周子凡

（佛山科學技術(shù)學院環(huán)境與化學工程學院，廣東佛山，528000）

紙產(chǎn)品的抗菌性對減弱細菌繁殖傳播及提高產(chǎn)品品質(zhì)具有重要意義［1］。目前抗菌技術(shù)在造紙行業(yè)應(yīng)用主要為兩方面：一是造紙生產(chǎn)過程中的紙漿殺菌防腐及涂料殺菌防腐，二是抗菌紙的生產(chǎn)［2］。抗菌紙技術(shù)的發(fā)展對造紙工業(yè)具有重大意義［3］。

抗菌劑的添加方式影響抗菌紙的品質(zhì)，目前抗菌劑的添加方式主要有3種：一是表面加工方法，如涂布、施膠、噴灑、浸漬等方式；二是濕部添加法，將具有抗菌效果的助劑直接加入紙漿中；三是纖維抄造法，即對造紙所用纖維素進行改性，以提高紙張抗菌效果。表面加工工藝簡單、制作成本低、抗菌效果好，是目前制作抗菌紙的主要添加工藝；但表面加工方法制備的抗菌紙具有表面抗菌材料易脫落、粘接強度低、分散不均勻等缺陷，同時部分施膠劑、膠黏劑本身對環(huán)境也有一定危害。因此必須要尋找一種環(huán)境友好型、高強度、抗菌效果強的抗菌劑，并將其與紙張通過表面加工方法復合以制備抗菌紙［4］。

殼聚糖作為“環(huán)境威脅”材料替代品，具有獨特的性質(zhì)，如無毒、良好的生物相容性、生物降解性和抗菌特性［5-6］。但殼聚糖只能溶解于稀酸溶液中，且殼聚糖薄膜力學性能、熱穩(wěn)定性、水汽阻隔性能較差，極大限制了殼聚糖的廣泛應(yīng)用［7］。因此眾多研究學者在殼聚糖領(lǐng)域進行了深入的研究，主要集中在2個研究方向：對殼聚糖進行官能團改性［8-10］以及通過添加納米顆粒改變殼聚糖分子聚集形態(tài)以提高殼聚糖材料的力學、阻隔等性能［11］。

氧化鎂（MgO）納米顆粒具有毒性低、耐熱性高、環(huán)境友好、持久和廣譜抗菌等優(yōu)點，既可克服銀系抗菌材料的高成本、易變色、穩(wěn)定性差、生物毒性的缺點，也可彌補光催化型抗菌材料抗菌效率低和對紫外光依賴的不足，成為當前無機抗菌材料領(lǐng)域的研究熱點［9］。研究表明，MgO納米顆粒在總比表面積相同的條件下，隨著晶粒尺寸的逐漸減小，其抗菌性能逐漸增加［12］。Kadib等［13］制備了高活性的納米MgO，具有使水溶液中細菌即時失活的特性，表現(xiàn)出優(yōu)異的水處理應(yīng)用前景。此外，還有研究者通過對MgO進行摻雜改性以及與其他材料復合，提高材料的抗菌性能［9-10］。

截至目前，還沒有關(guān)于MgO納米顆粒增強殼聚糖復合薄膜的系統(tǒng)研究。本課題研究了MgO納米顆粒增強殼聚糖復合薄膜的力學性能、熱穩(wěn)定性、阻隔性能及抗菌性能。實驗結(jié)果表明，殼聚糖和MgO納米顆粒在適合配比下制備的復合薄膜具有抗菌性能，可應(yīng)用于抗菌紙及其他領(lǐng)域。

1 實 驗

1.1 實驗材料

本課題選用印度HiMedia公司提供的殼聚糖薄片（脫乙?；?5%、分子質(zhì)量1.42×106）；甲基丙烯酸甲酯（MMA，純度99%）、過硫酸鈉、氯化鎂六水合物、無水碳酸鈉、氫氧化鈉和乙酸（分析純），購自美國Sigma-Aldrich公司。

