載銀凹凸棒土有機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，對其內在結構進行系統分析。根據其結構特點將其與PVDF粉末、DMF混合，制成凹凸棒土膜，在此基礎上負載Ag+研制出新型的抑菌材料——載銀凹凸棒土有機雜化膜。采用XRD、SEM等分析方法對沒有摻入凹凸棒土的有機膜、加入了凹凸棒土的有機膜以及負載了銀離子改性后的凹凸棒土膜的結構進行比較。同時，將原始的凹凸棒土經過酸化和氨化改性后作為原料，制成載銀有機雜化膜，進一步考察了凹凸棒土添加量及載銀條件對抑菌性能的影響。試驗結果表明：在相對濃度較低的硝酸銀溶液負載銀離子的凹凸棒土膜中，其負載時間越長，抑菌效果越好，變動比率為194 CFU/h。

關鍵詞：凹凸棒土; 載銀;抑菌; 雜化膜

中圖分類號：TQ207? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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，具有介于鏈狀結構和層狀結構之間的層鏈狀結構，具有分散、耐高溫、抗鹽堿等良好的膠體性質和較高的吸附脫色能力。凹凸棒石呈土狀、質地致密，產于沉積巖和風化殼中，顏色呈白色、灰白色、青灰色、灰綠色或弱絲絹光澤，土質細膩，有油脂滑感，質輕、性脆，斷口呈貝殼狀或參差狀，吸水性強。濕時具粘性和可塑性，干燥后收縮小，不大顯裂紋，水浸泡崩散。懸浮液遇電介質不絮凝沉淀[1]。

基于天然一維納米結構的特點使得由其合成的高分子復合材料，有著廣闊的發展前景，廣泛應用在塑料[2-5]、顏料[6]、皮膚治療[7]、納米材料制備[8]等領域。改性改善和提高凹凸棒土的性能，是凹凸棒土的重點研究方向。目前，較常用的改性凹凸棒土的方法主要有無機改性和有機改性兩種[2]。無機改性主要包括高溫活化和酸活化。

凹凸棒土經酸浸泡后，內部四面體與八面體結構部分溶解，未溶解八面體結構的支撐作用，增加了孔數目和比表面積。這是因為凹凸棒土的孔道中常含有碳酸鹽等雜質，酸可以與碳酸鹽反應除去雜質使孔道疏通。另外，半徑較小的氫離子可以置換出具有陽離子可交換性的層間部分和等離子，從而增大孔容積。一般來說，隨著酸含量的增加、改性時間的增長，酸改性凹凸棒土比表面積會增大，但是如果酸濃度過大，近乎完全溶解了凹凸棒土中八面體陽離子時，失去支撐的四面體結構會發生塌陷，反而引起比表面積下降[9]。這可能是因為濃度過高的酸使雜質封閉了凹凸棒土內部新產生的孔隙，導致比表面積減小。對于酸處理時間來說，四面體—八面體—四面體結構會因為酸處理時間過長坍塌[10]。

近年來，常將凹凸棒土改性后作為復合材料。通過機械作用將無機物作為填料分散進高分子基體，便可得到有機-無機復合高分子材

料[11-13]。這種傳統方法所得復合材料中，無機物僅僅是作為填料而混合于高分子基體之中，所得復合材料的加工性能低、綜合性能的改善不明顯、產品重量大增，限制了其在工業中的應用[14]。因此，低無機物含量的高性能有機-無機復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膜（PVDF）的制備中，并將其載銀后用于抗菌，進一步考察凹凸棒土添加量、載銀條件等因素對抑菌膜性能的影響。

1? ? 試驗部分

1.1? 載銀凹凸棒土有機雜化膜的制備

探究凹凸棒土的抑菌特性，需要將凹凸棒土摻入有機膜的制備過程，從而制成凹凸棒土有機雜化膜。具體做法是：將凹凸棒土進行改性預處理（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70 ℃干燥;試驗時將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。因為單純的凹凸棒土膜的抑菌效果差，所以要在膜的表面負載上進行改性，提升其抑菌效果。制備方法如圖1所示。

1.2? 抑菌試驗

配置的LB培養基和MD介質配方分別如表1、表2所示。

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

將1 ml的E.coLi（大腸桿菌）菌液在無菌環境下用移液槍移到100 ml的MD介質中，稱取0.1 g的載銀凹凸棒土有機雜化膜材料加入移過的溶液中，在搖床上搖蕩一定時間。梯度稀釋過程中，移取900 μl的MD介質置于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，反復抽吸;混合均勻后重復上述操作，直至稀釋4個梯度。

