文/欧阳建群，高庆福，陈嘉壕
擎天材料科技有限公司
摘要：针对抗菌涂料在不同使用环境和高效抗菌性能的要求，从抗菌粉末涂料机理出发，研究了不同抗菌剂在不同工艺下制备的抗菌粉末涂层抗菌效果，并研究了不同抗菌剂在耐水洗涤、耐水煮、耐高温、耐紫外光照试验下对粉末涂层抗菌效果、光泽、色差的影响；同时研究了抗菌剂及其用量对涂层性能的影响。结果表明：添加带玻璃网状结构的银离子与锌离子复配的抗菌剂抗菌效果最佳；内挤搭配外混加入方式的粉末涂层的抗菌性能优异；得到的涂层在高温处理、水洗处理等条件下也具有良好的抗菌性能。选择含有玻璃网状结构的银离子的抗菌剂，涂层中的玻璃网状结构载体能缓慢地释放银离子，保证涂层的长效抗菌性能。
关键词：抗菌；高效；粉末涂料
Research on New High-Efficacy Antimicrobial Powder Coatings
Ouyang Jianqun，Gao Qingfu，Chen Jiahao
（Kinte Material Technology Co Ltd Guangzhou510860，China）
Abstract：In view of the requirements of antimicrobial coatings in different use
environments and high-efficacy antimicrobial properties，the antimicrobial effects of antimicrobial powder coatings prepared by use of different antimicrobial agents under different processes have been studied，and the influence of different antimicrobial agents in the test of water washing，water boiling，gloss and color difference，high temperature resistance and UV light resistance were also studied，as wellas the effect of antimicrobial agent and its dosage on coating performance. The results showed that the antimicrobial efficacy of silver ion and zinc ion antimicrobial agents with glass network structure was the best. The powder coatings provided excellent antimicrobial performance by the internal extrusion and external mixing process. When the cured coatings was treated at high temperature，water washing，etc. ，it remained good antimicrobial properties. When an antimicrobial agent with a glass network structure containing silver ions was used，the solver ions could be released slowly from the glass network structure，ensuring the long-term antimicrobial efficacy of the coatings.
Key words：antimicrobial；high efficacy；powder coatings
0 前言
随着近年来粉末涂料的应用范围逐渐扩大，以及涂料行业对挥发性有机化合物（VOC）含量的要求发越来越高，对在各类器械及生活用品表面的抗菌粉末涂料的使用越来越受重视，特别在一些公共卫生行业，例如，对医院中使用的器械及其表面涂料的抗菌效果提出来了更高的要求，抗菌涂料的需求正逐渐变大。
银离子能吸附水中的微生物，使微生物赖以呼吸的酶失去作用，从而杀死微生物，109mg的银离子就能净化1kg水。近年来出现了很多银离子抗菌剂的商业品牌，例如，日本石塚硝子银离子抗菌剂IONPUREIPL，杭州恒纳HN-T07P，美国陶氏SILVADUR等。还有很多以银离子作为抗菌材料的载体抗菌剂。
