家用电器纳米抗菌材料

陈吞 沈剑 杨乐庭 黄勇 张辉

合肥美的电冰箱有限公司 安徽合肥 340100

1 引言

如今，中国绝大多数家庭都拥有一台及以上的家电设备，如常见的冰箱、洗衣机、空调等。随着社会的进步，人们对生活品质的要求在不断的进步。而家用电器作为每个家庭都需要的高频使用设备，其行业也相应的提出了抗菌等概念以适应新的消费理念[1]。以冰箱为例，冷藏对于维持许多食品的安全性和质量以及使食品能够在日益城市化的社会中进行供应和消费都至关重要。但是由于未经消毒的食材常常携带沙门氏菌、大肠杆菌等细菌，容易导致交叉污染和二次感染，如若不慎食用，会导致腹泻、食物中毒等状况，甚至可能进一步导致患者死亡[2]。因此，冰箱等家用电器需要具有一定的抗菌能力以保证家庭的正常使用。

现如今常见的家用设备的主要抗菌技术有高温消毒、紫外线照射、光触媒除菌、金属纳米材料薄膜等。不同的抗菌技术都有其优势与劣势，例如：高温消毒由于在使用过程中需要产生高温，使用场景严重受限，仅能应用在消毒柜等家用设备中。本文主要关注如今纳米抗菌技术的应用与发展，总结并分析了当前和未来有望大规模应用在家用设备的抗菌纳米技术。

2 活性金属纳米材料

金属基纳米材料可以由金属和金属氧化物的两种纳米材料构成，纳米材料区别于普通材料的地方在于纳米尺度，常用的纳米材料为金属或金属氧化物纳米材料，包括银、金、氧化锌、二氧化钛和氧化铜等材料。金、银和铜等材料主要通过对细菌的细胞膜进行破坏从而起到抗菌的作用[3][4]，并且其能够有效抑制代谢酶活性并干扰细菌遗传物质的表达。而金属纳米颗粒氧化物如TiO2、ZnO、CuO、Cu2O、Fe2O3、SnO2、Ag2O、CeO2，均具有一定的抗菌效果。其中，ZnO、TiO2和CuO、Cu2O在物理和化学特性上都具有相似之处，如无毒、无刺激性、热稳定性、耐热性、持久的抗菌作用和高效杀菌。应用于预防疾病传播具有重要意义，可以净化环境。

活性金属纳米材料现如今也广泛的应用于日常的家用电器中，其多以抗菌剂的形式与树脂聚合物材料混合以制备纳米抗菌塑料[5-8]。由于金属纳米材料以粉末形式呈现，通常需要在加工过程中将这些粉末在树脂中均匀地分散以获得所需的抗菌效果。因此，抗菌剂通常先被制成抗菌母料，然后将其与树脂混合所需比例（然后按照所需比例将其与树脂混合）。另外，还必须考虑与树脂一起使用的抗菌剂的相容性，因此通常需要添加偶联剂，以及对抗菌剂进行预处理。而制备完成的纳米金属材料会在树脂表面形成具有抗菌能力的表面层，然后通过与物体接触而发挥杀菌作用。如常放置食物的冰箱盛物台、塑料外壳和洗衣机滚筒等，并已经有相应的产品以此为卖点进行大面积推广[9]。

3 仿生纳米结构

自2006年以来，研究人员一直致力于通过材料表面的物理形貌而非化学机理来消除细菌。研究表明，物体的表面形貌和粗糙度对细菌附着有着很大的影响，其主要原因是影响其对细菌生物膜的形成[10]。而决定细菌在物体外表面附着的因素主要有疏水性、静电相互作用、范德华力和位阻等常见物理特性。细菌细胞壁与表面纹理相互作用时会导致细胞壁拉伸并变形，如果拉伸的力足够大，则会导致细胞破裂、死亡。纳米和微米结构极大地增加了接触粘合面积，比平坦表面有更有效的杀菌性能。因此，物体表面的杀菌效率与微结构的高度、半径和间距等参数密切相关。

研究工作者已经尝试复制天然存在的动植物如蝉和蜻蜓的翅膀、荷叶和鲨鱼皮表面的纳米结构纹理以达到抗菌的效果。蝉和蜻蜓的翅膀的外表面由于存在纳米级的柱状结构从而对大肠杆菌等细菌能起到一定的阻碍作用，而荷叶表面存在的纳米和微米级分层结构则起到了超疏水和自清洁的作用，从而影响细菌生物膜的合成[11-12]。壁虎的皮肤上的纳米尺度的刺突结构对软壁菌有杀伤作用，能够特异性的对革兰氏阴性菌起到抗菌效果，而有效的保护人类真核细胞[13]。这些微纳结构及其各种物理性质的发现使得人们可以模仿这些自然存在的表面结构以在应用中重现其抗菌效果。

由于仿生纳米结构不用改变材料本身，可以直接应用在传统家电材料中，无需其他复杂的加工条件与安全测试，可以节约较多的研发成本。但是同样的，其需要在外表面实现较为复杂的微纳结构，并且需要一定的复制精度。这导致在成本可控的情况下仅仅只有硅胶、塑料等少部分材料能够适用。但是仍具有一定的推广价值，如可直接改造传统的冰箱门硅胶密封条与塑料把手等高频接触的部件。

4 基于光催化的纳米材料

光催化的纳米材料主要以纳米TiO2为主，以锐钛矿、金红石和板钛矿为三种主要的晶相结构。经过长时间的研究发现，锐钛矿型TiO2被认为是光敏性最强的晶形，有着较为广泛的应用[14]。其原理主要为当光照射二氧化钛，使其能量达到二氧化钛的禁带宽度时，就会激发电子跃，形成电子-空穴对，电子-空穴对与周围水分子和氧气分子发生作用，生成具有强氧化性的羟基自由基和超氧离子自由基，可以侵蚀各种生物分子并损害其正常功能，达到抑制细胞呼吸，改变细菌细胞通透性和分解细胞壁等效果[15-16]。

现如今工业上光催化纳米抗菌材料以抗菌陶瓷为主[17]，同样也可以大规模应用在家用电器中，通过在烧结后的陶瓷制品上涂覆二氧化钛膜，然后以较低的温度烧结，可以达到光催化抗菌作用的效果，从而抑制细菌在陶瓷表面扩散[18]。可以通过在消毒柜或者净水器中大量使用陶瓷材料从而增强紫外线杀菌的效果[19]。

图1 光触媒抗菌示意图

5 结论

家用电器作为一个高频使用设备，如果不定期进行清洁和维护，常常会导致细菌的滋生，污染食物与水源，容易对使用者的身体健康造成一定的影响。因此，需要定时对家电进行擦拭和消毒，否则会堆积污垢。适当的应用纳米抗菌材料，可以有效的降低细菌的数量。在常与食物、衣物、水源接触之处使用抗菌材料是十分有必要的。以冰箱为例，在承物架内混入金属纳米颗粒，在冰箱门硅胶封条处使用仿生抗菌微结构，在可以接触到光照的冰箱外壳上涂覆二氧化钛纳米涂层，增强抗菌效果。因此，深入的分析并研究纳米抗菌设计，能延长电器的使用寿命，提高使用者的生活品质。此外，纳米抗菌无材料可广泛应用在母婴产品、医疗卫生用品、空气过滤等领域，为婴童、女性、成人群体营造安全舒适的卫生环境。