聚苯乙烯微球負(fù)載銀的性能研究

侯宇夢(mèng) 楊宏珊 龔? 李昕 杜蘅 郭晟材 李家琛

摘 要：以苯乙烯（St）為單體，碳酸氫鈉（NaHCO3）作離子調(diào)節(jié)劑，過(guò)硫酸銨（（NH4）2S2O8，APS）作引發(fā)劑，采用無(wú)皂乳液聚合法，制備粒徑均勻的聚苯乙烯（PS）微球，在聚合反應(yīng)進(jìn)行5h時(shí)加入硝酸銀（AgNO3）與氨水，得到聚苯乙烯復(fù)合銀納米微球。利用X-射線衍射（XRD）、X-射線光電子能譜（XPS）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、拉曼（Raman）等表征手段對(duì)樣品進(jìn)行了研究與分析，并且對(duì)不同銀投加量的微球進(jìn)行了抗菌性能探究。結(jié)果表明：聚苯乙烯微球是以六方堆積整齊排列結(jié)構(gòu)，XRD和XPS結(jié)果表明銀成功負(fù)載到了微球上，通過(guò)SEM與TEM的共同表征發(fā)現(xiàn)，聚苯乙烯的內(nèi)部和表面都存在銀納米顆粒，同時(shí)銀的負(fù)載也可以增強(qiáng)微球的拉曼信號(hào)，并賦予微球一定的抗菌性能。本研究可為納米銀及聚苯乙烯微球應(yīng)用領(lǐng)域的拓展提供一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：聚苯乙烯微球;納米銀;光子晶體

中圖分類號(hào)：TQ325.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）08-0001-06

Study on Properties of Polystyrene Microspheres Loaded with Silver

Hou Yumeng1， Yang Hongshan2， Gong Yan1， Li Xin1， Du Heng1， Guo Shengcai1， Li Jiachen1

（1.School of Materials Science and Engineering， Beijing Institute of Fashion Technology， Beijing Key Laboratory of Clothing Material Research， Development and Evaluation，? Beijing 100029， China ;2.China Textile Information Center， China Textile Joint inspection （Beijing） Technical Service Co.， Ltd.， Beijing 100025， China）

Abstract：Styrene （St） as monomer， sodium bicarbonate （NaHCO3） as ionic regulator， ammonium persulfate （（NH4） 2S2O8， APS） as initiator， soap free emulsion polymerization method was used to prepare uniform diameter polystyrene （PS） microspheres. When the polymerization reaction was carried out 5h， silver nitrate （AgNO3） and ammonia water were added to obtain polystyrene composite silver nanoparticles. Using X-ray diffraction （XRD）， X-ray photoelectron spectroscopy （XPS）， scanning electron microscope （SEM）， transmission electron microscope （TEM）， Raman （Raman） and other characterization methods to study and analyze the samples， and the antibacterial properties of the microspheres with different silver dosage were investigated. The results show that the polystyrene microspheres are arranged in a neatly packed hexagonal structure. XRD and XPS results show that the silver is successfully loaded on t he microspheres. Through the joint characterization of SEM and TEM， it is found that there are silver nanoparticles inside and on the surface of the polystyrene. At the same time， the silver loading can enhance the Raman signal of the microspheres and give the microspheres certain antibacterial properties. This study can provide a certain experimental basis for the expansion of the application fields of nano silver and polystyrene microspheres.

Key words：polystyrene microspheres; nano silver; photonic crystal

0 前言

近年來(lái)，功能性納米材料的探究及應(yīng)用受到了科研人員越來(lái)越多的關(guān)注。納米銀因其良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及表面等離子體的光學(xué)性質(zhì)等[1]，備受研發(fā)人員的青睞。但是，納米銀的應(yīng)用還要克服其易團(tuán)聚、易氧化的缺點(diǎn)，常見(jiàn)的解決辦法是尋找基材進(jìn)行負(fù)載[2]。聚苯乙烯作為一種應(yīng)用十分廣泛的聚合物材料，且其表面易功能化、具有較高的穩(wěn)定性，在粘膠、化纖、納米技術(shù)等領(lǐng)域也都有著非常成熟的研發(fā)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。以聚苯乙烯微球?yàn)榛?，摻雜納米銀，不僅可以拓展聚合物微球在抗菌、光學(xué)領(lǐng)域等的應(yīng)用，也可以彌補(bǔ)納米銀易團(tuán)聚、易氧化的缺點(diǎn)。王榮等[3]人對(duì)富含磺酸根的磺化聚苯乙烯微球成功負(fù)載了銀納米粒子，并發(fā)現(xiàn)該復(fù)合微球?qū)Υ呋D(zhuǎn)化甲基藍(lán)具有較高的活性且可以重復(fù)利用。

