抗菌技术在家电领域应用的研究进展

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李泽国    阳文   崔辉仙   李毕忠
（北京崇高纳米科技有限公司，北京100094）

摘要：在国家标准GB/T 21551家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能的颁布并实施之际,本文介绍了抗菌技术在家电领域应用的抗菌塑料材料和杀菌灭菌装置的研究现状，同时介绍了抗菌家电系列国标的主要技术要求。指出抗菌家电的市场发展空间巨大，而崇高纳米不仅有系列化抗菌剂和抗菌母粒产品可以很好地满足国标GB21551对家电用塑料的抗菌防霉性能和安全性要求，而且还继续开发除菌装置等新的抗菌技术和抗菌产品，为我国抗菌家电的发展做出应有的贡献。
关键词：抗菌、除菌、银系无机抗菌剂、家电、洗衣机、冰箱、空调
 
一、前言
随着生活水平的提高，人们越来越注意健康问题，但是随着环境的恶化，各种疾病的发生率越来越高，人们每天接触到各种各样的细菌，其中有许多是致病菌。当前洗衣机、冰箱、空调等家电设备普及进入寻常百姓家，给人们生活带来很多便利，但是有关报道^[1]说明，某些致病菌是就是借助家电传播的。早在1976年在美国费城召开的第56届美国退伍军人年会上，与会者中182人突然生病，表现出发烧、咳嗽、气短、胸痛和肺炎，其中29人死亡。美国疾病控制中心组织人力调查半年后才发现，是空调系统内滋生的一种革兰氏阴性杆菌在空气中传播引起的病案，这种致病菌后被命名为军团菌^[2]；2004年3月，上海虹口区、北京市海淀区、武汉市汉口区、广州市海珠区等疾病预防控制中心各自对20台在当地分别用过2年与3年的洗衣机进行无衣物注水后的水质检测，结果显示，所抽取水样中的霉菌数量多至“无法计数”；2009年7月新闻报道,无锡市疾控中心在电冰箱储存的食品中发现了一种新的致病微生物：李斯特氏菌。该细菌喜冷不爱热，如果人被感染，将有三成的病死率。
在防病保健、追求生活质量的今天，三大白色家电产品所存在的细菌污染问题，直接影响到人们的健康。为确保人们在大量使用各种家电制品时，能防止其所带的致病微生物交叉传播,抗菌塑料的研究和使用已成为一个潮流，引起了各国的重视。我国是世界上抗菌家电发展较快的国家,自2003年SARS事件以后,抗菌家电的标准化被提到议事日程。经过各方努力，自2008年后国家技术质量监督检验检疫总局陆续颁布实施了国家标准GB/T 21551家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能的系列标准，包括总则、抗菌材料、电冰箱、空调器、空气净化器、洗衣机等，这将对规范和促进抗菌功能家电的发展起到里程碑式的作用。
多年来抗菌家电已成为时尚，但对抗菌家电的认识和知识普及还很不够,对于公众的正确认知缺乏权威的宣贯。因此，抗菌家电标准的颁布实施，对抗菌家电的普及应用是极大的促进。
本文就国内外如何研制和生产抗菌塑料和抗菌、抑菌、除菌家电产品，如何在家电产品的关键材料部位添加抗菌剂和在家电中使用杀菌、抑菌、除菌装置，以及他们是如何起到预防致病菌污染等内容做一个介绍。