1.2 MgO納米顆粒的制備

將150 mL碳酸鈉溶液置于350 mL三頸圓底燒瓶中，加入1.5 g引發(fā)劑過硫酸鈉，將20 mL MMA單體（新開封）及200 mL氯化鎂溶液同時滴加到燒瓶中，在80℃下對反應(yīng)混合物進行攪拌，持續(xù)3 h。通過離心收集PMMA/MgCO3預聚體顆粒，并用熱水洗滌5次以去除雜質(zhì)。將PMMA/MgCO3預聚體顆粒在600℃下煅燒5 h以制備MgO納米顆粒［14-15］。

1.3 殼聚糖/MgO復合薄膜的制備

將2 g脫乙酰殼聚糖溶解在200 mL 1%（W/V）乙酸中并攪拌（磁力攪拌，600 r/min）18 h，使用0.5 mm濾網(wǎng)對溶液進行過濾，并在劇烈攪拌條件下分別添加5 wt%和10 wt%的MgO納米顆粒以制備不同殼聚糖/MgO溶液。將所得溶液在1000 r/min下攪拌24 h，然后進行10 min超聲處理（振幅80，脈沖比1∶1），以實現(xiàn)MgO納米顆粒的均勻分散。隨后將30 g殼聚糖/MgO溶液倒入玻璃培養(yǎng)皿（10 cm）中，在真空烘箱50℃條件下，干燥4天以蒸發(fā)溶劑。之后將殼聚糖/MgO復合薄膜從培養(yǎng)皿上剝離，加入10 mL 1 mol/L NaOH，中和復合薄膜中的醋酸并用蒸餾水沖洗，復合薄膜在使用前需儲存在干燥器中（溫度25℃，相對濕度50%）48 h。

1.4 化學結(jié)構(gòu)表征和形貌分析

采用Perkin Elmer紅外光譜儀分析殼聚糖/MgO復合薄膜的化學結(jié)構(gòu)。采用3KW型Rigaku Smartlab X射線衍射儀分析PMMA/MgCO3預聚體和MgO納米顆粒的晶體結(jié)構(gòu)特性，掃描速度5°/min，掃描范圍5°～65°。采用日立SU6600場發(fā)射掃描電鏡分析試樣表面形態(tài)及元素分布，試樣在分析前須使用EMITECH SC7620迷你濺射涂布機在表面進行2 min鍍金處理；根據(jù)Debye-Scherrer方程計算MgO納米顆粒的平均微晶尺寸，計算公式見式（1）。

式中：λ為X射線波長，β為XRD的半峰寬，θ為衍射角。

1.5 殼聚糖/MgO復合薄膜力學性能測定

使用Tinius-Olsen萬能試驗機進行殼聚糖/MgO復合薄膜的拉伸強度測試，試樣根據(jù)ASTM D882—2002標準制備：尺寸150 mm×10 mm；實驗環(huán)境相對濕度70%，溫度30℃，拉伸速率10 mm/min。每種材料測試4個試樣，每個試樣在長度方向測試5個不同位置的厚度以計算拉伸應(yīng)力。

1.6 殼聚糖/MgO復合薄膜的熱穩(wěn)定性分析

采用Perkin Elmer TGA 4000測試殼聚糖/MgO復合薄膜的熱穩(wěn)定性；測試條件為，在氮氣環(huán)境下，以10℃/min加熱速率從室溫加熱到800℃，在800℃保持5 min，然后以同樣的冷卻速率從800℃降至室溫。

1.7 殼聚糖/MgO復合薄膜的阻隔性能分析

殼聚糖/MgO復合薄膜的氣體阻隔性能通過氧氣透過常數(shù)進行表征。根據(jù)ASTM D1434—82標準，使用N500-GBPI包裝測試設(shè)備檢測殼聚糖/MgO復合薄膜的氧氣透過率（OTR）。檢測條件為：溫度23℃，相對濕度53%，殼聚糖/MgO復合薄膜的氧氣透過常數(shù)（OP）通過式（2）計算。