以苯乙烯為聚合單體，配備丙烯酸等“類”乳化劑參與共聚，一方面確實(shí)可以增加功能性基團(tuán)，便于后續(xù)應(yīng)用接枝及加工等;另一方面，卻增加了操作流程及條件探索的工作量。Zhang等[4]人提出，制備聚苯乙烯微球時(shí)引入丙烯酸，由于聚丙烯酸比聚苯乙烯更親水，當(dāng)丙烯酸增多時(shí)，會(huì)在微球表面產(chǎn)生聚丙烯酸的“半球體”乃至“球體”，使微球表面不光滑。因此，文章采用無(wú)皂乳液聚合法，以苯乙烯為單體，利用引發(fā)劑的離子效應(yīng)維持乳液中微球的穩(wěn)定性，利用氨水中的羥基將銀離子還原成納米銀，制備了PS/Ag復(fù)合微球，并對(duì)其進(jìn)行了表征探究。聚苯乙烯在常用紡絲材料PVA中具有很好的分散效果，再結(jié)合其良好的光學(xué)性能，文章的探究也將為新型纖維的制備提供新的思路。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

苯乙烯、碳酸氫鈉均購(gòu)自北京化工廠，過(guò)硫酸銨（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、硝酸銀（99.9%）、氨水等試劑均為分析純;實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水（電導(dǎo)率> 18 MΩ·cm，實(shí)驗(yàn)室自制）。

實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備與儀器：HC1204型電子分析天平（上海花潮實(shí)業(yè)）、AXTG16G型高速離心機(jī)（上海浦得離心機(jī)械）、DZF-6020型真空干燥箱（中儀國(guó)科（北京）科技）、X-射線衍射（D8 DISCOVER BRUKER）、X-射線光電子能譜（Sigma Probe 英國(guó)Thermo VG）、JSM-7500型掃描電子顯微鏡（日本JEOL公司）、JSM-2100型透射電子顯微鏡（日本JEOL公司）、拉曼顯微鏡聯(lián)用光譜儀（Dolorplus RAMAN MICROSCOPE? HORIBA）。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

聚苯乙烯（PS）微球采用無(wú)皂乳液法合成[5]。將80mL去離子水和0.05g離子調(diào)節(jié)劑NaHCO3加入到三口燒瓶中，攪拌下通氮20min，加入1mL苯乙烯St單體，并升溫至72℃，穩(wěn)定后加入0.1g引發(fā)劑（NH4）2S2O8，升溫至聚合溫度82℃，反應(yīng)至5h時(shí)加入一定量硝酸銀和20mL氨水，至8h時(shí)結(jié)束反應(yīng)。最后將所得PS/Ag懸浮液用去離子水離心清洗4次，將產(chǎn)物放置于干燥箱中70℃真空干燥12h，研磨，備用。本實(shí)驗(yàn)配制了兩個(gè)銀含量的PS/Ag復(fù)合微球，分別記作A，B，其對(duì)應(yīng)的Ag∶St物質(zhì)的量比分別是0.4和和0.2。如表1所示。

利用垂直沉積法，將ITO玻璃垂直放入含有2mg/mL的微球懸浮液中，置于恒溫恒濕烘箱中5d，即可得到組裝到ITO玻璃上的光子晶體，留存、備用、測(cè)試。

1.3 微球的表征

1.3.1 X-射線衍射分析

利用日本理學(xué)公司Ultima Ⅳ 型 X射線衍射儀對(duì)微球的物相及結(jié)晶度進(jìn)行檢測(cè)，掃描范圍為20°～90°。

1.3.2 X-射線光電子能譜分析

把待測(cè)樣品壓成2mm×2mm的正方形薄片，把待測(cè)樣品固定在支架上，利用X射線光電子能譜（XPS，英國(guó)ThermoVG）進(jìn)行研究，然后將樣品快速放入空氣負(fù)載鎖定室，不受空氣影響，并在真空下過(guò)一夜。最后，將樣品轉(zhuǎn)移到樣品分析室進(jìn)行XPS分析[6]。