二、抗菌技术在家电材料（抗菌塑料）上的应用现状
抗菌家电离不开抗菌材料的使用，抗菌材料时抗菌、抑菌、除菌家电产品的基础。在抗菌材料方面，我们通常说的抗菌材料主要是在材料中加入无机抗菌剂、有机抗菌剂、无机/有机复合抗菌剂等使材料保持长久的抑菌性能。
1、国内外抗菌塑料的技术研究情况^[3][4]
抗菌塑料的研究在国际上是一门新兴学科，进人20世纪90年代以来，日本、欧美国家的塑料抗菌技术已逐渐进入了实用化阶段。我国自20世纪90年代末开始，市场上也出现了这种需求。　
抗菌塑料开发的技术核心是抗菌剂的开发和选择。传统的有机抗菌剂虽然杀菌力强、即效好，但存在毒性安全性较差、会产生微生物耐药性、化学稳定性较差、在塑料中易迁移（导致抗菌寿命缩短）等不足。特别是因为有机抗菌剂的耐热性较差，在高温高压高剪切加工条件下易分解失效，甚至分解出有毒产物，所以至今只限于在加工温度低（～200℃）软质聚氯乙烯（SPVC）、聚乙烯类（PE）塑料中使用。要制备高性能的抗菌塑料，就必须先研制出耐温性更好的抗菌剂。
无机抗菌剂是通过所含的金属离子（Ag⁺、Cu²⁺、Zn²⁺）的抗菌杀菌作用来抑制细菌的生长繁殖的，具有长效、不产生耐药性等优点，特别是耐热性突出（＞600℃）。近二十多年来，成为倍受重视的塑料用抗菌剂。但抗菌力最强的银离子抗菌剂化学性质活泼，易变色并降低抗菌性，因而在白色和浅色家电等制品中无法使用；同时，银的成本高也制约了其更大范围的应用，所以解决无机抗菌剂的变色问题和降低成本是两个世界性难题。
  目前，日本抗菌塑料中应用的大多是无机抗菌剂，而日本无机抗菌剂的开发和应用在国际上也居领先地位。其中日本石冢硝子、品川燃料、东亚合成、锺纺和松下等几大制造商的抗菌剂市场占有率约为整个日本市场的80％。
  欧美地区的抗菌材料主要采用有机抗菌剂，如瑞士Ciba精化公司、美国Microban，Morton，Acros，ARP，Huels，Ferro，Troy等公司的有机抗菌剂。近年来瑞士Ciba、美国Dupont等公司根据市场需求，也相继推出了无机抗菌剂。
  20世纪90年代初我国中科院化学所、西北有色金属研究院、中国建材研究院、中国纺织大学、天津大学、清华大学等单位开始了塑料抗菌剂开发及应用研究，主要是无机类产品。但是由于研究条件和投入起点低，长期以来未能形成自己的研发体系，零星的研究结果与国际水平有较大差距。1998年海尔科化工程塑料国际工程研究中心有限公司独辟蹊径，通过离子交换和多层包覆等技术，获得抗菌性强、不变色、成本低的复合型无机抗菌剂，并将其应用到塑料中帮助海尔集团率先推出了具有抗菌功能的冰箱、洗衣机、空调等家电产品。这一系列新产品的成功上市，也带领我国抗菌塑料研制和应用行业跨入了国际先进行列。时任海尔科化公司的总工李毕忠博士为海尔抗菌家电产品开发的技术总负责人，本项目荣获得国家科技进步二等奖，为海尔集团创造了可观的经济效益，为此海尔集团授予李毕忠博士“海尔功臣”光荣称号。
2、抗菌塑料的制备技术
抗菌塑料的制备和使用方法目前通常采用直接法和抗菌母粒法（间接法）（见图1）。

热塑性塑料加工要经历200°C以上温度和高剪切的熔化流动过程，所以抗菌剂的热稳定性和耐剪切稳定性要有较高的性能。
直接法生产抗菌塑料及其制品，是抗菌剂粉体与塑料颗粒掺混，或者是先将抗菌剂与塑料共混造粒，再加工成型。由于抗菌剂的团聚问题，抗菌效率降低。全部材料需要造一遍粒子，增加了加工成本。
抗菌母粒是塑料与用于载带和分散抗菌剂目的的载体树脂混配，制成颗粒状的浓缩物。抗菌母粒中抗菌剂含量较高（为10－50%重量）。成型加工抗菌制品时，只需在塑料中加入1－10%重量的抗菌母粒，按照原有工艺即可加工制品，使用方便。

