抗菌玻璃技术及应用
时间：2015-05-11 22:52:12 来源： 点击量：
摘 要：本文对抗菌玻璃的种类、原理及特点进行了详细的论述，重点介绍了一种全新的材料---镀膜抗菌玻璃，并对其工艺原理、技术特点、功能特性、综合指标等进行了综合评价。对溶胶-凝胶（sol-gel）工艺特点进行了解析。介绍了一系列镀膜抗菌玻璃应用于医疗卫生、家电、日用品等领域的案例，并对其应用效果进行了的综合评价。
关键词：抗菌 溶胶-凝胶 镀膜抗菌玻璃 抗菌率 家电 医用内装材料 抗菌日用品
引言
抗菌玻璃（Antibacterial Glass）的生产和应用，使抗菌行业更趋于全面和完整。
由于无机玻璃的成型会受到玻璃成份及高融化温度的限制，所以，在通过改变成份赋予玻璃新功能的技术上，有着较高的难度。因此，抗菌玻璃在我国成规模的生产和应用，标志着中国抗菌材料及技术，在国际上有着较高的水平和独特的地位。
抗菌玻璃是中国国家科技委员会的部级鉴定成果（建材鉴定[2004]第002号），它的出现使玻璃这一目前尚不可代替的建材产品，在保持玻璃原有的采光、遮风、挡雨……的基础上，增加了抑菌、杀菌的新功能。这一功能的增加，使我们的生活环境的改善和提高得到了极大地帮助。同时，使医疗、卫生以及家电等行业实施全面的抗菌工程成为了可能。它的玻璃日用制品使我们日常洁净、健康的生活方式得到充分的满足和保障。总之，抗菌玻璃这“朵”抗菌行业中的靓丽奇葩，一定会使我们的生活更加靓丽、多彩、安全。
抗菌玻璃加工车间封闭生产线 抗菌玻璃生产过程
（Antibacterial glass and technology overview）
1、抗菌玻璃（Antibacterial Glass）
通过不同的方法，将抗菌剂添加到玻璃载体上，使其表面具有抑菌、杀菌的功能，此即抗菌玻璃（Antibacterial Glass）。抗菌玻璃按其抗菌剂在载体上的存在方式，可分为“可溶性抗菌玻璃（Soluble antibacterial glass）”、“多孔抗菌玻璃（Porous antibacterial glass）”、“镀膜抗菌玻璃（Antibacterial coated glass）”以及“离子扩散抗菌玻璃（Ion diffusion antibacterial glass）”。
抗菌玻璃的抗菌机理，一般认为：抗菌离子（主要有效成分为银、铜、锌等金属离子。它们的使用已经获得美国FDA和EPA的准许）带正电荷，微生物的细胞膜带负电荷，当两者相互接触时，由于库仑力的吸引，致使二者牢固结合，金属离子穿透细胞壁进入细胞内，与细菌内蛋白质上的细胞合成酶活性中心的巯基、氨基等发生反应，导致该活性中心的结构被破坏，引起微生物死亡或丧失分裂增殖能力。
蛋白酶-SH+M
n+→蛋白酶-S- M
n++H
+
抗菌行业协会提倡的抗菌技术属无机、广谱、长效、接触性抗菌技术。那么从接触性抗菌效果及加工成本上，无疑“镀膜抗菌玻璃（Antibacterial coated glass）”有着得天独厚的表面抗菌效果优势，而且应用也最为普遍和广泛。以下文字“抗菌玻璃”及说明均指“镀膜抗菌玻璃”。
1.1镀膜抗菌玻璃
采用玻璃镀膜技术，将抗菌离子分散到表面膜的成膜基体内，将其牢固地附着于玻璃表面，达到长效抗菌的目的，该玻璃即为镀膜抗菌玻璃。
1.1.1（溶胶-凝胶sol-gel浸镀法）镀膜抗菌玻璃技术
溶胶-凝胶镀膜技术包括如下几个步骤：
- 配制镀膜溶液：成膜物质金属盐或金属醇盐的水解,形成带有羟基（-OH）的中间产物；
M(OR)
n + nH
2O → M(OH)
n + nROH （金属醇盐） 或
M(OR)
z + xH
2O → M(OH)
x(OR)
z-x + xROH
MX
n + nH
2O → M(OH)
n + nHX (金属无机盐)
- 溶液中带有羟基的中间产物之间发生聚合反应；
-M-OH + HO-M- → -M-O-M- + H
2O
-M-OH + RO-M- → -M-O-M- + ROH
（3）将抗菌剂在（1）（2）过程中分散到前驱镀液中。
（4）将镀膜溶液均匀地涂覆于被镀基板的表面上，使其形成一层覆盖整个基板表面的胶体的薄膜层；
（5）胶体薄膜层中的凝胶束或链的形成，部分形成网络，在网络中有溶剂滞留，此时的黏度很高，在这一阶段同样伴随着水解与聚合反应；
（6）Ostwald熟化阶段；凝胶网络进一步收缩，胶粒之间的交联增多，这种交联更多的是通过胶粒之间的聚合反应形成共价键。网络空隙孔径变小，空隙壁强度增加，与基板表面的结合力增大；
