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纳米抗菌包装材料的开发与应用[划重点]

发布时间:2022年07月05日    点击:[0]人次

纳米抗菌包装材料的开发与应用

一、纳米抗菌包装材料

所谓纳米包装材料, 就是用分散相尺寸为1mm- 100mm 的颗粒或晶体与其他包装材料复合或添加制成的具有纳米级结构单元的纳米复合包装材料。纳米抗菌材料是一类具备抑菌性能的新型材料, 由于材料本身赋予抗菌性, 可以使微生物包括细菌、真菌、酵母菌、藻类以及病毒等的生长和繁殖保持较低的水平。用抗菌材料制成的各种制品, 具有卫生自洁功能, 可有效避免细菌的传播。纳米结构可能成为技术改进的基础, 一旦能够控制材料的临界尺寸, 也就能使新型材料的临界尺寸, 也就能使新型材料的特性和器件的功能得到强化, 直至超过我们认为可能达到的程度。正如我们研究的对象纳米无机抗菌剂可耐1300℃的高温而不丧失其抗菌效力一样神奇。

人类感染细菌的途径之一就是通过入口的食物, 而食品包装材料一般是与食品直接接触的, 食物丰富的营养成分在高温的包装内部环境下就成为微生物滋生繁殖的营养源。因此,具有抗菌保鲜功能的食品包装材料的研制就显得非常重要。目前, 抗菌材料的种类繁多, 大体上包括抗菌塑料、抗菌纤维和织物、抗菌陶瓷和抗菌金属。抗菌材料的制作一般是将抗菌剂以适当的方式添加到基材中或涂覆在基材表面, 因此可以说, 抗菌材料的优劣最终取决于抗菌剂的研制。

虽然抗菌剂的品种繁多, 应用较广, 但日常使用的消毒剂只能产生短期效应, 且有害人体健康, 因此新型抗菌材料的开发从未停止。对抗菌剂的要求不仅要无毒无害和长效性外, 同时具有健康功能也是一个重要的发展趋势。

抗菌材料分为有机抗菌材料、无机抗菌材料和天然抗菌材料。有机抗菌材料对环境和人体有害且作用寿命短, 使用温度低于300℃; 无机抗菌剂克服了上述缺点。

包装是最大的塑料制品使用行业。抗菌包装物对于食品保质、防止外来污染非常有用。日本从1996 年发生全国性的O- 157 大肠杆菌污染引起食物中毒事件以后, 抗菌材料应用发展很快, 其中有一大应用是食品包装。食品包装物必须严格按照食品卫生包装物的要求来检验和判定。

果蔬采摘后包装是保持和提高果蔬价值的重要环节, 需要运用综合调节技术延长果蔬贮存期, 以满足果蔬贮藏、长途运输等需求。其中, 应用抗菌材料和抗菌技术可防止霉毒等微生物对果蔬的侵害, 获得较好的保鲜效果。某些产品的抗菌防霉包装也具有非常良好的经济和社会效益, 如出口服装、光学器材等。

在抗菌材料的实际应用过程中,应根据材料的用途和加工方法等要求,对抗菌剂进行必要的选择, 主要考虑的因素有: 抗菌效果主要是由MIC 值( 阻碍细菌繁殖的抗菌剂的最小浓度) 体现出来的, MIC 值越小证明抗菌效果越好。对于添加了抗菌剂的抗菌材料来说, 其抗菌能力主要是依赖材料表面的抗菌剂来实现的, 因此, 添加量一般要高于其MIC 值。

不同的抗菌剂对于不同的细菌具有不同的抗菌能力, 也就是说抗菌剂只对特定的细菌表现出抗菌性, 在选择抗菌剂的时候应考虑抗菌剂的抗菌范围,抗菌范围当然越广越好。但是达不到时也可以对几种不同的抗菌剂进行复配,以期达到理想的抗菌范围。