三、抗菌技术在家电装置设计上应用的发展现状
在杀菌装置上使用的方法有：银杀菌，臭氧杀菌，紫外杀菌，高温杀菌或几种杀菌的组合等^[5]。

1. 银杀菌

本处所指的银杀菌^[6]不同于以上所提到的添加到塑料中含银抗菌剂，主要是指通过设计到家用电器上特殊的装置经过电解或其它手段持续地产生银离子来达到杀菌灭菌的效果。一般的抗生素平均只能对6种病菌起到作用，但银能消灭650种病菌。银离子的杀菌能力特别强，每升水中只要含亿万分之二毫克的银离子，即可杀死水中大部分细菌。美国一科学家曾做过试验，他将4.5升污水(每毫升含大肠杆菌七千多个)经过3小时的银电极处理后，所有大肠杆菌全部死亡。伤寒菌在银片上只能活18个小时，白喉菌在银片上只能活3天。
      此外，银的抗菌速度和效率在目前所有金属里是最好的，残留在衣物上的量也很小，几乎不会对人体造成伤害。
      鉴于此，银离子技术是目前世界上比较先进的杀菌技术，近年来被三星、LG等应用到家电上。银离子技术在洗衣机中的应用较多，一般是在洗衣机的进水口处安装银离子装置，随着进水口水压大小来调节银离子浓度。

1. 臭氧杀菌

臭氧^[7]在水中对细菌、病毒等微生物的杀灭率很高，速度快，几乎瞬间进行。臭氧由于稳定性差，很快会自行分解为氧气或单个氧原子，而单个氧原子能自行结合成氧分子，不存在任何有毒残留物，所以，臭氧是一种无污染的消毒剂。臭氧为气体，能迅速弥漫到整个灭菌空间，灭菌无死角，灭菌彻底。这是世界上臭氧应用最主要的领域。
在洗衣机里，通过臭氧发生装置将臭氧释放到空气中，吸附到湿衣服上进而发挥除菌作用，效果还不错，但有腥味，氧化性很强，会导致衣物褪色，对零部件的耐腐蚀、耐氧化性能有较高要求。

1. 紫外线杀菌

从理论上讲，紫外线杀菌就是通过紫外线的照射，破坏及改变微生物的DNA(脱氧核糖核酸)结构，达到杀菌的目的。在洗衣机或冰箱上安装一个紫外线发生装置如灯具等，产生一定波长的紫外线，即可起到杀菌灭菌的效果。
      美的公司于2009年首次推出了C波段紫外线+纳米光触媒杀菌技术的洗衣机。资料显示，C波段紫外线是最适合破坏微生物DNA且对人体没有危害的紫外线。

1. 高温杀菌

 众所周知，高温杀菌的道理，高温可能是最基本、最简便易行的除菌方式。一般在漂洗过程中，可以通过高温蒸煮来杀掉衣物上面的细菌，效果明显。但是这样做，一方面能耗比较高，另一方面，80℃以上水温才可杀菌，有些羊毛、高档衣物不能使用这种方法；而且高温只能用于滚筒洗衣机，波轮洗衣机不适用。

1. 光触媒杀菌

光触媒^[8][9]是一类以二氧化钛为代表的具有光催化功能的光半导体材料的总称。这种材料在紫外线的照射下可产生游离电子及空穴，因而具有很强的光氧化还原功能，可氧化分解各种有机化合物和部分无机物，能破坏细菌的细胞膜和固化病毒的蛋白质，具有极强的防污、杀菌和除臭功能。光触媒利用光能进行光化学反应，把光线中的紫外线转换成能源利用，因此具有阻断紫外线的功能。
日本 90％的空气净化机，以及东芝、日立、三菱、松下、大金、夏普等厂家的新型空调制品均已采用具有空气净化功能的光触媒材料。我国也有一部分主流空调、冰箱厂家开始接触光触媒材料。