式中，t為殼聚糖/MgO復合薄膜試樣的平均厚度，Δp為殼聚糖/MgO復合薄膜試樣兩側(cè)壓力差。

殼聚糖/MgO復合薄膜的水蒸氣透過率（WVTR）根據(jù)ASTM E 96-95標準進行測試。制備直徑14 cm的圓形試樣，安裝在不銹鋼水蒸氣滲透率測試杯上，杯內(nèi)蒸餾水液面距離殼聚糖/MgO復合薄膜下表面2.5 cm，測試條件為：溫度29℃、相對濕度70%；每隔24 h記錄測試杯質(zhì)量，直至72 h，然后計算試樣的WVTR。試樣的水蒸氣透過系數(shù)（WVP）通過式（3）計算。

式中，t為殼聚糖/MgO復合薄膜試樣的平均厚度，Δp為殼聚糖/MgO復合薄膜試樣兩側(cè)壓力差。

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1.8 殼聚糖/MgO復合薄膜的抗菌性能分析

采用ACCURI C6型流式細胞儀，通過熒光激活細胞分選（FACS）技術(shù)，檢測殼聚糖/MgO復合薄膜對大腸桿菌（食源性細菌）的抗菌效果。采用細菌培養(yǎng)生長的方法制備FACS樣品，并使用BD C6采樣器軟件分析結(jié)果；分別用5 cm×5 cm的殼聚糖薄膜和殼聚糖/MgO復合薄膜樣品處理大腸桿菌，分析對比其抗菌效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 PMMA/MgCO3預聚體、MgO納米顆粒和殼聚糖/MgO復合薄膜的XRD分析

PMMA/MgCO3預聚體的XRD譜圖如圖1（a）所示。由圖1（a）可知，2θ=14.2°、15.4°、21.6°、32.5°、33.2°、41.9°、45.5°和57.0°吸 收 峰 與MgCO3（JCPDS卡號23-1218）的標準XRD譜圖匹配，說明PMMA/MgCO3預聚體實驗成功。由于PMMA/MgCO3預聚體中存在PMMA，因此，峰值略有偏移。PMMA/MgCO3預聚體煅燒制備的MgO納米顆粒以結(jié)晶方鎂石形式存在，其XRD譜圖吸收峰分別在2θ=24.9°、32.1°、33.8°、41.6°和61.9°（見圖1（b））。根據(jù)Debye-Scherrer公式計算可知，MgO納米顆粒的平均晶體尺寸為42 nm。殼聚糖/MgO復合薄膜的XRD譜圖如圖1（c）所示。從圖1（c）中可以看到2θ=21.4°、37.5°、49.6°、57.4°和62.2°的吸收峰，表明殼聚糖和MgO納米顆粒的結(jié)構(gòu)均未發(fā)生明顯變化，添加MgO納米顆粒未改變殼聚糖聚合物結(jié)晶狀態(tài)。

圖1 （a）PMMA/MgCO3預聚體XRD譜圖；（b）MgO納米顆粒XRD譜圖；（c）殼聚糖/MgO復合薄膜XRD譜圖

2.2 殼聚糖薄膜和殼聚糖/MgO復合薄膜的FT-IR分析

殼聚糖薄膜和殼聚糖/MgO復合薄膜的FT-IR譜圖如圖2所示。從圖2可以看出，3359和3293 cm-1處的吸收峰為—OH的伸縮振動吸收峰，2923 cm-1處的吸收峰是—CH鍵（—CH3）的伸縮振動吸收峰，1680 cm-1處的吸收峰為酰胺基團羰基鍵（— C ═ O—NHR）的伸縮振動吸收峰，1350 cm-1處的吸收峰為亞甲基的彎曲振動峰，1550～1590 cm-1處的吸收峰是胺基的剪式振動吸收峰，1154 cm-1處的吸收峰為C的不對稱振動峰。這些官能團表明殼聚糖與MgO納米顆粒成功復合且殼聚糖/MgO復合薄膜中，殼聚糖聚合物結(jié)構(gòu)未受到影響；同時，乙酸的特征官能團吸收峰（1220 cm-1）較弱，表明乙酸在反應(yīng)過程中基本被中和。