作为食品包装材料, 抗菌剂的选用一定要对人体无害, 应避免使用具有急性毒性、慢性毒性、气味较大、刺激皮肤等类的抗菌剂。由此看来, 有机抗菌剂的使用就具有很大的局限性, 而无机抗菌剂和天然抗菌剂则因其安全性而成为应用的热点。

$分页符$二、纳米抗菌材料在包装行业的应用

( 一) 纳米无机抗菌塑料

抗菌材料应用于包装行业主要是抗菌塑料, 其使用形式有薄膜、中空容器以及周转箱等。有机抗菌剂因其安全性问题, 使其在包装行业的应用受到了限制, 而天然抗菌剂则以高效安全备受人们的关注。

1. 抗菌剂应用于塑料制品可以通过以下三种途径: ①将抗菌剂直接与塑料混合, 分散在塑料中制成抗菌塑料;②将抗菌母粒与塑料掺混加工; ③在制品成型工艺中将抗菌剂嵌入塑料表面。抗菌剂直接添加法工艺简单, 但抗菌剂在塑料中分散较差, 抗菌剂颗粒容易团聚, 抗菌效果较差, 抗菌剂利用不充分,使用成本增加。抗菌母粒法的核心技术是抗菌母粒的研制。抗菌母粒是抗菌剂分散在载体树脂中的高度浓缩体, 含抗菌剂量10%~40%。抗菌母粒与塑料一起加工, 或与塑料一起再次共混分散, 有利于抗菌剂的分散和抗菌作用的发挥,是目前已普遍接受和广为应用的技术途径, 合理的抗菌母粒设计和使用, 可大大节约抗菌剂使用成本。在制品成型阶段加工抗菌塑料产品, 主要目的是为了节约抗菌剂的用量, 合理使用抗菌剂, 控制成本。目前了解到的具体实施方案有两种: 一种是将超细的抗菌剂粒子制成喷雾液, 喷涂在塑料模具表面,在塑料注塑成型时抗菌剂就进入到塑料件的表面; 另一种是将抗菌剂与塑料制成薄膜, 然后将薄膜附在模具表面,在塑料成型时将抗菌塑料膜结合到制件表面。使用这种抗菌成型技术, 可以大大节约抗菌剂的用量, 使用抗菌成型技太, 可以大大节约抗菌剂的用量, 但目前应用还不普遍, 主要原因是设备投资较大。

2. 无机抗菌塑料是将无机抗菌剂添加到树脂中去, 依靠无机抗菌剂在树脂中的迁移, 在树脂表面形成具有抗菌能力的表层, 通过与被包装物的接触进行杀菌。由于无机抗菌剂多为粉末状,颗粒粒径少, 在加工过程中一般需要将这些颗粒均匀的分散到树脂中才能得到理想的抗菌效果。因此, 一般先将抗菌剂制成抗菌母料, 再以所需比例与树脂共混, 另外还需要考虑抗菌剂与树脂的相容性, 所以需要对抗菌剂进行预处理, 添加偶联剂、分散剂等。

实验表明, 通过将银系抗菌剂和LDPE 树脂的共混吹膜, 对该薄膜进行了基本性能的测试, 结果表明添加银系抗菌剂之后, 该薄膜具有较好的抗菌性, 只是薄膜的拉伸强度、断裂伸长率和透氧率略有下降。但是完全符合生产标准及包装薄膜的性能要求。

3. 目前制取抗菌材料主要使用添加无机纳米抗菌材料的方法, 即在塑料原料中添加纳米抗菌材料。全新的接触型无机纳米抗菌材料的抗菌原理有别于传统的溶出型有机纳米抗菌材料和光触媒型无机纳米抗菌材料。其灭菌机理是当带正电荷的抗菌成分接触到带负电荷的微生物细胞后, 相互吸附, 即有效地击穿细胞膜, 使细胞蛋白质变性, 无法呼吸、代谢和繁殖, 直至死亡,完成灭菌。此时, 抗菌成分并未做任何消耗, 仍保持原有的抗菌能力, 因此它的抗菌能力可长期有效。