1.3.3 電鏡分析

用移液槍取1mg/mL的微球水分散液1mL，滴在銅網(wǎng)上，在烤燈下干燥后，將銅網(wǎng)放置于透射電子顯微鏡中，觀察微球形貌。

用移液槍取2mg/mL的微球水分散液1mL，滴在硅片上，自然干燥后，將硅片貼到樣品臺(tái)上，噴金，進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察。

1.3.4 拉曼光譜分析

取一定量分散液于載玻片上，置于顯微拉曼光譜聯(lián)用儀器中進(jìn)行測(cè)定，先由顯微鏡尋找合適的點(diǎn)，然后以激發(fā)波長(zhǎng)為785nm，激發(fā)功率為25%，×100-VIS-DF，積分時(shí)間為30s，積分次數(shù)1次的條件進(jìn)行測(cè)定。

1.3.5 抗菌性能分析

因樣品為粉末狀，不適宜采用濾紙片法，因此參考《消毒技術(shù)規(guī)范》2002版第2.1.8.2節(jié)——抑菌環(huán)試驗(yàn)，采用打孔法測(cè)試，具體操作如下：

（1）含菌平板制備：取1mL菌懸液于滅菌平皿內(nèi)，加入15mL溫度為46℃±2℃的滅菌固體培養(yǎng)基并混勻，使菌種均勻分散于培養(yǎng)基中，靜置待其凝固。

（2）打孔：待含菌培養(yǎng)基凝固后使用打孔器對(duì)培養(yǎng)基打孔（取出孔內(nèi)培養(yǎng)基），孔洞貫穿培養(yǎng)基，各孔中心間相距25mm以上，與平板的周緣相距15mm以上。

（3）樣品填充：使用小勺小心地將樣品注入孔洞內(nèi)，輕壓樣品使其堆實(shí)，保證同一平皿內(nèi)所有樣品表面與培養(yǎng)基表面持平。以指定樣品為對(duì)照，且對(duì)照與試驗(yàn)樣在同一平皿。

（4）培養(yǎng)測(cè)量：樣品填充完畢，蓋好平皿，置37℃溫箱，培養(yǎng)24h觀察結(jié)果。用游標(biāo)卡尺測(cè)量抑菌環(huán)的直徑（包括孔洞）并記錄，重復(fù)3次。

測(cè)量抑菌環(huán)時(shí)，應(yīng)選均勻而完全無(wú)菌生長(zhǎng)的抑菌環(huán)進(jìn)行。測(cè)量其直徑應(yīng)以抑菌環(huán)外沿為界。如圖1所示。

抑菌環(huán)寬度（H）的計(jì)算如式（1）所示：

H=（D-d）/ 2

其中：D為抑菌帶外徑的平均值（mm）;d為樣品的直徑（mm）。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

由圖2可知，在2θ為20.9°處是PS的非晶衍射峰，在38.1°、39.9°、44.3°、64.5°、77.7°處出現(xiàn)的特征峰恰與銀的晶體衍射峰相符合，對(duì)應(yīng)晶面分別為（111）、（200）、（220）、（311），這說(shuō)明納米Ag成功負(fù)載到了PS微球上，且衍射峰比較尖銳，反映了復(fù)合微球中的納米Ag的晶型較好。

