最小抑菌质量浓度法。有图6b可见：抑菌液质量浓度为5×10-1g/L时，对大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌均具有完全抑制效果；当抑菌液质量浓度减小至10-2g/L时，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌依然具有完全抑制效果，但对枯草芽孢杆菌抑制效果减弱；当抑菌液质量浓度减小至10-4、10-6g/L后，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌还有一定抑制效果，但对枯草芽孢杆菌已经不显示抑制作用，表明载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抑菌效果，大于对枯草芽孢杆菌的抑菌效果。

(3)平板计数法。由图6c可见：随着抑菌液质量浓度的增加，大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌的菌落数逐渐减少，抑菌效果越好。由图6d可见：未加入抑菌液时，大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌的菌落数，分别为3 948、571、310。当加入抑菌液的质量浓度分别为1×10-4、1×10-3、1×10-2g/L时——大肠杆菌的菌落个数分别为655、384、91，抑菌效率分别为83.4%、90.3%、97.7%；枯草芽孢杆菌的菌落个数分别为278、175、8，抑菌效率分别为51.3%、69.4%、98.6%；金黄色葡萄球菌的菌落数分别为240、100、98，抑菌效率分别为22.6%、67.7%、68.4%。以上均验证了载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜具有良好的抑菌效果。

a为抑菌圈法；b为最小抑菌浓度法(“+”表示有抑菌活性，“-”表示无抑菌活性)；c、d为平板计数法。

3 结论

本研究以纤维素纸为基底，利用高压喷枪依次喷涂单组分聚氨酯胶黏剂、载银纳米二氧化钛分散液，获得超疏水-超亲油性载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜，其与水的接触角、与油的接触角分别为153°与0°，可以有效分离油包水乳化液。该膜材料机械稳定性良好，经过数次负重摩擦后，依然表现出良好的疏水亲油效果，显示出较强的耐摩擦性能。此外，载银纳米二氧化钛-聚氨酯复合纤维素纸膜，通过抑菌圈法、最小抑菌质量浓度法、平板计数法测试，能够有效抑制革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌的滋长，有力验证了该材料突出的抗菌性能。该抗菌型超疏水-超亲油性纤维素基复合滤膜材料的成功研制，可为植物纤维素在医用卫生与油水分离领域的应用与发展提供参考。