復(fù)合殺菌劑對水基切削液抗菌性能影響的研究*

李廣宇，李春惠，張芒芒，莊 園

（1.沈陽理工大學，遼寧 沈陽110159;2.沈陽鹿森潤滑技術(shù)有限責任公司，遼寧 沈陽110015）

復(fù)合殺菌劑對水基切削液抗菌性能影響的研究*

李廣宇1，李春惠1，張芒芒1，莊 園2

（1.沈陽理工大學，遼寧 沈陽110159;2.沈陽鹿森潤滑技術(shù)有限責任公司，遼寧 沈陽110015）

根據(jù)ASTMD3946-92方法，采用實驗室通氣裝置模擬現(xiàn)場使用條件，考察了硼酸銨A、三嗪類B和低毒酚C三種殺菌劑及其復(fù)配組合對水基切削液抗菌性能的影響。結(jié)果表明，單一殺菌劑難以對真菌和細菌同時起到很好的抑制作用，而復(fù)合殺菌劑可以對細菌和真菌同時起到抑制作用，其中5%硼酸銨A和1%低毒酚C復(fù)合時即具有顯著的抗細菌和抗真菌性能，可明顯延長水基切削液的使用壽命。

水基切削液；殺菌劑；抗菌性能；殺菌機制

前言

水基切削液因具有廉價、安全、冷卻性好等優(yōu)點而得到廣泛的應(yīng)用，但是它也存在易腐敗、使用壽命短等問題[1]。這是由于水基切削液中含有礦物油、脂肪酸皂、胺、磺酸鹽和水等可被微生物所利用的成分，因而易遭受微生物（如細菌和真菌）的分解，同時造成切削液的防銹、潤滑等性能降低，最終導(dǎo)致切削液腐敗變臭[2]。一般情況下，因切削液量減少或因加水后濃度降低都可以用補加新液的方法恢復(fù)其質(zhì)量要求，但是如果由于微生物的繁殖造成切削液質(zhì)量下降則是不可恢復(fù)的，必須更換新液[3]。我國切削液的年使用量約為80萬噸，每年至少產(chǎn)出幾百萬噸的廢液，這些含有多種添加劑的廢切削液大多數(shù)未經(jīng)處置就以各種渠道直接排放入自然界中，從而對環(huán)境造成污染[4,5]。若要減少廢液對環(huán)境造成的污染，那么提高水基切削液的抗菌性能，延長其使用壽命，減少更換次數(shù)，降低排放量，是目前最有效的方法。為防止水基切削液腐敗變質(zhì)，一般需要在切削液配方組成或其稀釋液中加入合適的殺菌劑，以控制微生物的生長繁殖[6]。在實際應(yīng)用中長期使用同種殺菌劑，微生物會產(chǎn)生抗藥性，但開發(fā)一種新型殺菌劑，投入太大，而且很快出現(xiàn)抗藥性，目前提高殺菌劑的抗菌性能的有效途徑是將現(xiàn)有殺菌劑進行復(fù)配使用。

本文根據(jù)ASTMD3946-92方法，考察了硼酸銨A、三嗪類B、低毒酚C三種不同殺菌劑及其復(fù)配組合對水基切削液的抗菌性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

1.1.1 基礎(chǔ)切削液

本試驗所使用的基礎(chǔ)切削液配方如表1。其理化性能見表2。

表1 基礎(chǔ)切削液配方Table 1 The formula of basic cutting fluid

表2 基礎(chǔ)切削液的理化性能Table 2 The physical and chemical properties of basic cutting fluid

以此濃縮液為基礎(chǔ)試驗液，加入不同濃度的殺菌劑調(diào)成母液，再用母液分別配制成3%的稀釋液，用于后序試驗。

1.1.2 所選用的殺菌劑

硼酸銨A：無毒、無腐蝕性，具有阻燃性、殺菌性；

三嗪類B：在堿性溶液中可穩(wěn)定存在，不含任何硝酸鹽、有機氯，能緩慢釋放出甲醛；

低毒酚C：白色晶體，安全高效、無刺激、低毒、化學穩(wěn)定性好。

1.1.3 儀器

PHS-3B型精密酸度計、E-201-C型PH復(fù)合電極、DHP781型電熱恒溫培養(yǎng)箱、HHSY21-Ni型電熱恒溫水浴鍋、CX-0088型增氧泵、OLYMPUS BX51型顯微鏡。