2.2 XPS分析

圖3為PS/Ag復(fù)合微球的兩種銀投加量的XPS對(duì)比圖，具體配比參考表1。表2是銀投加量不同時(shí)PS/Ag復(fù)合微球表面的各原子組分含量百分值。由圖3（a）可知，PS/Ag復(fù)合微球的主要組成元素是C、O、Ag（其中H元素?zé)o法測(cè)得）。圖3（c）和（d）顯示，在銀投加量不同時(shí)C1s和O1s的峰位置基本無(wú)差異，即不同銀投加量不會(huì)影響微球的組分合成。圖3（e）和（f）顯示，微球中C和O的主要結(jié)合鍵是主要由三部分組成：284.685eV對(duì)應(yīng)的是C-C峰，285.087eV對(duì)應(yīng)的是C-O峰，291.606eV對(duì)應(yīng)的是Π->Π*躍遷的峰，即代表苯環(huán)上碳鏈的大Π鍵。圖3（b）顯示，銀投加量雖然不同的兩組樣品，峰位置基本上相同，只是銀投加量更多的A樣X(jué)PS光譜信號(hào)更強(qiáng)，峰值更高，即代表微球上銀含量也更多。Ag3d峰由兩部分組成：Ag3d3/2（375eV）峰和Ag3d5/2（369eV）峰，分別對(duì)應(yīng)Ag0和Ag+。兩者自旋軌道BE值間的差值為6eV，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)XPS譜圖可以發(fā)現(xiàn)，圖b與單質(zhì)銀的XPS譜圖相符合，表明制備所得PS/Ag復(fù)合微球中的Ag主要以單質(zhì)形式存在，（Ag+）的存在可能是因?yàn)樵螦gNO3未完全還原成單質(zhì)Ag，與溶液中的（OH-）結(jié)合產(chǎn)生AgOH或AgO。

2.3 電鏡分析

圖4（a）和（b）分別為PS和PS/Ag納米粒子的SEM圖，圖4（c）是PS/Ag復(fù)合微球的TEM圖。如下配比時(shí)，[NaHCO3]=0.05g，[H2O]=80mL，[St]=1mL，[APS]=0.1g，PS微球粒徑是230nm，PS/Ag復(fù)合微球粒徑是280nm，兩種微球都是粒徑均勻、表面光滑、球形規(guī)整的形貌，用垂直沉積法制得的光子晶體薄膜都是以六方堆積緊密排列。對(duì)比圖4（a）和（b）可以發(fā)現(xiàn)，在加銀后微球粒徑變大，且微球四周還存在許多尺寸在幾納米的小顆粒，并測(cè)得此時(shí)乳液pH為11，反應(yīng)體系中存在大量（OH-），以及親電部分（Ag+），因此聚苯乙烯在“生長(zhǎng)”的過(guò)程中，也存在（Ag+）與（OH-）的結(jié)合及電子轉(zhuǎn)移，發(fā)生銀還原反應(yīng)，初期還原產(chǎn)生的部分微小銀納米顆粒也被一同包裹在內(nèi)，且微球聚合完成后，納米銀粒子在微球周?chē)采⒉己芏唷?/p>

2.4 Raman分析

為進(jìn)一步證明Ag在PS微球上的負(fù)載情況，對(duì)PS和PS/Ag樣品均進(jìn)行了拉曼光譜5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。圖5為PS和PS/Ag的Raman光譜，以及顯微鏡下激光探測(cè)點(diǎn)的光學(xué)定位圖，由圖可見(jiàn)，樣品的Raman信息具有穩(wěn)定的高重復(fù)性，數(shù)據(jù)可靠。圖5（a）是PS微球的Raman光譜，996.5cm-1是由苯環(huán)呼吸振動(dòng)引起的，1020cm-1是苯環(huán)內(nèi)碳原子間對(duì)稱伸縮振動(dòng)引起的，1145cm-1是由苯環(huán)與碳鏈原子間伸縮振動(dòng)引起的，1199cm-1是苯環(huán)與碳原子間非對(duì)稱伸縮振動(dòng)引起的，1445cm-1是由碳?xì)湓娱g非對(duì)稱彎曲振動(dòng)引起的，1600cm-1處是由苯環(huán)內(nèi)碳原子間非對(duì)稱伸縮振動(dòng)引起的，綜合來(lái)看，都符合聚苯乙烯的Raman光譜的特征峰。圖5（b）是PS/Ag微球的Raman光譜，聚苯乙烯的特征峰也都存在，但Ag的加入，因?yàn)殂y的等離子體共振效應(yīng)，增強(qiáng)了微球的拉曼信號(hào)，峰強(qiáng)都遠(yuǎn)高于圖5（a）的PS微球Raman光譜，在低波處存在大片空白區(qū)域，這是熒光效果的影響，并且特征峰位置都向低波處發(fā)生了小幅度的偏移。

