載銀凹凸棒土有機(jī)雜化膜的制備及其抑菌性能研究

劉慧楠 童霏 謝瑜 鄒宇洲 貢潔

摘? ? 要：以凹凸棒土為原料，對(duì)其內(nèi)在結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)分析。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將其與PVDF粉末、DMF混合，制成凹凸棒土膜，在此基礎(chǔ)上負(fù)載Ag+研制出新型的抑菌材料——載銀凹凸棒土有機(jī)雜化膜。采用XRD、SEM等分析方法對(duì)沒(méi)有摻入凹凸棒土的有機(jī)膜、加入了凹凸棒土的有機(jī)膜以及負(fù)載了銀離子改性后的凹凸棒土膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。同時(shí)，將原始的凹凸棒土經(jīng)過(guò)酸化和氨化改性后作為原料，制成載銀有機(jī)雜化膜，進(jìn)一步考察了凹凸棒土添加量及載銀條件對(duì)抑菌性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：在相對(duì)濃度較低的硝酸銀溶液負(fù)載銀離子的凹凸棒土膜中，其負(fù)載時(shí)間越長(zhǎng)，抑菌效果越好，變動(dòng)比率為194 CFU/h。

關(guān)鍵詞：凹凸棒土; 載銀;抑菌; 雜化膜

中圖分類號(hào)：TQ207? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-7394（2019）06-0050-09

凹凸棒土是一種含水富鎂鋁硅酸鹽粘土礦物，具有介于鏈狀結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)之間的層鏈狀結(jié)構(gòu)，具有分散、耐高溫、抗鹽堿等良好的膠體性質(zhì)和較高的吸附脫色能力。凹凸棒石呈土狀、質(zhì)地致密，產(chǎn)于沉積巖和風(fēng)化殼中，顏色呈白色、灰白色、青灰色、灰綠色或弱絲絹光澤，土質(zhì)細(xì)膩，有油脂滑感，質(zhì)輕、性脆，斷口呈貝殼狀或參差狀，吸水性強(qiáng)。濕時(shí)具粘性和可塑性，干燥后收縮小，不大顯裂紋，水浸泡崩散。懸浮液遇電介質(zhì)不絮凝沉淀[1]。

基于天然一維納米結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)使得由其合成的高分子復(fù)合材料，有著廣闊的發(fā)展前景，廣泛應(yīng)用在塑料[2-5]、顏料[6]、皮膚治療[7]、納米材料制備[8]等領(lǐng)域。改性改善和提高凹凸棒土的性能，是凹凸棒土的重點(diǎn)研究方向。目前，較常用的改性凹凸棒土的方法主要有無(wú)機(jī)改性和有機(jī)改性兩種[2]。無(wú)機(jī)改性主要包括高溫活化和酸活化。

凹凸棒土經(jīng)酸浸泡后，內(nèi)部四面體與八面體結(jié)構(gòu)部分溶解，未溶解八面體結(jié)構(gòu)的支撐作用，增加了孔數(shù)目和比表面積。這是因?yàn)榘纪拱敉恋目椎乐谐：刑妓猁}等雜質(zhì)，酸可以與碳酸鹽反應(yīng)除去雜質(zhì)使孔道疏通。另外，半徑較小的氫離子可以置換出具有陽(yáng)離子可交換性的層間部分和等離子，從而增大孔容積。一般來(lái)說(shuō)，隨著酸含量的增加、改性時(shí)間的增長(zhǎng)，酸改性凹凸棒土比表面積會(huì)增大，但是如果酸濃度過(guò)大，近乎完全溶解了凹凸棒土中八面體陽(yáng)離子時(shí)，失去支撐的四面體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生塌陷，反而引起比表面積下降[9]。這可能是因?yàn)闈舛冗^(guò)高的酸使雜質(zhì)封閉了凹凸棒土內(nèi)部新產(chǎn)生的孔隙，導(dǎo)致比表面積減小。對(duì)于酸處理時(shí)間來(lái)說(shuō)，四面體—八面體—四面體結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)樗崽幚頃r(shí)間過(guò)長(zhǎng)坍塌[10]。

近年來(lái)，常將凹凸棒土改性后作為復(fù)合材料。通過(guò)機(jī)械作用將無(wú)機(jī)物作為填料分散進(jìn)高分子基體，便可得到有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合高分子材

料[11-13]。這種傳統(tǒng)方法所得復(fù)合材料中，無(wú)機(jī)物僅僅是作為填料而混合于高分子基體之中，所得復(fù)合材料的加工性能低、綜合性能的改善不明顯、產(chǎn)品重量大增，限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用[14]。因此，低無(wú)機(jī)物含量的高性能有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合高分子材料的研制具有重要意義。本文擬將凹凸棒土作為客體材料，添加到聚偏氟乙烯有機(jī)膜（PVDF）的制備中，并將其載銀后用于抗菌，進(jìn)一步考察凹凸棒土添加量、載銀條件等因素對(duì)抑菌膜性能的影響。

