木塑复合材料抗菌抗病毒应用研究

冯文超，周士馨，黄泽彬，刘丽瑜，欧阳博，黄小茉,3，李良秋

(1 广东迪美生物技术有限公司，广东 广州 510663；2 广东省防霉抗菌工程技术研究中心，广东 广州 510070；3 广东省科学院微生物研究所 华南应用微生物国家重点实验室广东省菌种保藏与应用重点实验室，广东 广州 510070)

木塑复合材料(Wood-plastic composites，缩写WPC)近年来在国内外发展迅速，主要是由于其在建筑和建筑产品、汽车零部件以及工业和消费品中的应用日益广泛[1-3]。目前关于木塑复合材料的研究，主要集中于木塑复合材料本身的防霉腐微生物[4-9]及弯曲强度、冲击性能、吸水性能等物理指标[10-12]。

随着新型冠状病毒肺炎的爆发及其持续影响，人们对微生物的认识及对健康生活的意识愈发增强，消费者对木塑复合材料的功能寄予了更高期望，已有研究表明抗菌产品的适当使用，可有效地降低公共场所细菌的传播和感染[13]，为木塑复合材料赋予抗菌、抗病毒功能，既能满足市场需求，提高材料的市场竞争力，也能拓展其应用领域(如医院等卫生要求较高的场所)，同时还能获得较好的经济效益。目前行业对木塑复合材料抗菌、抗病毒的相关研究少有报道。如张程理等[14]将多酸季铵盐接枝到木塑复合材料表面，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有一定的抑菌性，但对抗病毒性能并未研究。总的来说，木塑复合材料抗菌、抗病毒可参考的资料有限。

目前新冠肺炎疫情蔓延、反复的态势并未得到扭转，赋予木塑复合材料功抗菌抗病毒功能具有一定的实用性，本研究制备了载银抗菌抗病毒剂，研究了其对木塑复合材料力学性能的影响，测试其在木塑复合材料中的抗菌、抗病毒性能以及防霉菌性能。

1 实 验

1.1 材 料

载银抗菌抗病毒剂，自制；高密度聚乙烯(HDPE)，熔体(流动速率3.2 g/10 min)，扬子石化公司；马来酸酐接枝聚乙烯(PE-g-MAH)，杂木粉(60目)，江苏常州；杨木粉(WH，80目)，山东临沂；桉木粉(40目)，浙江临安；硅酸钠、氢氧化钠、偏铝酸钠、硝酸银，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 仪 器

电子分析天平(FA100)，上海光正；X射线衍射仪(D8 DISCOVER)，德国布鲁克；扫描电子显微镜(JCM-7000)；电子万能试验机(TCS-2000)，高铁检测；冲击试验仪(GT-7045)，高特威尔；可程式恒温恒湿试验机(GH-WS1530)，深圳格红；色差仪(CR-10)，柯尼卡美能达；抗菌、抗病毒性能由广东省微生物分析检测中心测试。

1.3 载银抗菌抗病毒剂制备

将3.0 g的硅酸钠加入至17 mL 0.4 mol/L的氢氧化钠溶液缓缓滴入至10 mL 0.8 mol/L的偏铝酸钠溶液中搅拌均匀，将上述混合物移入到反应釜中于95 ℃下晶化6 h，再用去离子水离心、洗涤净化后产物三次后，并在105 ℃下真空干燥8 h，得到二氧化硅载体。

配置25 mL 0.0147 mol/L的硝酸银水溶液，在搅拌下加入2.0 g上述二氧化硅载体，用0.1 mol/L的硝酸溶液将pH值调至7，离子交换2 h后，停止搅拌，去离子水离心、洗涤三次，将离子交换后的分子筛放入烘箱中105 ℃真空干燥24 h得到载银抗菌抗病毒剂。

1.4 木塑复合材料的制备

取HDPE一级回料30份，木粉55份，滑石粉8份，马来酸酐接枝聚乙烯(PE-g-MAH)3份，复合润滑剂(硬脂酸，聚乙烯蜡，EBS适当搭配)1.4份，无机色粉2份，抗氧剂抗紫外剂(复配)0.6份，载银抗菌抗病毒剂(分别0.3、0.5、0.7、0.9、1.1份)，将上述原料经过搞混搅拌设备搅拌15～20 min，利用同向平行双螺杆机，在180～220 ℃下造粒成木塑颗粒；经过异向锥形双螺杆机(140～180 ℃)，模具(140～160 ℃)挤出成型；经过冷却、切割、打磨(砂光机，60目砂带打磨)制成样板。

表1 木塑复合材料配方Table 1 Composite formulation of WPC

1.5 结构分析

采用D8 DISCOVER型X射线衍射仪对二氧化硅载体和改性后的载银抗菌抗病毒剂进行分析，扫描范围在2θ为10°～80°。

1.6 形貌分析

通过JCM-7000台式扫描电子显微镜对未负载和负载载银抗菌抗病毒剂的木塑复合材料进行形貌分析。

1.7 性能测试

弯曲性能按标准《GB/T 24508-2020，木塑地板》测试[15]；冲击性能按标准《GB/T 18102-2020，浸渍纸层压木质地板》测试[16]；吸水性能按标准《GB/T 17657-2013，人造板及饰面人造板理化性能试验方法》测试[17]；抗菌有效率按标准《GB/T 31402-2015，塑料 塑料表面抗菌性能试验方法》测试[18]，检测菌种分别为大肠杆菌AS1.89和金黄葡萄球菌AS1.90；防霉性能按《GB/T 35469-2017，建筑木塑复合材料防霉性能测试方法》测试[19]，所用霉菌为黑曲霉、绿粘帚霉、球毛壳霉、出芽短梗霉、绳状青霉、绿色木霉；抗病毒有效率按标准《ISO 21702-2019，塑料和其他非多孔表面抗病毒活性的测定》测试[20]，病毒选择H3N2(宿主细胞为MDCK)。