由圖2還可以看出，添加5 wt%和10 wt%MgO納米顆粒的殼聚糖/MgO復合薄膜—OH的吸收峰分別從3293 cm-1紅移至3286 cm-1和3283 cm-1。此外，兩種試樣的殼聚糖胺基團的吸收峰均從1576 cm-1紅移至1569 cm-1。其他類似的研究［15-17］同樣也表明了金屬氧化物與殼聚糖復合會導致官能團吸收峰的偏移。殼聚糖官能團吸收峰的偏移表明了殼聚糖的羥基和胺基可通過氫鍵與MgO納米顆粒相互作用，氫鍵結(jié)構(gòu)增強了MgO納米顆粒和殼聚糖之間的界面相互作用，從而提高了復合材料的力學性能。

圖2 殼聚糖/MgO復合薄膜的FT-IR譜圖

2.3 PMMA/MgCO3預聚體、MgO納米顆粒SEM分析和粒徑分析

PMMA/MgCO3預聚體和MgO納米顆粒的SEM圖及粒徑分布如圖3所示。由圖3（a）可以看出，MgO納米顆粒嵌入PMMA分子鏈空隙中，PMMA分子鏈的有限空間限制了MgO納米顆粒的進一步生長，可獲得較小尺寸的MgO。由圖3（b）可知，PMMA/Mg-CO3預聚體經(jīng)煅燒后制得均勻的球形MgO納米顆粒。在MgO納米顆粒的SEM圖像中，隨機選取200顆MgO納米顆粒進行尺寸分布統(tǒng)計可知（見圖3（c）），151～200 nm尺寸范圍內(nèi)的MgO納米顆粒的占比最大；直徑超過250 nm的MgO納米顆粒主要是由顆粒的團聚導致。

采用TGA方法評估了試樣的熱穩(wěn)定性，熱失重曲線如圖4所示。由圖4可知，熱失重主要分3個階段：第一次質(zhì)量損失發(fā)生在100℃左右，主要歸因于試樣中水分的揮發(fā)；第二次質(zhì)量損失發(fā)生在200～300℃區(qū)間內(nèi)，這主要歸因于胺基和—CH2OH的熱分解；第三次質(zhì)量損失發(fā)生在525～650℃區(qū)間內(nèi)，可能是由于殼聚糖內(nèi)部胺環(huán)結(jié)構(gòu)的降解導致。相比于殼聚糖薄膜，添加5 wt%和10 wt%MgO納米顆粒的殼聚糖/MgO復合薄膜的熱穩(wěn)定性得到明顯提升。當質(zhì)量損失達到50%時，殼聚糖薄膜及添加5 wt%和10 wt%MgO納米顆粒的殼聚糖/MgO復合薄膜的降解溫度分別為325℃、450℃和529℃，說明添加MgO納米顆粒能提高復合薄膜的降解溫度。這是因為MgO納米顆粒阻礙了殼聚糖熱降解產(chǎn)物的擴散，減少了熱解過程的質(zhì)量損失。

圖3 （a）PMMA/MgCO3預聚體SEM圖；（b）MgO納米顆粒SEM圖；（c）MgO納米顆粒粒徑分布圖

圖4 殼聚糖薄膜及殼聚糖/MgO復合薄膜的TGA曲線

圖5 （a）殼聚糖/MgO復合薄膜應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）殼聚糖材料及殼聚糖/MgO復合薄膜的彈性模量和拉伸應(yīng)力曲線

2.5 殼聚糖/MgO復合薄膜的機械性能

評價材料機械性能的指標主要有拉伸強度、彈性模量以及斷裂伸長率。殼聚糖/MgO復合薄膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量和拉伸應(yīng)力曲線如圖5所示。

