新型塑料添加劑 II：有機(jī)抗菌劑 季君暉

1、新型塑料添加劑 II：有機(jī)抗菌劑季君暉中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所工程塑料國家工程研究中心，北京，100101摘 要介紹了幾種有機(jī)抗菌劑的主要參數(shù)、應(yīng)用及其抗菌性能。關(guān)鍵詞：抗菌劑 塑料 有機(jī)無機(jī)抗菌劑是目前最常用的塑料抗菌劑，其無論在研究或應(yīng)用上都取得了很大的進(jìn)展。但目前有機(jī)抗菌劑和其它抗菌劑仍有廣泛使用，尤其在一些顏色要求比較高的場合，有機(jī)抗菌劑的使用更為普遍。隨抗菌材料的發(fā)展，新型天然抗菌劑抗菌劑和合成的高分子抗菌劑因其無毒、對材料影響小，逐漸顯示了很強(qiáng)的生機(jī)和活力，而且在某些領(lǐng)域中，有機(jī)抗菌劑有著無機(jī)抗菌劑不可替代的作用，如有機(jī)抗菌劑的抗菌作用速度要比無機(jī)抗菌劑快得多，在材料中添加的可操作

2、性也要比無機(jī)抗菌劑好得多，在儲存和使用過程中顏色穩(wěn)定性也比無機(jī)抗菌劑強(qiáng)。有機(jī)抗菌劑對微生物的抑制作用往往具有一定的特異性，因此有機(jī)抗菌劑又可以細(xì)分為抗細(xì)菌劑、防腐劑、防霉劑、防藻劑等，根據(jù)使用場合和需要的不同，可以選擇適合的有機(jī)抗菌劑來提高材料性能。與溶出型無機(jī)抗菌劑相比，有機(jī)抗菌劑開發(fā)應(yīng)用要早得多，生產(chǎn)工藝也成熟得多。長期以來人們?yōu)榱吮ＷC各類物品的長期貯存和使用，經(jīng)常在物品中加入能防止微生物損壞的化學(xué)添加劑，稱為微生物殺除劑即抗菌劑。在早期人們使用的抗菌劑主要是有機(jī)類抗菌劑，如使用有機(jī)汞化合物、福爾馬林等化學(xué)物質(zhì)。現(xiàn)在常用的就有鹵化物、有機(jī)錫、異噻唑、吡啶金屬鹽、涕必靈（thiabendaz

3、ole）、咪唑酮、醛類化合物、季銨鹽等許多類。有機(jī)抗菌劑的用量相對較少，一般在ppm級甚至在ppb級就具有明顯的抗菌效果。一、 目前塑料中常用的有機(jī)抗菌劑1 N-（三氯甲基硫代）-4-環(huán)己烯-1，2-二甲基酰亞胺N-（三氯甲基硫代）-4-環(huán)己烯-1，2-二甲基酰亞胺俗稱克菌丹，又叫開普頓，白色結(jié)晶，熔點為178，可溶于氯仿、苯、乙醚等有機(jī)溶劑，不溶于水。熱穩(wěn)定性好，對酸穩(wěn)定，但在強(qiáng)堿作用下可能分解。毒性低，對大鼠急性經(jīng)口LD50為9000mg/kg，屬于實際無毒物質(zhì)，用含N-（三氯甲基硫代）-4-環(huán)己烯-1，2-二甲基酰亞胺0.25%的飼料喂養(yǎng)大白鼠2年未見任何毒性作用，但本品對皮膚及黏膜有一

4、定的刺激作用。N-（三氯甲基硫代）-4-環(huán)己烯-1，2-二甲基酰亞胺對微生物的抑制作用是通過抑制微生物SH代謝，從而控制能量代謝而致使微生物死亡，是一種高效的抗菌防霉劑，并具有較廣的抗菌譜，尤其對霉菌的抑制效果優(yōu)秀，是目前塑料常用的有機(jī)抗菌防霉劑之一并能夠經(jīng)受高溫加工和高剪切加工。2 五氯苯酚五氯苯酚是白色結(jié)晶，分子量266，熔點為190，分解溫度為310。微溶于水，溶于醇類、苯、甲苯、丙酮等有機(jī)溶劑。對大鼠經(jīng)口的LD50為175mg/kg，急性經(jīng)皮的LD50為105mg/kg。五氯苯酚是目前廣泛使用的抗菌防霉，抑制微生物能力高，在基材中不顯色，不造成物品的污染，化學(xué)性能穩(wěn)定，揮發(fā)性低，制備的

5、制品抗菌防霉長效性好。五氯苯酚可以制備成油溶和水溶兩種形式，使用方便。五氯苯酚在制品中的含量一般在0.1-0.5%。由于五氯苯酚具有較高的分解溫度，可廣泛使用于聚氯乙烯等塑料中。但五氯苯酚在300以上將分解成六氯苯和八氯聯(lián)苯醚，失去抗菌防霉效果。3 鄰苯基苯酚鄰苯基苯酚（o-phenylphenol）又叫2-羥基聯(lián)苯，是白色針狀結(jié)晶，熔點57，沸點285，閃點123。能溶于水、乙醇、異丙醇等溶劑中。屬于低毒物質(zhì)，對大鼠急性經(jīng)口LD50為2700mg/kg，可以用作水果等食品的防霉劑。鄰苯基苯酚通過破壞微生物細(xì)胞的細(xì)胞壁及細(xì)胞內(nèi)的蛋白酶而抑制或殺滅微生物（其對部分微生物的MIC如表1所示），廣泛