將各個梯度的溶液在LB固體培養基進行涂板后，放入培養箱培養12 h。培養完成后，數出大腸桿菌菌落個數。流程圖如圖2。

2? ? 結果與討論

2.1? 探究影響載銀凹凸棒土有機雜化膜抑菌效果的因素

載銀后，凹凸棒土有機雜化膜的抑菌效果受到各種因素的影響。本試驗研究凹凸棒土的處理方式、載銀時間及抑菌搖床時間對抑菌效果的影響。由此，在抑菌試驗的基礎上，將上述三個因素加以考慮，修改試驗方法，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抑菌效果的影響

試驗中，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行試驗。結束試驗后，數出在無處理、酸化、氨化等不同條件下的菌落數并指數化。菌落圖和試驗數據如圖3和表3所示。

從以上數據可以看出，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，抑菌效果比較的結果由高到低是：酸化>氨化>無處理。另外，無論是酸化、氨化或者無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。相對濃度較低的酸化和氨化改性并不會使凹凸棒土的晶體結構遭到破壞，可通過長時間浸泡實現其改性的目的。通過比較發現酸化或者氨化改性后的凹凸棒土較無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，可能會破環凹凸棒土的晶體結構，凹凸棒土中八面體陽離子近乎于完全溶解時，四面體結構失去支撐引起結構塌陷，比表面積就會大大下降，具體的濃度峰值與浸泡時間有關。

2.1.2 載銀時間對抑菌效果的影響

在上述試驗中，可以得出酸化改性后的凹凸棒土的抑菌效果最優，所以選用酸化凹凸棒土來制備有機雜化膜。改變其載銀時間，分別為0.5 h、1 h、2 h和3 h，控制其他變量進行抑菌試驗，得到試驗數據如表4和圖4所示。

從以上數據可以看出，載銀時間和抑菌效果成正比，即載銀時間越長，抑菌效果越佳。但抑菌的效率隨著載銀時間的加長而不斷降低，存在一個最高的抑菌效率點。在實際的運用中，應找到這個效率最高的點，避免盲目追求抑菌性能而導致運營成本增加。

2.1.3搖床培養時間對抑菌效果的影響

在探究膜搖床培養時間的長短對抑菌效果的影響時，本試驗采用了酸化后的凹凸棒土，制成膜后載銀0.5 h來完成，目的是為了防止載銀時間過長而導致抑菌效果太強，試驗數據沒有對比性。實驗數據如表5和圖5所示。

從結果可以看出，隨著搖床培養時間的增加，菌落個數的對數值急劇減少，成反比關系。變化速率多次測量取平均值為18 CFU/min，所以菌落變化與搖床培養時間呈一定的線性關系，即成比率變化。由圖6抑菌試驗前后對比圖可見，經搖床培養5 min后，菌落數幾乎降至0，說明在酸化處理條件下，載銀凹凸棒土有機雜化膜具有很好的抗菌性能。

2.2? 改性凹凸棒土的結構

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膜。從圖中可以看出，在2θ為25.1°、44.1°、44.0°時有明顯的特征峰，分別對應凹凸棒土的（110）、（203）以及（402）晶面。說明所得產物中含有凹凸棒土，試驗成功地制備出了凹凸棒土有機雜化膜。

圖8為未添加凹凸棒土及無處理、酸化、氨化三種方式改性后的載銀凹凸棒土有機雜化膜的SEM圖。由圖8可見，負載的銀離子量隨時間的加長而變多，但酸化處理后的負載的銀離子最多，這與抑菌試驗的結果相一致。另外，氨化處理后的膜表面疏松多孔，結構損壞嚴重，在抑菌實驗中，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，通過摻入凹凸棒土制備出凹凸棒土有機雜化膜;然后，以凹凸棒土膜為載體，負載銀離子，制備出載銀凹凸棒土有機雜化膜。借助SEM、XRD等手段對材料的組成以及形貌進行了表征。以大腸桿菌為試驗對象，考察了其抑菌性能隨凹凸棒土不同的改性方式和應用手段的變化，結論如下。

（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構，使比表面積增加。

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

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