1. 电解水杀菌

　  电解水技术是通过在洗衣机进水口安装装置，电解出酸性水，在洗涤过程中利用水的酸性发挥效果，具有一定杀菌作用，而且没有重金属，无残留，无污染。但由于需要在机筒中水的pH值足够低的条件下才有效，而电解水需要较长时间，因此导致洗衣过程很长，一般需要一个小时左右。
     三洋涉足电解水洗衣机较早，其中的零洗涤剂程序，可以不用洗涤剂，只依靠电解水产生的活性氧和次氯酸等物质，对轻污衣物进行洗涤，同时杀死各种有病菌，当然如果衣物过脏，这种技术的除菌效果就不敢恭维了。
海尔公司推出的“不用洗衣粉洗衣机”主要采用电解原理和活化水技术，洗衣机内安装了电解水装置，既可以使衣物洗涤更加方便，也可以通过电解方式对衣物杀菌灭菌，达到良好的卫生效果。

1. 多种方式组合杀菌除菌

市场也有一些机构单位采用多种原理设计综合除菌方式，取得了很好的效果，如日本松下公司的“光动银”双重除菌技术。它的技术原理在于，筒内既有银离子发生装置，又特别增设了一套蓝光发射装置。当漂洗过程中注入了含有银离子的水流后，特设的蓝光照射，可以促使银离子和水发生反应，从而产生一种活性氧——羟基自由基(•OH)。羟基自由基能迅速破坏菌种的细胞结构，从而杀死原本银离子不能杀灭的真菌，如白色念球球菌等有害菌。所以，这事实上是达到了双重除菌效果。^[10]
四、家用电器的抗菌除菌净化功能国家标准对家电企业发展产生的深远影响^[11]
抗菌、除菌、净化是当下家电产品最流行的对健康有直接相关的功能之一，然而，消费者在青睐这些功能的同时又心存疑虑。长期以来由于没有相应的标准，抗菌家电市场一度混乱，一些企业在这些功能的宣传上大做文章，夸大其词，甚至有些电器虽然具备抗菌、除菌、净化功能，但同时也会产生危害人体健康的气体或辐射。如今，这种混乱状况终于要结束了。
我国国家标准GB21551.1－2008《家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能通则》已于2008年颁布，2009年3月1日实施。针对对具体产品规定技术要求的系列标准如GB 21551.3-2010《家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能 空气净化器的特殊要求》（以下简称《空气净化器的特殊要求》）、GB 21551.4-2010《家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能 电冰箱的特殊要求》（以下简称《电冰箱的特殊要求》）、GB 21551.5-2010《家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能 洗衣机的特殊要求 》（以下简称《洗衣机的特殊要求》）、GB 21551.6-2010《家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能 空调器的特殊要求》（以下简称《空调器的特殊要求》）、GB 21551.2-2010《家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能 抗菌材料的特殊要求》共5项标准已于2011年9月15日起实施。至此，我国家电除菌标准体系已成雏形。实践证明，抗菌产品标准的缺失问题，是严重制约该相关产品发展的瓶颈。没有明确的标准，也是行业难以规范的原因。市场上产品良莠不齐，消费者无法维护自身利益。这也造成抗菌剂、抗菌材料、抗菌产品规模小、企业小，不易做大市场的尴尬局面。国标GB21551的制订和出台，将是提升家电产品品位，给家电企业提供了一次走出同质化低水平竞争，发展高端消费品的绝好发展机会。表1列出了抗菌家电标准中推荐使用的抗菌部件及其技术指标要求。
表1，家用和类似用途电器抗菌功能的零部件目录和技术要求

