陳吞 沈劍 楊樂(lè)庭 黃勇 張輝

合肥美的電冰箱有限公司 安徽合肥 340100

1 引言

如今，中國(guó)絕大多數(shù)家庭都擁有一臺(tái)及以上的家電設(shè)備，如常見(jiàn)的冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)等。隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)生活品質(zhì)的要求在不斷的進(jìn)步。而家用電器作為每個(gè)家庭都需要的高頻使用設(shè)備，其行業(yè)也相應(yīng)的提出了抗菌等概念以適應(yīng)新的消費(fèi)理念[1]。以冰箱為例，冷藏對(duì)于維持許多食品的安全性和質(zhì)量以及使食品能夠在日益城市化的社會(huì)中進(jìn)行供應(yīng)和消費(fèi)都至關(guān)重要。但是由于未經(jīng)消毒的食材常常攜帶沙門氏菌、大腸桿菌等細(xì)菌，容易導(dǎo)致交叉污染和二次感染，如若不慎食用，會(huì)導(dǎo)致腹瀉、食物中毒等狀況，甚至可能進(jìn)一步導(dǎo)致患者死亡[2]。因此，冰箱等家用電器需要具有一定的抗菌能力以保證家庭的正常使用。

現(xiàn)如今常見(jiàn)的家用設(shè)備的主要抗菌技術(shù)有高溫消毒、紫外線照射、光觸媒除菌、金屬納米材料薄膜等。不同的抗菌技術(shù)都有其優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，例如：高溫消毒由于在使用過(guò)程中需要產(chǎn)生高溫，使用場(chǎng)景嚴(yán)重受限，僅能應(yīng)用在消毒柜等家用設(shè)備中。本文主要關(guān)注如今納米抗菌技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，總結(jié)并分析了當(dāng)前和未來(lái)有望大規(guī)模應(yīng)用在家用設(shè)備的抗菌納米技術(shù)。

2 活性金屬納米材料

金屬基納米材料可以由金屬和金屬氧化物的兩種納米材料構(gòu)成，納米材料區(qū)別于普通材料的地方在于納米尺度，常用的納米材料為金屬或金屬氧化物納米材料，包括銀、金、氧化鋅、二氧化鈦和氧化銅等材料。金、銀和銅等材料主要通過(guò)對(duì)細(xì)菌的細(xì)胞膜進(jìn)行破壞從而起到抗菌的作用[3][4]，并且其能夠有效抑制代謝酶活性并干擾細(xì)菌遺傳物質(zhì)的表達(dá)。而金屬納米顆粒氧化物如TiO2、ZnO、CuO、Cu2O、Fe2O3、SnO2、Ag2O、CeO2，均具有一定的抗菌效果。其中，ZnO、TiO2和CuO、Cu2O在物理和化學(xué)特性上都具有相似之處，如無(wú)毒、無(wú)刺激性、熱穩(wěn)定性、耐熱性、持久的抗菌作用和高效殺菌。應(yīng)用于預(yù)防疾病傳播具有重要意義，可以凈化環(huán)境。

活性金屬納米材料現(xiàn)如今也廣泛的應(yīng)用于日常的家用電器中，其多以抗菌劑的形式與樹脂聚合物材料混合以制備納米抗菌塑料[5-8]。由于金屬納米材料以粉末形式呈現(xiàn)，通常需要在加工過(guò)程中將這些粉末在樹脂中均勻地分散以獲得所需的抗菌效果。因此，抗菌劑通常先被制成抗菌母料，然后將其與樹脂混合所需比例（然后按照所需比例將其與樹脂混合）。另外，還必須考慮與樹脂一起使用的抗菌劑的相容性，因此通常需要添加偶聯(lián)劑，以及對(duì)抗菌劑進(jìn)行預(yù)處理。而制備完成的納米金屬材料會(huì)在樹脂表面形成具有抗菌能力的表面層，然后通過(guò)與物體接觸而發(fā)揮殺菌作用。如常放置食物的冰箱盛物臺(tái)、塑料外殼和洗衣機(jī)滾筒等，并已經(jīng)有相應(yīng)的產(chǎn)品以此為賣點(diǎn)進(jìn)行大面積推廣[9]。

3 仿生納米結(jié)構(gòu)

自2006年以來(lái)，研究人員一直致力于通過(guò)材料表面的物理形貌而非化學(xué)機(jī)理來(lái)消除細(xì)菌。研究表明，物體的表面形貌和粗糙度對(duì)細(xì)菌附著有著很大的影響，其主要原因是影響其對(duì)細(xì)菌生物膜的形成[10]。而決定細(xì)菌在物體外表面附著的因素主要有疏水性、靜電相互作用、范德華力和位阻等常見(jiàn)物理特性。細(xì)菌細(xì)胞壁與表面紋理相互作用時(shí)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞壁拉伸并變形，如果拉伸的力足夠大，則會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞破裂、死亡。納米和微米結(jié)構(gòu)極大地增加了接觸粘合面積，比平坦表面有更有效的殺菌性能。因此，物體表面的殺菌效率與微結(jié)構(gòu)的高度、半徑和間距等參數(shù)密切相關(guān)。