從圖5（a）可以看出，添加MgO納米顆粒后，復合薄膜的力學性能顯著提高。相對于殼聚糖薄膜，添加5 wt%和10 wt%的殼聚糖/MgO復合薄膜的拉伸應(yīng)力分別提高了64%和29%（見圖5（b））。這是因為，殼聚糖的羥基和胺基與MgO之間形成的氫鍵具有較強的界面強度，同時納米顆粒具有較大的比表面積，能夠有效傳遞聚合物分子鏈之間的作用力，因此MgO納米顆粒能夠?qū)ぞ厶遣牧狭W性能進行有效改善［18］。然而，MgO納米顆粒增強復合薄膜力學性能具有兩面性：一方面，殼聚糖內(nèi)添加MgO納米顆粒可增加殼聚糖與MgO納米顆粒的界面強度，促使應(yīng)力從殼聚糖傳遞到納米顆粒，進而提高復合薄膜力學性能［19］；另一方面，由于MgO納米顆粒具有高表面能，容易發(fā)生團聚，減小了MgO納米顆粒與殼聚糖的接觸面積，同時聚集在一起的MgO納米顆粒影響聚合物分子鏈的正常連接，進一步影響復合薄膜的力學性能。MgO納米顆粒添加過多反而會影響復合材料力學性能的提升［20-21］。因此，添加5 wt%MgO納米顆粒的復合薄膜中，MgO納米顆粒能夠更均勻分散在殼聚糖基體內(nèi)；而MgO納米顆粒添加量為10 wt%時，由于納米顆粒的團聚作用，導致復合薄膜內(nèi)部產(chǎn)生更多孔隙及應(yīng)力集中區(qū)域，降低了復合薄膜的力學性能。

不同MgO納米顆粒添加量復合薄膜的拉伸斷面圖如圖6所示。由圖6可知，添加10 wt%MgO納米顆粒的復合薄膜中，納米顆粒團聚嚴重。殼聚糖基體內(nèi)添加納米顆粒，限制了聚合物分子鏈的自由運動，因此復合薄膜的抗變形能力，即彈性模量有較大提升。當殼聚糖基體內(nèi)添加5 wt%和10 wt%MgO納米顆粒時，相比于殼聚糖薄膜，復合薄膜的彈性模量分別提高了50%和30%（圖5（b））。然而，添加MgO納米顆粒在提升復合薄膜力學性能的同時也顯著地降低了其斷裂伸長率，殼聚糖薄膜、添加5 wt%MgO納米顆粒和添加10 wt%MgO納米顆粒的復合薄膜的斷裂伸長率分別為5.5%、4.8%和4.1%。ANOVA統(tǒng)計分析理論表明，不同試樣的斷裂伸長率無明顯差異，這是因為試樣斷裂伸長率主要受試樣制備過程的影響，試樣內(nèi)殘留的溶劑具有增塑的效果，因此會影響試樣的斷裂伸長率［22］?？咕堃约捌渌b材料對塑性要求較高，殼聚糖/MgO復合薄膜的斷裂伸長率可能會對其應(yīng)用有些限制，但通過一些技術(shù)，如添加增塑劑等，能夠有效改善材料的塑性變形。考慮到復合薄膜的力學性能，在后續(xù)研究中，可選擇MgO納米顆粒的添加量為5 wt%。

2.6 殼聚糖及殼聚糖/MgO復合薄膜阻隔性能分析

氧氣、水蒸氣的透過性是評價薄膜材料的關(guān)鍵指標［4，23］，因此，阻隔性能對于食品包裝和膜材料具有重要意義。已有研究成果［24］表明，殼聚糖薄膜具有較高的氧氣滲透率。這主要是由于殼聚糖一般采用溶液成型法制備，聚合物內(nèi)部具有較大的空間，對氣體分子的隔絕作用較低［25］。

殼聚糖/MgO復合簿膜的氧氣透過常數(shù)和水蒸氣透過系數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。相比未添加MgO納米顆粒的殼聚糖薄膜，添加5wt%MgO納米顆粒的復合薄膜，其氧氣透過常數(shù)降低了約18%；添加10 wt%MgO納米顆粒的復合薄膜氧氣透過常數(shù)降低了約10%，這是因為過量的納米顆粒容易發(fā)生團聚，導致殼聚糖基體內(nèi)納米團聚顆粒附近存在空隙或缺陷，為滲透分子提供滲透路徑，進而降低復合薄膜的阻隔性能［19］。