产品名称	具有抗菌功能的制品（部件）	技术要求
冰箱	内胆、门衬、果菜盒、瓶筐、门把手	抗细菌
	门封条	抗细菌/霉菌
空调	进风栅、风向板	抗细菌
	接水盒、过滤网	抗细菌/霉菌
波轮洗衣机	外桶、内桶、波轮、进水管	抗细菌/霉菌
滚筒洗衣机	外桶、内桶、窗衬、进水管	抗细菌/霉菌
消毒柜	塑料内胆、门衬、把手、隔板、面板	抗细菌
	门封条	抗细菌/霉菌
吸尘器	机身外壳、软管组件、吸头（长头、短头、地毯刷、集尘袋）	抗细菌
热水器	开关和喷头	抗细菌
微波炉	炉腔、门体、门框、开关、旋纽	抗细菌
冷柜	塑料内胆、门衬、把手	抗细菌
	门封条	抗细菌/霉菌
空气杀菌解毒机	开关、按键、面板和内部塑料部件	抗细菌
杀菌加湿器	开关、按键、面板和内部塑料部件，储水盒	抗细菌/霉菌
洗碗机	塑料内胆、门衬、门封条、按键（开关）和金属外壳的表面涂层	抗细菌
饮水机	龙头开关、外部接水盒、大顶盖及电源开关等各种按键	抗细菌
	聪明头、聪明座、内部水桶、出水管、出水龙头	抗细菌/霉菌
遥控器	按键、外壳	抗细菌

 
五、崇高纳米公司针对抗菌家电产品的技术服务现状
北京崇高纳米科技有限公司2001年由李毕忠博士创立，依托中国科学院理化技术研究所和工程塑料国家工程研究中心,是全国卫生企业管理协会抗菌产业分会副理事长，中国塑料加工工业协会理事，中国纺织工程学会化纤专委会委员，中关村新材料产业联盟发起人单位，国家认定高新技术企业。
成立之初即将主要科研瞄准抗菌材料和纳米复合材料的研发和推广应用领域。经过近十年的不懈努力，以沸石载银/锌复合抗菌剂、银系纳米无机抗菌剂、有机/无机复合抗菌剂为基础，开发生产安迪美®牌抗菌剂和抗菌母粒，如安迪美®-AM、AM1、AMS、CAL-1等抗菌剂和安迪美®-PG、PG1、PG-P3、PP-P、PS-T、PC-T等抗菌母粒，可广泛应用于各种塑料材质的家电等领域中。安迪美抗菌剂和抗菌母粒2004年被列入“国家级火炬计划项目”、2009年被北京市认定为“自主创新产品”，2006年“卫生洁具用抗菌母粒安迪美PG-P3”获得“国家重点新产品”殊荣。2010年，“高性能无机/有机复合抗菌剂的研究及产业化”项目获得“科技部中小企业技术创新基金”资助。崇高纳米公司针对抗菌家电标准的要求，可为家电产品零部件提供符合技术要求的抗菌剂和抗菌母粒系列材料，其主要成分和使用效果见见表2。
表2，崇高纳米公司提供的抗菌家电材料解决方案

项目		适用的产品牌号	抗菌组分	添加比例	抗菌性能*
抗菌洗衣机	内桶、外桶、波轮（PP）	抗菌母粒安迪美® PG-P6或PG1	银-锌-沸石和纳米氧化锌(MyO . Al2O3 . xSiO2. yH2O, ZnO)以及长效有机抗菌剂复合体系	4.0-8.0%	抗菌率≥99%；防霉等级达1级或0级
	进水管、窗衬（PVC）	抗菌母粒安迪美® AMA-PVC或抗菌剂抗菌母粒安迪美®CAL-1	长效有机抗菌剂/无机纳米（Ag-Zn）复合抗菌剂体系	4.0%/1.0-2.0%	抗菌率≥99%；防霉等级达 0级
抗菌冰箱	内胆、门衬、门把手(HIPS)	抗菌母粒安迪美® HIPS	银 –锌– 硅酸盐和纳米氧化锌(AgyO. Na2O. xSiO2，ZnO)	4.0-6.0%	抗菌率≥90%
	果蔬盒、瓶框（透明PS）	抗菌母粒安迪美®PS-T	银 – 硅酸盐(AgyO. Na2O. xSiO2)	4.0-6.0%	抗菌率≥90%
	门封条(PVC)	抗菌剂安迪美®CAL-1或AMS	长效有机抗菌剂/无机纳米（Ag）复合抗菌剂体系	1.0-2.0%/0.5-1.0%	抗菌率≥99%；防霉等级达0级
抗菌空调	进风栅、风向板（ABS）	抗菌母粒安迪美®ABS	银- 锌- 沸石和氧化锌(MyO . Al2O3 . xSiO2. yH2O, ZnO)	4.5-6.0%	抗菌率≥90%
	接水盘（EPS）	抗菌剂安迪美®AM3	银-锌-沸石和纳米氧化锌(MyO . Al2O3 . xSiO2. yH2O, ZnO)以及长效有机抗菌剂复合体系	0.5-1.0%	抗菌率≥99%；防霉等级达1级或0级
	过滤网(PP)	抗菌母粒安迪美®PP-AC1	银-锌-沸石和 (MyO . Al2O3 . xSiO2. yH2O)以及长效有机抗菌剂复合体系	4.0-6.0%	抗菌率≥90%；防霉等级达1级或0级