1? ? 試驗(yàn)部分

1.1? 載銀凹凸棒土有機(jī)雜化膜的制備

探究凹凸棒土的抑菌特性，需要將凹凸棒土摻入有機(jī)膜的制備過(guò)程，從而制成凹凸棒土有機(jī)雜化膜。具體做法是：將凹凸棒土進(jìn)行改性預(yù)處理（酸化就是將凹凸棒土在稀硝酸中浸泡2～3 h），并和PVDF粉末在干燥箱內(nèi)70 ℃干燥;試驗(yàn)時(shí)將0.1 g的PVDF粉末（聚偏氟乙烯）、8 g的DMF（N，N-二甲基甲酰胺）、一定量的凹凸棒土和一定量的蒸餾水按比例混合，磁力攪拌機(jī)混合均勻至糊狀倒在玻璃板上，用玻璃棒搟成膜狀，采用50 ℃水浴法即可制出凹凸棒土膜。因?yàn)閱渭兊陌纪拱敉聊さ囊志Ч睿砸谀さ谋砻尕?fù)載上進(jìn)行改性，提升其抑菌效果。制備方法如圖1所示。

1.2? 抑菌試驗(yàn)

配置的LB培養(yǎng)基和MD介質(zhì)配方分別如表1、表2所示。

試驗(yàn)前將LB培養(yǎng)基、MD介質(zhì)、移液針頭、離心管、涂布棒進(jìn)行滅菌。采用高壓蒸汽滅菌法，在高壓滅菌鍋中于121℃滅菌。倒培養(yǎng)基之前，先將塑料培養(yǎng)皿放入潔凈工作臺(tái)，殺菌30 min;置入培養(yǎng)基后，放到恒溫培養(yǎng)箱中，37 ℃恒溫培養(yǎng)12 h。

將1 ml的E.coLi（大腸桿菌）菌液在無(wú)菌環(huán)境下用移液槍移到100 ml的MD介質(zhì)中，稱取0.1 g的載銀凹凸棒土有機(jī)雜化膜材料加入移過(guò)的溶液中，在搖床上搖蕩一定時(shí)間。梯度稀釋過(guò)程中，移取900 μl的MD介質(zhì)置于10^6梯度的離心管中，并從上述搖床后的溶液中移取100 μl溶液置于該離心管中，反復(fù)抽吸;混合均勻后，移取100 μl于10^5梯度的離心管中，再加入900 μl的MD介質(zhì)，反復(fù)抽吸;混合均勻后重復(fù)上述操作，直至稀釋4個(gè)梯度。

將各個(gè)梯度的溶液在LB固體培養(yǎng)基進(jìn)行涂板后，放入培養(yǎng)箱培養(yǎng)12 h。培養(yǎng)完成后，數(shù)出大腸桿菌菌落個(gè)數(shù)。流程圖如圖2。

2? ? 結(jié)果與討論

2.1? 探究影響載銀凹凸棒土有機(jī)雜化膜抑菌效果的因素

載銀后，凹凸棒土有機(jī)雜化膜的抑菌效果受到各種因素的影響。本試驗(yàn)研究凹凸棒土的處理方式、載銀時(shí)間及抑菌搖床時(shí)間對(duì)抑菌效果的影響。由此，在抑菌試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將上述三個(gè)因素加以考慮，修改試驗(yàn)方法，控制變量，并探索出最佳的凹凸棒土處理方式。

2.1.1 凹凸棒土的處理方式對(duì)抑菌效果的影響

試驗(yàn)中，將原始的凹凸棒土分別在稀硝酸和稀氨水中浸泡3 h使其改性，抽濾干燥成粉末后制成膜并進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)束試驗(yàn)后，數(shù)出在無(wú)處理、酸化、氨化等不同條件下的菌落數(shù)并指數(shù)化。菌落圖和試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3和表3所示。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，由酸化或者氨化后的凹凸棒土所制成的膜的抑菌效果比無(wú)處理的凹凸棒土制成的膜的抑菌效果更好，抑菌效果比較的結(jié)果由高到低是：酸化>氨化>無(wú)處理。另外，無(wú)論是酸化、氨化或者無(wú)處理的凹凸棒土所制成的膜，抑菌效果隨著濃度梯度的減少而減小。相對(duì)濃度較低的酸化和氨化改性并不會(huì)使凹凸棒土的晶體結(jié)構(gòu)遭到破壞，可通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間浸泡實(shí)現(xiàn)其改性的目的。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)酸化或者氨化改性后的凹凸棒土較無(wú)處理的凹凸棒土的比表面積更大。借助超聲波手段，可大大提高其改性效果。如果酸的濃度較高，可能會(huì)破環(huán)凹凸棒土的晶體結(jié)構(gòu)，凹凸棒土中八面體陽(yáng)離子近乎于完全溶解時(shí)，四面體結(jié)構(gòu)失去支撐引起結(jié)構(gòu)塌陷，比表面積就會(huì)大大下降，具體的濃度峰值與浸泡時(shí)間有關(guān)。