1.2 試驗方法

根據(jù)ASTMD3946-92《Standard Test Methods for Evaluating the Bacteria Resistance of Water-Dilutable Metalworking Fluids》，即水基金屬加工液抗菌性能評價方法，在實驗室內(nèi)建立水基切削液抗菌性能測試平臺。首先向1L的燒杯中加入900mL含有不同殺菌劑的水基切削液，再加入100mL培養(yǎng)好的菌種以及10g鐵屑、玉米淀粉、干酪素等微生物所需的營養(yǎng)物質(zhì)，攪拌均勻。將燒杯置于30℃恒溫水浴鍋內(nèi)，通空氣于試樣中。以7d為1個周期，每周期通氣5d，停氣2d，在此過程中補加無菌水以補充因蒸發(fā)而引起的損失。定期測定pH值并記錄外觀變化，同時采用美國SANI-CHECK測菌片檢測試樣中的細菌和真菌菌落總數(shù)。試驗中所用菌種的細菌菌落總數(shù)應(yīng)達到107cfu/mL以上，真菌菌落總數(shù)應(yīng)達到103cfu/mL以上。樣品變質(zhì)指標為：細菌總數(shù)>107cfu/mL，真菌總數(shù)>103cfu/mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 單一殺菌劑對水基切削液抗菌性能的影響

圖1～9分別為不同濃度的硼酸銨A、三嗪類B、低毒酚C在切削液中的抗菌性能試驗結(jié)果。

圖1 不同濃度硼酸銨A的pH值變化曲線Fig.1 The pH values of cutting fluid with different concentrations of amine borate A

圖2 不同濃度硼酸銨A的細菌菌落總數(shù)Fig.2 The total bacterial count in cutting fluid with different concentrations of amine borate A

圖3 不同濃度硼酸銨A的真菌菌落總數(shù)Fig.3 The total fungicidal count in cutting fluid with different concentrations of amine borate A

圖4 不同濃度三嗪類B的pH值變化曲線Fig.4 The pH values of cutting fluid with different concentrations of triazine B

從圖1～圖3可以看出，隨著硼酸銨A濃度的增加，切削液的抗菌性能也逐漸提高。硼酸銨A的濃度小于5%時，對細菌和真菌的抑制作用都較小，溶液pH值迅速降低；當濃度達到5%時，抑制細菌的效果明顯提高，能在較長時間內(nèi)控制細菌的數(shù)量，抗細菌性能較好，但起效較慢。通氣一段時間后，溶液中出現(xiàn)黏液，說明溶液中存在較多的真菌；濃度增至7%時，其抗細菌性和抗真菌性較5%時都略有提高，但對真菌的抑制作用仍不理想。綜上所述，硼酸銨A對細菌的抑制作用明顯優(yōu)于對真菌的抑制作用。

圖5 不同濃度三嗪類B的細菌菌落總數(shù)Fig.5 The total bacterial count in cutting fluid with different concentrations of triazine B

圖6 不同濃度三嗪類B的真菌菌落總數(shù)Fig.6 The total fungicidal count in cutting fluid with different concentrations of triazine B

從圖4、圖5和圖6中可以發(fā)現(xiàn)，切削液的抗菌性能與三嗪類B的濃度成正比。同時不難看出，三嗪類B殺菌起效快，試驗初期每個試樣的細菌和真菌數(shù)量都迅速降低，對細菌的作用尤其明顯。它能在一定的時間內(nèi)抑制細菌的生長，但持效性較差。通氣培養(yǎng)過程中真菌數(shù)量很快增至103cfu/mL，切削液中出現(xiàn)黏液。由此得出，三嗪類B的抗細菌性優(yōu)于其抗真菌性。

圖7 不同濃度低毒酚C的pH值變化曲線Fig.7 The pH values of cutting fluid with different concentrations of low-toxic phenol C

圖8 不同濃度低毒酚C的細菌菌落總數(shù)Fig.8 The total bacterial count in cutting fluid with different concentrations of low-toxic phenol C

圖9 不同濃度低毒酚C的真菌菌落總數(shù)Fig.9 The total fungicidal count in cutting fluid with different concentrations of low-toxic phenol C

由圖7、圖8和圖9可見，切削液的抗菌性能隨低毒酚C濃度的增大而提高。當?shù)投痉覥的濃度小于2%時，對細菌的抑制作用較小，通氣2周后細菌數(shù)量便超過107cfu/mL，同時伴隨著pH值降低，但對真菌的抑制作用良好。當濃度達到2.5%時可同時抑制細菌和真菌的生長，但若在實際應(yīng)用中采用此濃度，則會大大提高切削液的成本。