圖6 殼聚糖/MgO復合薄膜的拉伸斷面圖

圖7 （a）殼聚糖培養(yǎng)基流式細胞儀點圖；（b）添加5 wt%MgO納米顆粒的殼聚糖/MgO復合薄膜流式細胞儀點圖

表1 殼聚糖及殼聚糖/MgO復合薄膜氧氣透過常數(shù)和水蒸氣透過系數(shù)

與殼聚糖薄膜相比，添加5 wt%MgO納米顆粒的復合薄膜的水蒸氣透過系數(shù)降低了約4%，添加10 wt%MgO納米顆粒的復合薄膜的水蒸氣透過系數(shù)提高了20%。通常，添加納米顆粒會改變分子滲透路徑，進而提高薄膜的阻隔能力，但水蒸氣分子（極性分子）的透過性影響因素較多，并不僅靠改變滲透路徑來實現(xiàn)。添加過多的納米顆粒反而因其親水性導致水蒸氣透過系數(shù)提升，類似的實驗也有相關(guān)報道［26］。

2.7 殼聚糖薄膜和殼聚糖/MgO復合薄膜的抗菌性能檢測

金屬氧化物具有優(yōu)異的抗菌性［6］，因此殼聚糖聚合物基體內(nèi)添加金屬氧化物能夠顯著提高復合材料的抗菌性。流式細胞儀（FCM）檢測技術(shù)能夠快速、精確地對單個細胞理化特性進行多參數(shù)定量分析和分選。本課題FCM檢測技術(shù)，通過統(tǒng)計被熒光標記的細胞膜破損的大腸桿菌占比，從而計算破損或死亡的大腸桿菌占比情況，得出材料的抗菌性。選取添加5 wt%MgO納米顆粒的殼聚糖/MgO復合薄膜進行抗菌性測試，并與殼聚糖薄膜進行對比，實驗結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，經(jīng)過12 h培養(yǎng)后，相對于殼聚糖薄膜，添加5 wt%MgO納米顆粒的復合薄膜培養(yǎng)基中46%的大腸桿菌結(jié)構(gòu)破壞或死亡，而殼聚糖薄膜培養(yǎng)基中，僅有0.2%的大腸桿菌結(jié)構(gòu)破壞或死亡。因此，本課題制備的添加5 wt%MgO納米顆粒的復合薄膜具有優(yōu)異的抗菌性能。

3 結(jié) 論

采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）/碳酸鎂預聚物原位合成方法制備球形氧化鎂（MgO）納米顆粒，與殼聚糖復合制備殼聚糖/MgO復合薄膜并對復合薄膜的機械性能、熱穩(wěn)定性、阻隔性能及抗菌性能進行了探究，主要結(jié)論如下。

3.1 采用X射線衍射（XRD）、傅里葉紅外光譜（FTIR）、場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）分析殼聚糖/MgO復合薄膜的化學結(jié)構(gòu)及微觀形貌。結(jié)果表明，MgO納米顆粒在殼聚糖基體內(nèi)分散均勻，MgO納米顆粒與殼聚糖未形成新的化學鍵，兩者通過氫鍵相互作用，從而提高復合薄膜的力學性能。相對于殼聚糖薄膜，5 wt%MgO納米顆粒添加量的殼聚糖/MgO復合薄膜拉伸強度提高了64%，彈性模量提高了50%。

3.2 添加適量的MgO納米顆粒能夠延緩殼聚糖受熱分解，從而提高了殼聚糖/MgO復合薄膜的熱穩(wěn)定性。

3.3 MgO納米顆粒延長了氧氣分子在聚合物基體內(nèi)擴散路徑，降低了殼聚糖/MgO復合薄膜氧氣透過常數(shù)；然而由于MgO納米顆粒的親水性，添加5wt%MgO納米顆粒后，復合薄膜的水蒸氣透過系數(shù)降低了約4%。

3.4 添加MgO納米顆粒后，復合薄膜的抗菌性能得到了顯著改善；添加5 wt%MgO納米顆粒的復合薄膜在12 h后導致46%的大腸桿菌結(jié)構(gòu)損壞或死亡。因此，本課題制備的殼聚糖/MgO復合薄膜具有優(yōu)異性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。