2 结果与讨论

2.1 X射线衍射分析

图1为二氧化硅载体和改性后的载银抗菌抗病毒剂的X射线衍射图。如图1所示，与二氧化硅载体中代表二氧化硅的大且宽的包峰相比，载银抗菌抗病毒剂中出现与AgNO3的JCPDS卡片06-0363一致的衍射峰，说明成功制备了载银抗菌抗病毒剂。

图1 二氧化硅载体和载银抗菌抗病毒剂的X射线衍射图Fig.1 X-ray diffraction pattern of silicon dioxide carriers and silver doped antibacterial and antiviral agents

2.2 扫描电镜分析

图2 未负载和负载载银抗菌抗病毒剂的木塑复合材料 扫描电镜图Fig.2 Scanning electron micrographs of WPC unloaded and loaded with silver-doped antibacterial and antiviral agents

通过扫描电子显微镜对未负载和负载载银抗菌抗病毒剂的木塑复合材料进行形貌分析，结果如图2所示。图2左图为未经任何处理的空白样品，通过扫描电镜图可以看出样品表面相对光滑、轮廓清晰，而右图经过载银抗菌抗病毒剂处理的木塑复合材料表面上堆积着形状不规律的材料，可看出抗菌抗病毒剂负载在木塑复合材料上。

2.3 力学性能

测试了载银抗菌抗病毒剂的添加量对样品弯曲强度和冲击性能的影响，结果如图3所示。从图3可以看出，添加抗菌抗病毒剂后弯曲强度有所下降。根据测试结果，未添加抗菌抗病毒剂时，弯曲强度为5475 MPa，添加抗菌抗病毒剂后，弯曲强度最多下降幅度为0.23%，添加量0.5%后，弯曲强度为5463 MPa，下降幅度为0.22%，但是仍远远高于《GB/T 24508-2020，木塑地板》要求得≥2500。从图3同时也可以看出，抗菌抗病毒剂的添加对木塑复合材料的冲击性能有一定影响，但是均维持在7 kJ/m2左右，低于《GB/T 24508-2020，木塑地板》要求的12 kJ/m2，可以认为添加抗菌抗病毒剂后对木塑复合材料弯曲性能和冲击性能几乎无影响。

图3 抗菌抗病毒剂不同添加量对木塑复合材料弯曲 强度和冲击性能的影响Fig.3 Effect of different dosage of antibacterial and antiviral agents on flexural strength and impact properties of WPC

2.4 吸水性能

图4 抗菌抗病毒剂不同添加量对木塑复合材料吸水性影响Fig.4 Effect of different dosages of antibacterial antiviral agents on water absorption of WPC

由图4可以看出，随着添加量的增加，木塑复合材料吸水率有所上升，这是因为载银抗菌抗病毒剂降低了木塑复合材料的疏水性，但所有木塑复合材料样品的24 h吸水率均小于国家标准的要求值3%，虽然添加载银抗菌抗病毒剂后材料的吸水性能有所改变，但均在允许范围内。

2.5 抗菌、抗病毒性能

按GB/T 31402-2015，测试材料对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌，及按ISO 21702-2019测试流感病毒H3N2的杀灭率，结果如表2所示。可以看出，随着载银抗菌抗病毒剂添加量增加，木塑复合材料的抗菌、抗病毒性能增加，当添加量达到0.5%时，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌及流感病毒H3N2的杀灭率均大于99.99%，抗菌结果已超过GB/T 31402-2015一级要求。

表2 抗菌抗病毒剂不同添加量对木塑复合材料抗菌、抗病毒杀灭率Table 2 Antibacterial and antiviral activity of WPC by different dosage of antibacterial and antiviral agents

2.6 抗霉菌活性测试

依据GB/T 35469-2017对各样品进行防霉性能测试，结果如表3所示，实拍图如图5所示。其中#0为空白样，不添加载银抗菌抗病毒剂，#2、#3、#4、#5载银抗菌抗病毒添加量分别为0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%。从检测结果来看，按GB/T 35469-2017中评价标准，图5中#0空白样防霉等级为4级，随载银抗菌抗病毒剂添加量增加，木塑复合材料的抗霉菌性能增加，添加量达到0.5%时，对黑曲霉、绿粘帚霉、球毛壳霉、出芽短梗霉、绳状青霉、绿色木霉的抗菌率均大于99.99%，在该载银抗菌剂浓度下的木塑复合材料防霉等级达到0级。

图5 样品防霉性能测试Fig.5 Mould proof performance test of samples

表3 抗菌抗病毒剂不同添加量下木塑复合材料抗霉菌性能Table 3 The anti-fungal performance of WPC under different dosage of anti-bacterial and antiviral agents

3 结 论

制备了载银抗菌抗病毒剂，通过X射线衍射和扫描电子显微镜证实了材料的成功合成和抗菌抗病毒剂在木塑复合材料上的负载。自制的载银抗菌抗病毒剂的加入对木塑复合材料的弯曲强度、冲击性能、吸水率的影响符合相关国家标准要求。载银抗菌抗病毒剂添加量为0.5%时，木塑复合材料对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和流感病毒H3N2的杀灭率均超过99.99%，防霉等级可以达到0级。载银抗菌抗病毒剂的添加，可赋予木塑复合材料抗细菌、霉菌及病毒功能，可有效延长木塑复合材料的使用寿命。