2.5 抗菌性能分析

文章以大腸桿菌（Escherichia coli）（ATCC 25922）及金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus，S. aureus）（ATCC 6538）為試驗(yàn)菌種，樣品標(biāo)記方式如圖6（其中，1號(hào)是A號(hào)樣，2號(hào)是B號(hào)樣），利用抑菌劑不斷溶解經(jīng)瓊脂擴(kuò)散形成不同濃度梯度，以顯示其抑菌作用。

試驗(yàn)通過(guò)抑菌環(huán)大小以判斷其是否具有抑菌能力。樣品不能被純凈水潤(rùn)濕，與培養(yǎng)基存在界面，阻礙抗菌成分向培養(yǎng)基擴(kuò)散，降低檢測(cè)準(zhǔn)確度，故本次試驗(yàn)首先用無(wú)菌T-80水溶液（T-80的濃度為0.1wt%）將粉體表面潤(rùn)濕（完全潤(rùn)濕至可以擠壓成型為止，必須保證用小勺按壓無(wú)液體析出），將潤(rùn)濕后的樣品填充到打好的小孔內(nèi)，填充高度剛好與培養(yǎng)基表面齊平。以無(wú)抗菌性能的二氧化硅粉為對(duì)照，按相同方式處理。具體數(shù)據(jù)如表3所示。

所有平皿中的對(duì)照組均未產(chǎn)生抑菌圈，試驗(yàn)有效。1、2號(hào)樣品對(duì)大腸桿菌（ATCC25922）的抑菌圈直徑分別為8.2mm和7.6mm，對(duì)金黃色葡萄球菌（ATCC6538）的抑菌圈直徑分別為9.1mm和8.2mm。1、2號(hào)樣品在培養(yǎng)基中不同程度出現(xiàn)了擴(kuò)散圈。公式（1）結(jié)合表2，計(jì)算可發(fā)現(xiàn)，1、2號(hào)樣品對(duì)大腸桿菌（ATCC25922）和金黃色葡萄球菌（ATCC6538）的抑菌圈直徑均大于7mm，判定為對(duì)大腸桿菌（ATCC25922）和金黃色葡萄球菌（ATCC6538）均具有抗菌性能。1號(hào)樣品比2號(hào)樣品抗菌性能稍好，1、2號(hào)樣品對(duì)金黃色葡萄球菌（ATCC6538）的抗菌性能比對(duì)大腸桿菌（ATCC25922）的抗菌性能好，即文章所得復(fù)合微球均具有抗菌性能，且隨著銀含量的增加，抗菌性能也會(huì)有所增強(qiáng)。Ag納米粒子的抗菌機(jī)理可以推測(cè)為兩種，①通過(guò)Ag納米粒子以靜電作用吸附于細(xì)胞壁上，增大細(xì)胞壁內(nèi)外的滲透壓，從而阻礙細(xì)胞膜的正?；顒?dòng)來(lái)達(dá)到殺菌、抑菌效果;②Ag納米粒子進(jìn)入細(xì)胞，與細(xì)胞內(nèi)的帶有負(fù)電荷的酶和蛋白結(jié)合，或與酶中的氧、硫等電子供體結(jié)合，致使酶鈍化或者失活，阻止細(xì)菌的正常代謝而達(dá)到殺菌效果[7]。

3 結(jié)論

文章通過(guò)無(wú)皂乳液聚合法，聚合反應(yīng)發(fā)生一段時(shí)間后加入硝酸銀（AgNO3）與氨水，可制備出粒徑均勻的PS/Ag復(fù)合微球，此方法在減少納米銀顆粒團(tuán)聚機(jī)會(huì)的同時(shí)也為PS微球增添了功能性應(yīng)用拓展。XRD和XPS結(jié)果都表明銀成功負(fù)載到了微球上，并且主要是以銀單質(zhì)形式存在。通過(guò)SEM與TEM的共同表征發(fā)現(xiàn)，聚苯乙烯的內(nèi)部和表面都存在銀納米顆粒，Raman光譜顯示銀的負(fù)載也可以增強(qiáng)微球的拉曼信號(hào)。此外，抗菌性能測(cè)試表明銀的加入賦予了微球一定的抗菌性能。本研究可為納米銀及聚苯乙烯微球應(yīng)用領(lǐng)域的拓展提供一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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