【摘 要】
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纳米银具有抗菌谱广和不易产生耐药性等优势,作为无机抗菌剂被广泛应用于医疗、包装、电子等领域。然而,纳米银存在制备工艺复杂且不绿色、颗粒易团聚且与高分子材料的相容性差等问题,限制了其在抗菌高分子材料中的广泛应用。木质素(lignin)是一种具有还原性官能团、三维网状结构和环境友好性的天然生物质材料,作为纳米银载体、还原剂和分散剂,可实现纳米银的绿色和可控制备及其良好分散,但未经改性的木质素纳米银复合
【基金项目】
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国家重点研发计划(2018YFB1501503); 国家自然科学基金重大项目(21690083); 国家自然科学基金(21878114); 广东省重点领域研发计划项目(2020B1111380002); 广东省基金重点项目(2018B030311052); 广东省自然科学基金(2017A030308012)
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纳米银具有抗菌谱广和不易产生耐药性等优势,作为无机抗菌剂被广泛应用于医疗、包装、电子等领域。然而,纳米银存在制备工艺复杂且不绿色、颗粒易团聚且与高分子材料的相容性差等问题,限制了其在抗菌高分子材料中的广泛应用。木质素(lignin)是一种具有还原性官能团、三维网状结构和环境友好性的天然生物质材料,作为纳米银载体、还原剂和分散剂,可实现纳米银的绿色和可控制备及其良好分散,但未经改性的木质素纳米银复合材料与细菌相互作用弱,抗菌性能受到较大限制,阻碍了其在高分子材料中的广泛应用。为了强化木质素纳米银复合材料与细菌的相互作用,增强其抗菌性能,采用盐酸多巴胺(DA·HCl)和3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHMAC)为改性剂,制备了具有生物粘附性的聚多巴胺木质素(AL-PDA)和正电性的季铵化木质素(QAL),分别采用AL-PDA和QAL作为纳米银的载体、还原剂和分散剂,在微波辐射作用下,制备了颗粒分散良好的木质素纳米银复合抗菌材料。采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等技术对材料的微观结构和形貌进行表征,通过平板计数法(CFU)评价了材料的抗菌性能。将木质素纳米银与水性聚氨酯(WPU)物理共混,制备了抗菌性能优异、力学性能增强的薄膜。本文主要结论如下:(1)以AL-PDA为分散剂和还原剂制备了具有生物粘附性的聚多巴胺木质素纳米银(AL-PDA-Ag)。AL-PDA-Ag中的纳米银颗粒呈准球形,粒径为20-30 nm,主要以银单质态均匀分散在AL-PDA中。AL-PDA-Ag在无光照时和红外光照下,10 min内对大肠杆菌的杀菌率分别达到99.9%和100%,其抗菌机理可归因于复合物光热效应及纳米银抗菌活性的协同作用。掺5 wt%AL-PDA-Ag的水性聚氨酯薄膜在红外光照下,10min内对大肠杆菌的杀菌率达到99.99%,具有优异抗菌性能。与纯WPU膜相比,掺1wt%AL-PDA-Ag的水性聚氨酯薄膜拉伸强度提升155%,断裂伸长率提升61%。(2)以QAL为分散剂和还原剂制备了具有静电捕获能力的季铵化木质素纳米银(Ag@QAL)。Ag@QAL中的纳米银颗粒呈准球形,粒径为10-20 nm,以银单质态均匀分散在QAL的三维骨架中。Ag@QAL在5 min内对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率分别达到99.9%和99.999%,其抗菌机理为QAL与细菌的强静电效应和增强向细菌释放活性氧的协同作用。掺5 wt%Ag@QAL的水性聚氨酯薄膜在3 h和24 h内,对大肠杆菌的杀菌率分别达到99.9%和99.999%,具有优异抗菌性能。与纯WPU膜相比,掺5 wt%Ag@QAL的水性聚氨酯薄膜拉伸强度提升54%,断裂伸长率提升45%。综上所述,采用AL-PDA和QAL作为纳米银的载体、分散剂和还原剂,可强化材料与细菌的相互作用,实现绿色和可控制备抗菌性能优异的木质素纳米银复合材料。与纯WPU膜相比,木质素纳米银与WPU物理共混制备的薄膜抗菌活性高,力学性能显著提升,在抗菌高分子材料领域具有广阔的应用前景。
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