2.2 復(fù)合殺菌劑對水基切削液抗菌性能的影響

由上述試驗得出，三種具有不同抗菌性能的殺菌劑單獨使用時，一般不能完全控制細菌和真菌的生長，因此可以將這三種殺菌劑復(fù)合使用，研究其對切削液抗菌性能的影響。圖10～18分別為上述三種殺菌劑復(fù)合使用時的抗菌性能試驗結(jié)果。

圖10 硼酸銨A和三嗪類B復(fù)合時的pH值變化曲線Fig.10 The pH values of cutting fluid with different concentrations of amine borate A and triazine B compound

圖11 硼酸銨A和三嗪類B復(fù)合時的細菌菌落總數(shù)Fig.11 The total bacterial count in cutting fluid with different concentrations of amine borate A and triazine B compound

圖12 硼酸銨A和三嗪類B復(fù)合時的真菌菌落總數(shù)Fig.12 The total fungicidal count in cutting fluid with different concentrations of amine borate A and triazine B

圖13 硼酸銨A和低毒酚C復(fù)合時的pH值變化曲線Fig.13 The pH values of cutting fluid with different compound concentrations of amine borate A and low-toxic phenol C compound

通過對圖10、圖11和圖12的分析可得，硼酸銨A和三嗪類B復(fù)合使用時，隨著A濃度的增加，切削液的抗菌性能逐漸提高。與單獨使用硼酸銨A和三嗪類B時相比，抗細菌能力顯著提高。當硼酸銨A濃度達到3%時即能使細菌總數(shù)維持在103cfu/mL以下，但對真菌的抑制作用仍不理想，溶液中出現(xiàn)黏液，pH值降低。由此可見，硼酸銨A和三嗪類B復(fù)合后抗細菌性明顯提高，但抗真菌性仍不理想。

圖14 硼酸銨A和低毒酚C復(fù)合時的細菌菌落總數(shù)Fig.14 The total bacterial count in cutting fluid with different concentrations of amine borate A and low-toxic phenol C compound

圖15 硼酸銨A和低毒酚C復(fù)合時的真菌菌落總數(shù)Fig.15 The total fungicidal count in cutting fluid with different concentrations of amine borate A and low-toxicity phenol C compound

由圖13、圖14和圖15可以發(fā)現(xiàn)，硼酸銨A和低毒酚C復(fù)合使用比單獨使用的切削液的抗菌性能要高，同時表現(xiàn)出良好的抗真菌性能。當硼酸銨A濃度為5%時即能在較長時間內(nèi)抑制細菌的生長，明顯延長了切削液的使用壽命，說明硼酸銨A和低毒酚C起到了較好的協(xié)同效應(yīng)。

圖16 三嗪類B和低毒酚C復(fù)合時的pH值變化曲線Fig.16 The pH values of cutting fluid with different concentration of triazine B and low-toxic phenol C compound

圖17 三嗪類B和低毒酚C復(fù)合時的細菌菌落總數(shù)Fig.17 The total bacterial count in cutting fluid with different concentrations of triazine B and low-toxic phenol C compound

圖18 三嗪類B和低毒酚C復(fù)合時的真菌菌落總數(shù)Fig.18 The total fungicidal count in cutting fluid with different concentrations of triazine B and low-toxic phenol C compound

從圖16、圖17和圖18中不難看出，三嗪類B和低毒酚C復(fù)合使用時，不能在較長時間內(nèi)抑制細菌的生長，但對真菌的抑制作用良好。

2.3 殺菌機制探討

通過對水基切削液中的微生物進行蘇木精-伊紅染色（HE染色）和革蘭氏染色與分離培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)水基切削液中主要含有肺炎球菌、金黃色葡萄糖球菌、大腸埃希氏菌等細菌以及曲霉、酵母等真菌，說明水基切削液中存在細菌和真菌構(gòu)成了共生體系。在殺菌劑對切削液抗菌性能影響的試驗研究中發(fā)現(xiàn)，不同類型的殺菌劑，其抗菌特性也不盡相同，這可能與殺菌劑自身的化學結(jié)構(gòu)有著一定的關(guān)系。為進一步研究殺菌劑的抗菌特性，采用OLYMPUS BX51型顯微鏡觀察了切削液中微生物的狀態(tài)。

圖19為未經(jīng)殺菌劑處理的水基切削液中微生物的顯微鏡照片，圖20～圖25所示分別為經(jīng)過硼酸銨A、三嗪類B、低毒酚C以及硼酸銨A和三嗪類B、三嗪類B和低毒酚C、硼酸銨A和低毒酚C處理后的切削液中微生物的顯微鏡照片。

圖19 未經(jīng)殺菌劑處理的微生物顯微鏡照片（×400）Fig.19 The microscope photos of microorganism untreated by bactericide（×400）