注：抗细菌性能测试参照标准ISO22196-2007或QB2591-2003，测试菌种为大肠杆菌（ATCC25922）和金黄色葡萄球菌（ATCC6538P）；抗霉菌性能测试参照标准ASTM G21或QB2591-2003，测试菌种为黑曲霉、土曲霉等六种混合霉菌.
    北京崇高纳米的技术人员除了抗菌剂和抗菌母粒产品的开发外，为了满足市场的需要，正在投入大量人力、物力、财力，和大型化工机械厂合作，开发一些具有杀菌灭菌功能新型机械设备，通过物理作用原理杀菌灭菌，如和洗衣机结合电解杀菌装置、和冰箱结合臭氧杀菌装置、和空调结合具有抗菌抗病毒功能的过滤装置设计等等。
北京崇高纳米公司还和常州崇高纳米材料公司、宁波高新区崇高新材料公司合作，在江苏和浙江等长三角、珠三角产业集群区，为家电和零部件制造企业提供材料生产和检测服务。
六、抗菌家电发展前景广阔
洗衣机、冰箱、空调、微波炉等家电为人们的生活带来了轻松和便捷，然而在使用过程中，家用和类似用途电器产品的有关零件也容易被污染并滋生细菌，危害人体健康。相关行业专家指出，抗菌、抑菌型家电已经开始被各大家电企业所重视。现在国内洗衣机市场便出现了一批以健康、节能、环保为卖点，具有蒸汽、加热、烘干等功能的新产品，深受消费者的喜爱和欢迎。在国家政策的支持和企业的开拓下，具有抗菌抑菌功能的家电将会被越来越多的消费者选择，成为了未来发展的一种趋势。
美国咨询公司弗若斯特沙利文最新发表的研究报告预测，随着人们产品安全与卫生意识的提高，全球抗菌塑料市场的规模将不断扩大。预计2015年，抗菌塑料的工业应用市场规模将达到14亿英镑，用于消费品的产品价值为10.3亿英镑，医疗保健领域为3.3亿英镑。届时，全球高达20%的塑料制品将具有抗菌功能。我们认为，抗菌家电如洗衣机、冰箱、空调、小家电等，发展空间宽广，抗菌功能将成为家电产品越来越受青睐的卖点。
 
[参考文献]
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[2]打造健康住宅势在必行.摘自《中国信息报》，2002.4.18.                   
[3]李毕忠.抗菌塑料的发展和应用.化工新型材料，2001，28（6）：8-11.
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[5]家电除菌有标可循市场乱象或告终结.中国质量新闻网,2011-05-15: 10:39:54.
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[7]章恩明,杜林等.电解水杀菌技术及其应用.中国科学院上海冶金研究所,材料物理与化学(专业) 博士论文(2000年).
[8]家用电器产品抗菌标准体系形成，消费日报，2004-3-31.
[9]CN101182673A.
[10]CN201399099Y.
[11]李毕忠，马宏伟等.家用电器的抗菌除菌净化功能标准对抗菌剂企业发展的应用.2009年塑料助剂生产与应用技术、信息交流会论文集：176-177.