然而普通的银离子难以直接应用在粉末涂料中，因为粉末涂料的熔融挤出与喷涂烘烤固化时的温度都比较高，最高可达200℃，高温下的银离子容易被破坏。这不仅会造成银离子被氧化，还会使得到的涂层在烘烤过程中容易发生黄变。由于银离子部分被氧化，无法控制涂层中银离子的释放速度，涂层抗菌的耐久性比较差，被水清洗几次后，表层的银离子被清洗，抗菌性能下降。因此需要选择一种合适的带有银离子载体的抗菌剂，保证涂层抗菌性能的同时又能够在洗涤剂水洗、雨水冲刷的情况下保持长久的抗菌性能。一般来说，抗菌剂分为有机和无机两大类，有机抗菌剂的安全性尚在研究中，无机抗菌剂对人体更加安全，实用性强。抗菌剂的接触反应抗菌机理为银离子接触反应，造成微生物共有成分破坏或产生功能障碍；当微量的银离子到达微生物细胞膜时，因后者带负电荷，依靠库仑引力，使两者牢固吸附，银离子穿透细胞壁进入细胞内，并与巯基反应，使蛋白质凝固，破坏细胞合成酶的活性，细胞丧失分裂增殖能力而死亡。银离子还能破坏微生物电子传输系统、呼吸系统和物质传输系统，从而起到杀灭细菌的作用。
本研究对比了抗菌剂不同加入方式和不同的处理方式（水洗、沸水处理、高温处理、光照等）对粉末涂料抗菌性能的影响，以期得到抗菌效果较好的加入方式和在各种使用条件下抗菌性能优异的高效抗菌粉末涂料。
1 试验部分
1.1 试验原料
环氧树脂（二步法，E-12）：南亚；钛白粉：中核钛白；硫酸钡：欣美化工；聚酯树脂：擎天；丙烯酸酯聚合物：南海化学；流平剂：埃斯特伦/巴斯夫；抗菌剂：恒纳/IONPUREIPL；涂料通用助剂：市售。以上原料均为工业级。
1.2 试验设备
SLJ-30AF型双螺杆挤出机、ACM系列微磨粉设备：烟台东辉；500g摇摆式高速粉碎机：DFY-500C，林大机械；冲击试验仪：QCJ型，南海大步喷塑综合厂；恒温烘箱：PHH-201，爱斯佩克；测厚仪：QNIX-4500，德国尼克斯；色差仪：CM-3600d，美能达；紫外灯人工加速老化仪：QUV-Spray（UVB-313），美国Q-lab。
1.3 抗菌粉末涂料的制备
抗菌粉末涂料的基础配方见表1。
按表1配方分别准确称取各组分，用小型高速中药材粉碎机混合均匀，用双螺杆挤出机挤出，破碎后高速粉碎机粉碎，过180目标准筛，获得粉末涂料。然后将所得的粉末涂料喷涂在铁板（75mm×150mm）上，喷涂前需对铁板进行水洗除油，然后吹干，固化条件为180℃/10min，将得到的样板放置24h，进行各项性能测试。
1.4 不同工艺处理
1.4.1 水洗处理
将抗菌粉末涂料样板进行水洗处理。步骤如下：使用50mL自来水对样板表面进行冲洗，然后加入5g洗洁精进行擦拭，使用擦拭抹布用约5N的力擦拭表面50次，然后用50mL自来水将表面冲洗干净，水洗50次后对涂层的抗菌性能进行测试。
1.4.2 沸水水煮处理
将粉末涂料样板在100℃的沸水中煮2h，然后放置1h后对涂层的抗菌性能进行测试。
1.4.3 紫外光照处理
采用UVB-313光源对粉末涂料样板进行紫外光照老化处理，分别进行24h、48h紫外光照射后再对涂层进行抗菌性能测试。
1.4.4 高温处理
将粉末涂料样板放在200℃恒温电烤炉中烘烤1h，再对涂层进行抗菌性能测试并测试烘烤前后色差。
1.5 性能测试
按表2对涂层的各项性能进行检测。
2 结果与讨论
2.1 抗菌性能对比分析
实验选取4种不同厂家生产的银离子抗菌剂：1#为银离子抗菌剂、2#为纳米银离子的抗菌剂、3#为加入带玻璃网状结构的银离子与锌离子复配的缓释抗菌剂、4#为银离子与铜离子复配的活性炭载体抗菌剂，制备粉末涂料，抗菌剂加入量为粉末涂料总质量的2%，同时对比了内挤加入、内挤与外混加入（内加1.5%，外混0.5%）、外混加入3种加入方式对粉末涂料抗菌性能的影响，结果如表3~表5所示。
由表3可以看出，未加入抗菌剂的涂层没有抗菌效果；抗菌剂1#的抗菌性约为97%，效果略差，不过也能满足抗菌粉末涂料的要求；抗菌剂2#、3#、4#的效果较佳，抗菌性达到了99%，因为抗菌剂2#为加入了纳米银的长效抗菌剂，抗菌剂3#为加入了银离子的玻璃网状结构的抗菌剂，此类抗菌剂能够缓慢地释放玻璃网状结构中的银离子，能有效抑制细菌的增长；抗菌剂4#抗菌效果好，但是加入会影响涂层的外观，与涂层的兼容性相对较差。
内挤搭配外混加入方式是将压碎的粉末涂料片料与加入的抗菌剂一起粉碎，保证外加抗菌剂的混合均匀性，然后将粉末涂料喷涂完成后进行试验。结合表3和表4数据可知，内挤搭配外混加入方式的涂层抗菌性能相对于内挤方式有所提高，抗菌剂1#的抗菌性由97.72%提高到了98.52%，其余3种抗菌剂抗菌效果均有不同程度的提高，说明外混加入的部分抗菌剂浮在涂层表面，能起到有效的杀菌效果。