圖20 經(jīng)硼酸銨A（5%）處理后的微生物顯微鏡照片（×400）Fig.20 The microscope photos of microorganism treated by amine borate A（5%）（×400）

圖21 經(jīng)三嗪類B（2%）處理后的微生物顯微鏡照片（×400）Fig.21 The microscope photos of microorganism treated by triazine B（2%）（×400）

圖22 經(jīng)低毒酚C（2%）處理后的微生物顯微鏡照片（×400）Fig.22 The microscope photos of microorganism treated by low-toxic phenol C（2%）（×400）

圖23 經(jīng)硼酸銨A（3%）與三嗪類B（1%）處理后的微生物顯微鏡照片（×400）Fig.23 The microscope photos of microorganism treated by amine borate A（3%）and triazine B（1%)compound（×400）

圖24 經(jīng)三嗪類B（2%）與低毒酚C（1%）處理后的微生物顯微鏡照片（×400）Fig.24 The microscope photos of microorganism treated by triazine B（2%）and low-toxic phenol C（1%）compound（×400）

圖25 經(jīng)硼酸銨A（5%）與低毒酚C（1%）處理后的微生物顯微鏡照片（×400）Fig.25 The microscope photos of microorganism treated by amine borate A（5%）and low-toxic phenol C（1%）compound（×400）

比較圖19～25可以發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)過和經(jīng)過不同殺菌劑處理后的微生物死亡數(shù)量是不同的。其中，圖20顯示，經(jīng)過硼酸銨A處理的微生物依然有一些存活，表明硼酸銨A殺菌性不強，同時說明A起效較慢。由圖21和圖22可見，分別經(jīng)過三嗪類B和低毒酚C處理后的微生物存活數(shù)量少于硼酸銨A，說明兩者的殺菌性較硼酸銨A強。從圖23、圖24和圖25中不難看出，經(jīng)過復(fù)合殺菌劑處理后的微生物存活數(shù)量均減少，且大部分死亡。其中，經(jīng)過硼酸銨A和低毒酚C處理后的微生物死亡速度較慢，有一部分微生物細胞處于溶脹狀態(tài)，還沒有完全死亡。雖然硼酸銨A和低毒酚C復(fù)合時起效不是很快，但是在切削液中具有較持久的抑制微生物的作用，對于實際應(yīng)用具有重要的意義。

由上述試驗可以得出，不同殺菌劑對微生物的抑制作用有所不同，這可能與其自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。其中，硼酸銨A中含有的硼是缺電子元素，可以接受外界電子[7]，因此能夠吸附到帶有負電荷的細胞表面，改變細胞壁的滲透性，使菌體破裂[8]。三嗪類B屬于甲醛縮合類化合物，所釋放出的甲醛具有還原作用，易與細胞中蛋白質(zhì)的氨基結(jié)合而使蛋白質(zhì)變性，破壞菌體的細胞質(zhì)[9]，導(dǎo)致細胞死亡。而低毒酚C可以吸附在微生物細胞壁上，然后擴散到細胞結(jié)構(gòu)中，在細胞內(nèi)生成膠態(tài)溶液，使蛋白質(zhì)沉淀，從而破壞蛋白質(zhì)使得細胞死亡[10]。

水基切削液中細菌和真菌的生長受到抑制，除與殺菌劑自身性質(zhì)密切相關(guān)外，還與它們生長在同一個體系中而發(fā)生生存競爭有關(guān)。當其中一種數(shù)量較少時，會促使另一種獲到優(yōu)勢生長而大量繁殖。因此，單獨使用硼酸銨A和三嗪類B時，切削液中的真菌可能因細菌生長受到較大抑制而過度繁殖，而單獨使用低毒酚C時，切削液中的細菌卻因真菌受到抑制而大量繁殖。然而，當具有不同抑菌譜的殺菌劑復(fù)合時，可能對細菌和真菌同時起到抑制作用，因此都不能占到生長優(yōu)勢，這時它們將在較低數(shù)量水平上達到平衡。但若其中一種殺菌劑對細菌的抑制作用降低或者完全失效，那么真菌又會得到優(yōu)勢生長的機會而過度繁殖。反之，細菌則大量繁殖。在三嗪類B與低毒酚C的復(fù)合試驗前期，細菌和真菌同時受到抑制，數(shù)量都很少，隨著三嗪類B逐漸分解失效，細菌數(shù)量大增，真菌的生長將繼續(xù)受到抑制。同理，硼酸銨A和三嗪類B復(fù)合時對細菌的抑制作用較好，這便會促進真菌的過度繁殖。