2.1.2 載銀時(shí)間對(duì)抑菌效果的影響

在上述試驗(yàn)中，可以得出酸化改性后的凹凸棒土的抑菌效果最優(yōu)，所以選用酸化凹凸棒土來(lái)制備有機(jī)雜化膜。改變其載銀時(shí)間，分別為0.5 h、1 h、2 h和3 h，控制其他變量進(jìn)行抑菌試驗(yàn)，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4和圖4所示。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，載銀時(shí)間和抑菌效果成正比，即載銀時(shí)間越長(zhǎng)，抑菌效果越佳。但抑菌的效率隨著載銀時(shí)間的加長(zhǎng)而不斷降低，存在一個(gè)最高的抑菌效率點(diǎn)。在實(shí)際的運(yùn)用中，應(yīng)找到這個(gè)效率最高的點(diǎn)，避免盲目追求抑菌性能而導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本增加。

2.1.3搖床培養(yǎng)時(shí)間對(duì)抑菌效果的影響

在探究膜搖床培養(yǎng)時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)抑菌效果的影響時(shí)，本試驗(yàn)采用了酸化后的凹凸棒土，制成膜后載銀0.5 h來(lái)完成，目的是為了防止載銀時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致抑菌效果太強(qiáng)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)沒(méi)有對(duì)比性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5和圖5所示。

從結(jié)果可以看出，隨著搖床培養(yǎng)時(shí)間的增加，菌落個(gè)數(shù)的對(duì)數(shù)值急劇減少，成反比關(guān)系。變化速率多次測(cè)量取平均值為18 CFU/min，所以菌落變化與搖床培養(yǎng)時(shí)間呈一定的線性關(guān)系，即成比率變化。由圖6抑菌試驗(yàn)前后對(duì)比圖可見(jiàn)，經(jīng)搖床培養(yǎng)5 min后，菌落數(shù)幾乎降至0，說(shuō)明在酸化處理?xiàng)l件下，載銀凹凸棒土有機(jī)雜化膜具有很好的抗菌性能。

2.2? 改性凹凸棒土的結(jié)構(gòu)

圖7為加入凹凸棒土前后的XRD圖譜，光膜為未添加凹凸棒土的PVDF膜，原始膜為添加量凹凸棒土的有機(jī)膜。從圖中可以看出，在2θ為25.1°、44.1°、44.0°時(shí)有明顯的特征峰，分別對(duì)應(yīng)凹凸棒土的（110）、（203）以及（402）晶面。說(shuō)明所得產(chǎn)物中含有凹凸棒土，試驗(yàn)成功地制備出了凹凸棒土有機(jī)雜化膜。

圖8為未添加凹凸棒土及無(wú)處理、酸化、氨化三種方式改性后的載銀凹凸棒土有機(jī)雜化膜的SEM圖。由圖8可見(jiàn)，負(fù)載的銀離子量隨時(shí)間的加長(zhǎng)而變多，但酸化處理后的負(fù)載的銀離子最多，這與抑菌試驗(yàn)的結(jié)果相一致。另外，氨化處理后的膜表面疏松多孔，結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重，在抑菌實(shí)驗(yàn)中，膜很容易破碎成渣。由此可知，酸化處理凹凸棒土為最佳的改性方案。

3? ? 結(jié)論

以水浴法作為制備凹凸棒土抑菌材料的合成方法。首先，以PVDF粉末、DMF為原材料，通過(guò)摻入凹凸棒土制備出凹凸棒土有機(jī)雜化膜;然后，以凹凸棒土膜為載體，負(fù)載銀離子，制備出載銀凹凸棒土有機(jī)雜化膜。借助SEM、XRD等手段對(duì)材料的組成以及形貌進(jìn)行了表征。以大腸桿菌為試驗(yàn)對(duì)象，考察了其抑菌性能隨凹凸棒土不同的改性方式和應(yīng)用手段的變化，結(jié)論如下。

（1）水浴法可以成功地將凹凸棒土摻入PVDF膜的制備過(guò)程，并制備出新型膜材料凹凸棒土雜化膜。

（2）酸化改性后的凹凸棒土性能得到大大提升，這主要得益于酸改變了凹凸棒土的結(jié)構(gòu)，使比表面積增加。

（3）凹凸棒土膜的抑菌效果隨著載銀時(shí)間的增加而增強(qiáng)，但效率會(huì)逐漸下降。另外，不斷延長(zhǎng)菌液與載銀材料的混合搖床時(shí)間，能有效殺滅細(xì)菌，理論上能完全殺滅。

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