研究工作者已經(jīng)嘗試復(fù)制天然存在的動(dòng)植物如蟬和蜻蜓的翅膀、荷葉和鯊魚皮表面的納米結(jié)構(gòu)紋理以達(dá)到抗菌的效果。蟬和蜻蜓的翅膀的外表面由于存在納米級(jí)的柱狀結(jié)構(gòu)從而對(duì)大腸桿菌等細(xì)菌能起到一定的阻礙作用，而荷葉表面存在的納米和微米級(jí)分層結(jié)構(gòu)則起到了超疏水和自清潔的作用，從而影響細(xì)菌生物膜的合成[11-12]。壁虎的皮膚上的納米尺度的刺突結(jié)構(gòu)對(duì)軟壁菌有殺傷作用，能夠特異性的對(duì)革蘭氏陰性菌起到抗菌效果，而有效的保護(hù)人類真核細(xì)胞[13]。這些微納結(jié)構(gòu)及其各種物理性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)使得人們可以模仿這些自然存在的表面結(jié)構(gòu)以在應(yīng)用中重現(xiàn)其抗菌效果。

由于仿生納米結(jié)構(gòu)不用改變材料本身，可以直接應(yīng)用在傳統(tǒng)家電材料中，無(wú)需其他復(fù)雜的加工條件與安全測(cè)試，可以節(jié)約較多的研發(fā)成本。但是同樣的，其需要在外表面實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的微納結(jié)構(gòu)，并且需要一定的復(fù)制精度。這導(dǎo)致在成本可控的情況下僅僅只有硅膠、塑料等少部分材料能夠適用。但是仍具有一定的推廣價(jià)值，如可直接改造傳統(tǒng)的冰箱門硅膠密封條與塑料把手等高頻接觸的部件。

4 基于光催化的納米材料

光催化的納米材料主要以納米TiO2為主，以銳鈦礦、金紅石和板鈦礦為三種主要的晶相結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究發(fā)現(xiàn)，銳鈦礦型TiO2被認(rèn)為是光敏性最強(qiáng)的晶形，有著較為廣泛的應(yīng)用[14]。其原理主要為當(dāng)光照射二氧化鈦，使其能量達(dá)到二氧化鈦的禁帶寬度時(shí)，就會(huì)激發(fā)電子躍，形成電子-空穴對(duì)，電子-空穴對(duì)與周圍水分子和氧氣分子發(fā)生作用，生成具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基和超氧離子自由基，可以侵蝕各種生物分子并損害其正常功能，達(dá)到抑制細(xì)胞呼吸，改變細(xì)菌細(xì)胞通透性和分解細(xì)胞壁等效果[15-16]。

現(xiàn)如今工業(yè)上光催化納米抗菌材料以抗菌陶瓷為主[17]，同樣也可以大規(guī)模應(yīng)用在家用電器中，通過(guò)在燒結(jié)后的陶瓷制品上涂覆二氧化鈦膜，然后以較低的溫度燒結(jié)，可以達(dá)到光催化抗菌作用的效果，從而抑制細(xì)菌在陶瓷表面擴(kuò)散[18]。可以通過(guò)在消毒柜或者凈水器中大量使用陶瓷材料從而增強(qiáng)紫外線殺菌的效果[19]。

圖1 光觸媒抗菌示意圖

5 結(jié)論

家用電器作為一個(gè)高頻使用設(shè)備，如果不定期進(jìn)行清潔和維護(hù)，常常會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌的滋生，污染食物與水源，容易對(duì)使用者的身體健康造成一定的影響。因此，需要定時(shí)對(duì)家電進(jìn)行擦拭和消毒，否則會(huì)堆積污垢。適當(dāng)?shù)膽?yīng)用納米抗菌材料，可以有效的降低細(xì)菌的數(shù)量。在常與食物、衣物、水源接觸之處使用抗菌材料是十分有必要的。以冰箱為例，在承物架內(nèi)混入金屬納米顆粒，在冰箱門硅膠封條處使用仿生抗菌微結(jié)構(gòu)，在可以接觸到光照的冰箱外殼上涂覆二氧化鈦納米涂層，增強(qiáng)抗菌效果。因此，深入的分析并研究納米抗菌設(shè)計(jì)，能延長(zhǎng)電器的使用壽命，提高使用者的生活品質(zhì)。此外，納米抗菌無(wú)材料可廣泛應(yīng)用在母嬰產(chǎn)品、醫(yī)療衛(wèi)生用品、空氣過(guò)濾等領(lǐng)域，為嬰童、女性、成人群體營(yíng)造安全舒適的衛(wèi)生環(huán)境。