刘俊荣

(佛山欧神诺陶瓷有限公司 广东 佛山 528138)

在人们的日常生活中,病菌无处不在。微生物广泛存在于自然界中,是一群体形微小、结构简单、肉眼看不见,必须借助光学或电子显微镜放大数百倍、数千倍甚至数万倍才能观察到的微小生物。可以侵犯人体,从而引起感染甚至传染病的微生物,称为致病微生物(以下简称“病菌”)。自然环境中的病菌种类繁多,总结起来主要有3大类(见图1),分别为细菌、真菌和病毒区别(见表1)。

图1 自然环境中的细菌、真菌和病毒

表1 细菌、病毒和真菌之间的区别

而自然环境中存在的病菌,在室内环境也是存在的,比如家居环境、医院环境、学校环境等。这些病菌在室内环境中的浓度适宜,对人体不会造成危害,但浓度超标,则对人体健康造成威胁。

陶瓷抗菌砖是一种通过在瓷砖釉层添加纳米无机复合抗菌材料,从而实现高效、持久抗菌功能的一种新型建筑装饰材料。当病菌与瓷砖表面接触时,釉层中抗菌有效成分以离子形式释放,渗透至病菌细胞中,破坏细胞合成酶的活性,有效阻止病菌细胞的分裂与繁殖,直至病菌死亡,从而达到抑菌、抗菌的效果。笔者主要介绍了室内细菌的来源、瓷砖表面的抗菌原理、瓷砖表面病原体的检测方法等相关研究进展。

1 室内细菌的来源

室内作为一个相对封闭空间,且经常清洁打扫,病菌到底从何而来? 科研工作者[1]分析了多个住宅中的细菌来源,发现室外微生物可以通过多个渠道进入室内,如自然通风带入、居住者将沉积在门阶的灰尘带入、人类皮肤和宠物释放。室内细菌来源统计如表2所示。

表2 室内细菌来源统计表

同时,地板和地毯是室内细菌的重要储存的地方,加上人们和宠物的随意走动及人们的清洁等行为,使其成为室内细菌的持续来源。此外,管道和空调系统是室内细菌的另一个重要来源,也是室内机会性致病菌的来源之一(见图2)。

2 瓷砖常用抗菌剂及抗菌原理

目前市面上的抗菌瓷砖,按照抗菌原理可以分为金属离子抗菌瓷砖、光催化抗菌瓷砖、负离子抗菌瓷砖等。表3是常用抗菌剂及抗菌机理。

2.1 金属离子型抗菌剂

大部分的金属离子均具有抗菌效果,其中以Ag+最强。Ag纳米粒子通过破坏膜层来改变细菌的膜电势,导致细菌细胞内的钾离子、核苷酸、氨基酸等外漏,破坏正常代谢而起抑菌作用[2]。带正电的Ag+与带负电的细菌细胞壁结合,同时,Ag+产生的活性氧自由基ROS与细菌的DNA 相结合,置换细菌DNA 分子双螺旋结构中的氢,从而导致细菌DNA 分子结构变形、断裂[3]。

Cu作为抗菌剂的优势是,在干燥的室内环境中,Cu的化学活性比Ag更强。Cu+/Cu2+通过Fentonlike催化反应形成自由基,释放出的会攻击细菌的膜和内部结构[4],阻碍细胞与其他离子的交换从而杀死细菌。

2.2 光催化型抗菌剂

光催化型抗菌剂是指金属氧化物(TiO2,Zn O 和Bi2O3[5]等),在有光照的情况下才能具有抗菌效果。因此,光催化瓷砖在自然光下具有较好的光催化抗菌功能,但对于一些阴暗区域,则抗菌效果不明显。抗菌机理主要是金属氧化物在特定波长光照下,基于光催化作用受激生成电子-空穴对,电子-空穴对和周围的水、氧气发生作用,具有极强的氧化-还原能力,这种反应生成的带有强氧化还原性的物质破坏细菌的细胞壁,杀灭细菌并分解其丝网菌体,从而达到抑制细菌生长的作用。

图3 光催化瓷砖的抗菌原理

2.3 稀土抗菌剂

稀土元素具有特殊的4f电子层结构,所以在很多情况下会改变材料的物理、化学性能,可被广泛地用于抗菌、发光等领域。当作为抗菌剂使用时,部分稀土元素本身就具有一定的抗菌能力和产生活性氧离子的能力。在TiO2抗菌剂中加入CeO2,可提高其光催化活性,从而增加抗菌性能[8];在Cu2+抗菌硅胶中加入Tb3+制备出的Cu2+/Tb2O3抗菌硅胶,可负载更多的Cu2+,多孔的晶体表面可加速Cu2+形成自由基的反应,提高了抑菌效果[9]。

2.4 负离子抗菌剂

负离子抗菌瓷砖的抗菌成份为麦饭石、电气石等[10]。抗菌机理主要是瓷砖释放出负离子,负离子附着在着在细菌表面,变成氧化力强的OH 基,从细菌表面蛋白质中抽取氢(H),分解蛋白质,从而起到抑菌作用(见图4)。如何能快速直观地检测出抗菌陶瓷砖的抗菌效果,这是被消费者认可的关键。

图4 负离子瓷砖的抗菌原理

瓷砖表面病原体的检测方法(细菌、病毒和真菌),如表4所示。

表4 瓷砖表面病原体的检测方法

3 结语

陶瓷釉面抗菌砖作为一种新型功能陶瓷,除保持了原有陶瓷釉面砖的使用功能和装饰效果之外,又增加了抗菌消毒、化学降解等功能。随着人们健康意识的增强,传统建材与环境功能材料的一体化将是建材的主要研究方向和发展目标,其应用领域将日益扩大,市场前景也将十分广阔。