铜类无机抗菌材料的制备及抗菌陶瓷的开发

作     者：刘品乐 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张萌

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：铜类无机抗菌材料 有效抗菌物质 持久抗菌 抗菌陶瓷 

摘      要：金黄色葡萄球菌(***)、大肠杆菌(***)等致病菌危害着人们的健康,而且这些致病菌极易在阴凉、潮湿的陶瓷制品中滋生繁殖生长(如洗手池、马桶、浴缸以及墙面等),严重影响着人们的生活。因此,为了预防致病微生物带来的危害,开发一种能应用于陶瓷制品并具有安全、高效的抗菌材料具有重要的实际意义。本文以天然含氧盐矿物(如硅酸盐矿物、碳酸盐矿物)作为载体,无水硫酸铜作为铜源,采用液相法制备获得多种铜类无机抗菌材料,进而利用此类铜类无机抗菌材料制备获得抗菌陶瓷。采用XRD、SEM、XPS、UV-vis以及菌落平板计数等检测手段对所制铜类无机抗菌材料和抗菌陶瓷的微观晶体结构、成分组成、形貌及抗菌等物化性能进行分析研究。本文取得了以下研究结果:(1)分别选取1:1型层状硅酸盐(高岭土、管状埃洛石)和2:1型层状硅酸盐(蒙脱石和滑石)四种含氧盐矿物作为载体,无水硫酸铜为铜源,制备获得铜类无机抗菌材料。XRD结果表明:载铜离子后,四种铜类无机抗菌材料基本保持原始硅酸盐的晶体结构。紫外分光光度计结果表明:2:1型层状硅酸盐黏土的载铜离子能力远高于1:1型层状硅酸盐黏土的载铜离子能力,本文将其归因为:2:1层状硅酸盐层间的范德瓦尔键较弱,可交换更高容量的阳离子。抗菌测试表明:相比于其他硅酸盐材料,滑石所制备的铜类无机抗菌材料(TCu-1)对***和***抗菌率最优,其中对***的最小杀菌浓度(MBC)为2.5 mg/ml,对***的MBC为3.5 mg/ml。高温煅烧后的抗菌测试表明:四种铜类无机抗菌材料经高温煅烧(800°C)后,抗菌率均90%,表现出较好的中高温稳定性。(2)为了能进一步提高铜类无机抗菌材料的高温稳定性,本文选取滑石作为载体,加入方解石作为吸附剂,无水硫酸铜为铜源,通过液相法制备滑石/方解石载铜复合抗菌材料。抗菌测试结果表明,当m:m=7:3时(其中滑石:方解石的质量比=1:1),所制备的HCCu-50铜类无机抗菌材料具有较强的高温稳定性及抗菌性能。XRD及SEM结果显示:HCCu-50铜类无机抗菌材料的有效抗菌物质为CuSO(OH),且均匀分布于试样表面;1000°C煅烧铜类无机抗菌材料后CuSO(OH)转化为抗菌性能更好的CaCu O,有利于为后期制备抗菌陶瓷提供基础。(3)选取HCCu-50铜类无机抗菌材料作为抗菌剂,并掺入低温基础透明釉中,在1200°C烧成温度下制备得到了具有持久抗菌的抗菌陶瓷。通过XPS结果分析可知,釉层中Cu元素存在两种化学价态,分别为0价和2价。抗菌测试、SEM、接触角仪、显微硬度计等结果表明,随着抗菌剂掺量的增加,显微硬度以及对水接触角呈现先减小后增加的趋势,抗菌性能、釉面气孔尺寸及数量呈现先增加后减小的趋势。综合上述实验结果,当抗菌剂掺量为2%时,实验获得的抗菌陶瓷综合性能最佳。此方法获得的抗菌陶瓷存放6个月后仍表现出优异的抗菌效果。