在硼酸銨A與低毒酚C復(fù)合時，由于這兩種具有不同抗菌特性的殺菌劑可以對細菌和真菌同時起到抑制作用，而且兩種殺菌劑的持效性較好，因此細菌和真菌均不能在短期內(nèi)獲得優(yōu)勢生長，也就不會大量繁殖。

3 結(jié)論

（1）試驗表明，不同類型和不同濃度的殺菌劑對細菌和真菌的抑制效果不同。其中，硼酸銨A濃度為5%時即能具有較好的抗細菌性能，但抗真菌性能不理想。三嗪類B的抗細菌性優(yōu)于抗真菌性。而低毒酚C的抗真菌性能明顯優(yōu)于抗細菌性能。

（2）三種殺菌劑復(fù)合時水基切削液的抗菌性能有不同程度的提高。硼酸銨A和三嗪類B復(fù)合時抗細菌性能明顯提高，但對真菌的抑制作用不理想；三嗪類B和低毒酚C復(fù)合時不能在較長時間內(nèi)同時對細菌和真菌同時起到抑制作用；5%硼酸銨A和1%低毒酚C復(fù)合時可以在較長時間內(nèi)抑制細菌和真菌的生長，明顯延長了切削液的使用壽命。

（3）水基切削液中細菌和真菌的生長受到抑制，除了與殺菌劑自身的化學性質(zhì)有關(guān)外，還與切削液體系中細菌和真菌構(gòu)成的共生體系有關(guān)，當其中一種大量繁殖時便會影響到另一種的生長。若切削液中含有不同抑菌譜的殺菌劑，就可能同時對細菌和真菌起到抑制作用，兩者將在低數(shù)量水平上達到均衡。

［1］ 張英華．抗菌性水溶性切削液［J］．潤滑油，1994（2）：1～8．

［2］ LESLIE R．RUDNICK．潤滑劑添加劑化學與應(yīng)用［M］．李華峰，李春風，趙立濤，等譯．北京：中國石化出版社，2006：254～255．

［3］ 傅樹琴．MAAC2乳化切削油的研究（一）［J］．石油商技，1996，（3）：2～8．

［4］ 王芳，李響，趙小學，等．水基金屬切削液的失效及其再生設(shè)備設(shè)計［J］．濟源職業(yè)技術(shù)學院學報，2009，8（2）：49～53．

［5］ 滑春雨．乳化液廢水處理應(yīng)用實例［J］．露天采礦技術(shù)，2006（4）：41～44．

［6］ 張建榮．抗菌劑提高水基金屬加工液壽命的研究［J］．制造技術(shù)與機床，2001（9）：17～20．

［7］ 方建華，陳波水，董凌，等．含硼、氮改性菜籽油潤滑添加劑的摩擦學性能［J］．石油學報（石油加工），2005，21（5）：91～95．

［8］ 黃金營，魏慧芳，杜清珍，等．硫酸鹽還原菌殺菌劑的合成及機理探討［J］．石油化工腐蝕與防護，2004，21（1）：6～8．

［9］ 申前鋒，張美云，劉鎏．抗菌技術(shù)及其在造紙行業(yè)中的應(yīng)用［J］．西南造紙，2006，35（2）：32～34．

［10］ CLOETE T E．Resistance mechanism of bacteria to antimicrobial compounds［J］．International Biodeteriotion&Biodegradation，2003（51）：277～282．

Research on the Effects of Compound Bactericides on Anti-microbial Performance of Water-based Cutting Fluid

LI Guang-yu1,LI Chun-hui1,ZHANG Mang-mang1and ZHUANG Yuan2
（1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Shenyang Lusan Lubrication Technology Co.,Ltd.,Shenyang 110015,China）

According to ASTM D3946-92,the air breather which could simulate the user's scene was set up in laboratory in order to investigate the effect of anti-microbial performance of amine borate A,triazine B and low-toxic phenol C and theirs composition on the water-based cutting fluid. The results showed that it was difficult for a single bactericide to suppress bacteria and fungi,while the composite bactericides could suppress both bacteria and fungi.When 5%amine borate A and 1%low-toxic phenol C were combined,the anti-fungal and anti-bacterial performances of cutting fluid were excellent and its working life could be prolonged obviously.

Water-based cutting fluid;bactericide;anti-microbial performance;action mechanisms of bactericide

R 978.5

A

1001-0017（2015）02-0085-07

2014-12-03 *基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃973項目（編號：2007CB210305）

李廣宇(1971-)，男，吉林吉林人，博士，副教授，主要從事潤滑劑及相關(guān)精細化學品的研究。E-mail:lgych@163.com