4.无机纳米抗菌材料性能稳定, 通常不和塑料原料及助剂发生化学反应,且添加数量很少, 加工工艺也不复杂,因而使用后的塑料制品性能稳定。目前国内的技术已较为成熟, 成本低, 其售价仅为国外同类产品的四分之一左右,因而在国内外市场上有极大的竟争能力; 制成产品后, 新增利润高, 市场效益好, 因而得到了广泛应用。如抗菌尼龙牙刷、聚乙烯钻板、食品包装薄膜、聚丙烯编织袋、餐饮具、电冰箱内胆、洗衣机波轮等已经通过中试上市, 有的已出口国外。试验表明还可使用无机纳米抗菌材料生产下列抗菌塑料制品; 卫生巾、农用吸水树脂、餐饮具、药品包装材料、农用地膜、食品货架和周转箱、和传呼机外壳、机壳和按键、洗碗机、加湿器、玩具教具、注射器和输液管、养殖、桌椅扶手等。

( 二) 纳米抗菌包装材料

1.我国的纳米无机抗菌剂的生产加工和使用技术在国内外属领先水平, 其特点: ①抗菌能力长效; ②抗菌性能广谱、杀抑优异; ③抗菌剂对人畜安全; ④抗菌制品理化性能稳定; ⑤抗菌剂成本低。可在许多产品中应用,如: 抗菌除味塑料成品, 抗菌聚丙稀餐饮具, 抗菌保丽板, 抗菌贴面板, 抗菌聚酯, 抗菌金属镀液, 抗菌纸杯等。经过中华预防医学科学院检验报告证实, 纳米抗菌塑料软质件和硬质件抑菌率均稳定在91.1%至95.3%, 更重要的是纳米能使抗菌的核心技术性能呈几何效应。

2.新型抗菌材料是在尼龙中添加了一种特殊的纳米粘土复合材料, 经改性后, 不但提高了强度, 韧性等物理力学性能, 还对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌具明显的杀伤效果, 同时生产成本也可在大幅降低, 此项产品的关键是对反应过程各影响因素的改进( 温度压力、转化程度、时间、凝胶点等) 及反应热力学、动力学、参数数据求取其结构与性能表现、建立可预测性反应模型, 广泛应用于机械、电子、建材、食品等高档包装薄膜的生产。

3.纳米抗菌性包装材料是对包装材料赋予一定的抗菌性能, 日本开发了以银沸石为母料的全新型无机抗菌剂, 既起催化剂作用, 同时又具有显著的抗菌特性, 其特点为抗菌效果持续时间长, 不会气化和迁移而对包装物产生影响, 加工稳定性高, 不会污染环境。添加的银沸石母料制得的薄膜( 含量1%—3%) 或表面复一层这种薄膜的容器, 经两年试用表明在无营养源的情况下, 含1%银沸石的薄膜能在1天- 2 天内完全杀死会引起食品中毒的菌类, 广泛用于熟食肉类、水产品和液体食品包装。另外从芥末中提取物作为抗菌剂的薄膜也已推向了市场,这类抗菌膜主要用于新摘蔬菜及水果等包装。

4. 抗菌包装材料已成为热门话题。日本在包装材料中添加一种新型无机抗菌剂, 在聚烯烃薄膜中加入抗菌剂和增效剂制成的。目前应用较广的是抗菌薄膜。纯天然的基础材料在纳米技术的改造下, 能够发挥出惊人的杀菌效果, 抗菌、无菌包装, 能使菌体变性或沉淀, 一旦过水, 便会对细菌发挥更强的杀伤力。且吸附能力强, 渗透力也很强, 多次洗涤后还有较强的抗菌作用。纳米无机抗菌剂, 既起催化作用, 又有抗菌特性, 时效长, 加工稳定性高, 不会气化和迁移。广泛应用熟食肉类、水产品和液体食品包装

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