（7）薄膜干燥阶段，首先是胶体脱水收缩，凝胶空隙中滞留的水分、醇或易挥发性物质通过凝胶的收缩将其逐出凝胶体系以外。其次是通过蒸发，排除空隙中的液体；
（8）薄膜致密化，通过热处理令薄膜孔隙率降低或孔径缩小，增加薄膜的密度和强度，同时也增加薄膜与基板表面之间的结合强度。
溶胶凝胶镀膜技术的关键在于溶胶溶液的配制，溶胶的配制应该使成膜物质-溶剂-催化剂-水解速度调节剂之间的配比达到最佳，而且溶胶溶液的黏度或浓度也要进行适当调节，这样才能得到性能稳定的溶胶溶液和镀制出高质量的薄膜。
溶胶凝胶浸镀法制备薄膜的实际流程，可以用下面的示意图表示。
从上工艺高温热处理的方式以及实际产品效果上：镀膜抗菌玻璃一是膜层耐磨、坚硬、大于玻璃表面硬度。二是抗菌功能广谱、高效。
二、镀膜抗菌玻璃分类及应用
1、抗菌玻璃分类
按成膜材料（抗菌离子载体膜材料）产生附加功能的不同，一般将镀膜抗菌玻璃分两种产品类型：即“环境净化型”和“可见光高透型”。
1.1环境净化型抗菌玻璃
以锐钛矿晶型TiO
2为成膜基体分散抗菌剂的镀膜玻璃，在常态无条件抗菌的前提下，在阳光或紫外光的作用下，兼具有空气、水质净化的功能。即具有光催化性能。此种复合膜及复合功能的抗菌玻璃即为“环境净化型”抗菌玻璃。见图示：
1.1.1环境净化型抗菌玻璃的净化机理
首先强调说明该“净化”是指降解空气、水中的有机污染物质。光催化性能是这种镀膜玻璃产品重要的功能。它主要表现在净化空气中的氮氧化物、硫化物、甲醛等有害气体及异味，以及水中的有机致癌污染物，如苯并芘及卤化物等。这些性能皆起因于二氧化钛半导体受小于365nm波长的光照射后，在能带与价带之间产生了光生电子-空穴对，这些电子-空穴对具极强的氧化-还原性，几乎可以和所有的有机物产生氧化还原反应，最终将有机物氧化降解。有关这方面的机理已在许多文献上都有详细的阐述，这里就不再重复。
光催化反应图示说明
对于光催化性能的检测，我们采用了目前通用的甲基橙分解褪色试验。即将二氧化钛光催化膜与甲基橙溶液接触，放置到楼顶上，令其暴露于太阳光下，检验在太阳光线的照射下，薄膜对甲基橙的分解能力。我们认为这样做更能够反应出薄膜的实际光催化能力。太阳光的照射强度和照射时间为秦皇岛地区5月上旬的平均值。试验采用比色分析的方法，测定太阳光照射一定时间后，甲基橙溶液在最大吸收波长处的光密度值，实验结果见表1。
表1：二氧化钛光催化薄膜分解甲基橙随太阳光照射时间溶液密度的变化
(最大吸收波长=460nm)
| 照射时间 |
0小时 |
3日 |
5日 |
8日 |
11日 |
13日 |
| 对照样（无膜） |
0.185 |
0.184 |
0.187 |
0.183 |
0.182 |
0.180 |
| 光催化膜 |
0.185 |
0.113 |
0.070 |
0.027 |
0.015 |
0.01* |
*纯水的密度D=0.01（两个比色皿之间的误差）
由上表可以看出，连续光照近两周后（其中包括阴雨天和多云天气约3-4天），有光催化薄膜的甲基橙溶液完全被分解，而没有薄膜的对照样甲基橙溶液基本没有变化。说明二氧化钛光催化薄膜确实有分解有机物的能力。
另：国家环境分析测试中心对其分解水中有机物的功能进行了检测。处理前及经镀膜抗菌玻璃处理后的工业废水有机物含量如下表所示：
| 化合物 |
浓度（ug/L） |
| 处理前 |
处理后 |
| 苊 |
0.026 |
N.D. |
| 蒽 |
0.025 |
N.D. |
| 芘 |
0.60 |
0.10 |
| 苯并（a）蒽 |
2.2 |
0.27 |
| 屈 |
3.4 |
0.51 |
| 苯并（b）荧蒽 |
1.0 |
0.20 |
| 苯并（k）荧蒽 |
0.16 |
0.058 |
| 苯并（a）芘 |
4.7 |
0.86 |
| 茚并（1,2,3-cd）芘 |
0.19 |
0.037 |
| 苯并（ghj）苝 |
0.58 |
N.D. |
检测结果表明，环境净化型抗菌玻璃对于水中的有机污染物，具有良好的分解和去除效果。
1.2可见光高透型抗菌玻璃
以折射率＜1.5的SiO
2等为成膜基体分散抗菌剂的镀膜抗菌玻璃，在常态无条件抗菌的前提下，兼具有可见光减反射，即光增透性能。此种复合膜及复合功能的抗菌玻璃即为“可见光高透型抗菌玻璃”。该玻璃特别适合高透光及特别清晰观察场所。如电子显示触摸屏玻璃、医疗隔离观察隔断等。见图示：