从表5可以看出，在外混加入2%的抗菌剂之后，抗菌剂1#、2#、3#所制备的涂层流平变差，出现了雾状表面，说明外加抗菌剂会影响涂层的表面效果，同时抗菌剂1#、2#、3#外混加入后涂层的抗菌效果相对于前面2种工艺制备的粉末涂料有所下降；抗菌剂4#所制备的涂层流平较差，同时涂层耐冲击性降低。主要发是因为外混的工艺方式，抗菌剂的分散效果相对较差，混合均匀性无法保证，导致涂层的抗菌效果下降。
综上，本研究选用内挤搭配外混的加入方式添加2%的抗菌剂进行后续试验。
2.2 耐久性能对比分析
2.2.1 水洗处理的影响
试验将抗菌剂2#、3#所制备的涂层样板进行水洗后，考察了水洗处理对粉末涂料抗菌性能的影响，结果如表6所示。
无处理由表6可以看出，抗菌剂3#制备的涂层抗菌性能基本保持不变，而由抗菌剂2#制备的涂层抗菌性能有所下降。主要是因为抗菌剂3#是加入了银离子的玻璃网状结构的抗菌剂，水洗过程即使清洗了表面部分的银离子，涂层中的玻璃网状结构载体仍然能缓慢地释放银离子，释放的银离子具有高效的抗菌性能，所以涂层的抗菌效果保持不变。而抗菌剂2#制备涂层的耐水性能稍差，抗菌效果下降相对较多，但仍能满足抗菌粉末涂层的使用效果。
2.2.2 沸水水煮处理的影响
试验考察了沸水水煮处理对粉末涂料抗菌性能的影响，结果如表7所示。
由表7可以看出，经过2h沸水水煮后，由抗菌剂2#制备的涂层12h抗菌效果从99.99%下降到95.43%，说明抗菌剂2#在高温沸水下发生了化学键断裂，影响了涂层的抗菌效果，由抗菌剂3#制备的涂层经过沸水水煮后12h抗菌效果为98.67%，受沸水处理的影响不大，说明抗菌剂3#在高温沸水状态下，结构比较稳定，涂层依然有不错的抗菌性能。
2.2.3 紫外光照处理的影响
本研究考察了紫外光照处理对粉末涂料抗菌性能的影响，结果如表8所示。
由表8可以看出，紫外光照24h后，抗菌剂2#和抗菌剂3#制备涂层的抗菌性能基本没有变化。
紫外光照48h后，抗菌剂2#制备涂层的抗菌性能95.63%，抗菌性能下降较多，而抗菌剂3#制备涂层的抗菌效果为97.52%。可能是因为抗菌剂2#在长时间紫外光照条件下部分结构被破坏，抗菌剂3#由于存在稳定的玻璃网状结构，受紫外光照影响较小，从而可对涂层表面的细菌进行有效的杀灭。
2.2.4 高温处理的影响
高温处理对粉末涂料抗菌性能的影响如表9所示。
从表9可以看出，抗菌剂2#和抗菌剂3#制备涂层经高温处理后抗菌性能均有所下降，其中，抗菌剂3#的色差值变化相对较小。主要是因为抗菌剂3#为带玻璃网状结构的银离子抗菌剂，结构稳定，具有优异的耐高温性能，且通过特定工艺可控制抗菌银离子的释放速度，受高温烘烤的影响较小。通过上述各项测试结果分析，试验选择抗菌剂3#作为粉末涂料抗菌剂，其结构如图1所示。
在耐沸水试验和耐高温烘烤试验中，涂层的抗菌性均有一定程度的下降，主要是因为抗菌剂在高温下结构可能受到影响，同时部分抗菌剂被氧化，但是不同抗菌剂受到的影响不一致。抗菌剂1#与2#（不能用于人体直接接触的产品）能满足普通使用条件下的抗菌性能，而抗菌剂3#的各项性能比较优异，适合在有高温和经常水洗的环境下使用。
2.3 抗菌剂用量对涂层抗菌性能的影响
试验选定抗菌剂3#，考察其不同用量对粉末涂层抗菌性能的影响，结果如表10所示。
由表10可以看出，随着内加抗菌剂用量的增加，12h涂层的抗菌性基本在99.99%以上。涂层的耐黄变效果越来越差，色差值从0.2变化到0.5。随着抗菌剂用量的增加，涂层6h的抗菌效果逐渐提高，抗菌效果从96.72%提高到了99.99%。抗菌剂用量为5%时，涂层表面出现雾状效果，表面轻微失光，涂层外观不佳，说明高效抗菌剂加入过多会影响涂层的光泽，同时涂层的耐黄变性能会有所下降。抗菌剂用量在2%~3%时，涂层的抗菌效果最佳，综合性能最为优异。
选取2%抗菌剂3#加入到粉末涂料中，测试涂层的各项性能，结果如表11和表12所示。
结合表11与表12的结果可知，本研究制备的抗菌粉末涂料，其涂层性能和抗菌性能可满足日常不同环境影响下的使用要求。
3 结语
在抗菌粉末涂料的抗菌剂选择过程中发现，不同抗菌剂加入后涂层的抗菌性能不一致，其中玻璃网状结构的银离子抗菌剂的抗菌效果最好。采用内挤搭配外混加入2%的抗菌剂3#，制备的粉末涂层具有优异的物理性能和出色的抗菌性能，涂层经水洗、水煮、高温、紫外光照处理后仍有出色的抗菌表现。
本产品可应用于金属结构件表面涂覆，涂覆的工件适合在不同的抗菌环境中使用。可应用于日用品、家电产品（冰箱、冷柜、空调、洗衣机等）、汽车部件、建筑材料、医用材料、食品行业用品等；能对材料表面进行有效的防护，减少细菌的滋生，防止疾病的传播。
《涂料工业》2021年第51卷第3期
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