6、用于塑料的抗菌防霉，一般用于塑料薄膜時用量為0.1-0.5%。表1 鄰苯基苯酚對部分微生物的MICTable 1 MIC of o-phenyl Phenol to Some Microbe微生物種類MIC/ppm微生物種類MIC/ppm金黃色葡萄球菌50米曲霉10大腸桿菌80蠟狀芽枝霉20銅綠假單胞桿菌170出芽短梗霉15枯草桿菌80桔青霉10黑曲霉15黑根霉30黃曲霉104. 2,4,5,6-四氯-1,3-間苯二腈（TBN）2,4,5,6-四氯-1,3-間苯二腈俗稱百菌清，是白色無味結(jié)晶，熔點為250-251，沸點為350。工業(yè)品常委略有刺激氣味的淺黃色結(jié)晶。能溶于丙酮、環(huán)己烷、二甲亞砜、

7、二甲苯等有機(jī)溶劑，在水中溶解度極低，約0.5ppm。常溫下對酸、堿及紫外光等化學(xué)性能穩(wěn)定，在強(qiáng)堿下容易分解，不腐蝕金屬等具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性能。TBN毒性極低，LD50>10000mg/kg，實驗表明以4000mg/kg/d喂飼大鼠三個月沒有發(fā)現(xiàn)明顯的影響。TBN是一種廣譜的有機(jī)抗菌劑，是最有效的抗菌防霉劑品種之一，其抗菌譜和汞類抗菌防霉物質(zhì)類似，TBN通過結(jié)構(gòu)中的氰基和微生物細(xì)胞中原生質(zhì)及酶蛋白中的SH進(jìn)行作用而引起蛋白質(zhì)分子失活，微生物死亡。同時也可能作為偶合劑抑制氧化磷酸化反應(yīng)而導(dǎo)致微生物死亡。TBN對枯草桿菌的MIC為10ppm，對奇異變形桿菌的MIC為10ppm，對金黃色葡萄球菌

8、的MIC為8ppm，對黃曲霉的MIC為500ppm，對黑曲霉的MIC為500ppm，對擴(kuò)展青霉的MIC為500ppm，對出芽短梗霉的MIC為250ppm，并對根霉屬菌抑制效果尤佳，且持續(xù)作用時間長，但對鐮孢菌的效力較差。TBN是一種用途廣泛的抗菌防霉劑，可廣泛應(yīng)用于塑料、涂料、皮革、木材等行業(yè)。5. 2,4,4'-三氯-2'-羥基二苯醚2,4,4'-三氯-2'-羥基二苯醚（Triclosan），Ciba精化公司稱Irgasan-300，DP-300等，中文名稱為玉潔新，是一種具有芳香氣味的白色結(jié)晶粉末，熔點為56-60，分解溫度為270。微溶于水，可溶于乙醇、丙

9、酮、乙醚和堿性溶液。本品為無毒物質(zhì)，對小鼠經(jīng)口LD50為4000mg/kg。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)DP-300具有高效、廣譜、無毒等優(yōu)點，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌等各種格蘭氏細(xì)菌均有明顯的抑制作用，其相應(yīng)最低抑菌濃度分別僅為1.0ppm、0.1ppm和0.3ppm。研究結(jié)果還表明DP-300對Adenovirus（腺病毒）、Influenzavirus（流感病毒）、Vaccinavirus（疫苗病毒）及Hepatitis B Virus Surface Antigen（乙肝病毒表面抗原）等多種病毒也有明顯的抑制作用。DP-300可直接添加或先制成濃縮母粒再添加到LDPE、HDPE、PP、EVA

10、、PMMA、PS、PVC及PU等多種塑料及其制品中，DP-300具有很強(qiáng)的抗菌性能，在塑料制品中的添加量可在0.5%以下，由于添加量低，添加抗菌劑對塑料及其制品的力學(xué)性能影響很小。目前應(yīng)用DP-300生產(chǎn)抗菌聚合物的主要領(lǐng)域有砧板、一次性垃圾袋、體育用品、兒童玩具、梳子、食品托盤等日常用品，地毯、建筑材料、室內(nèi)裝潢、隔板等家居設(shè)施以及適合于醫(yī)院使用的門簾、衛(wèi)生間坐墊、樓梯扶手等設(shè)施。含有DP-300的抗菌塑料產(chǎn)品已經(jīng)美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）注冊并取得了FDA的認(rèn)可。1. 三氯均二苯脲三氯均二苯脲的化學(xué)名稱為3-（4-氯苯基）-1-1（3，4-二氯苯基）脲是一種二十世紀(jì)七十年代開發(fā)的新型抗菌劑，

11、可廣泛應(yīng)用日化用品、兒童玩具、廚房、餐桌用塑料等。三氯均二苯脲是一種白色微細(xì)粉末，密度為1.53g/cm3，熔點為250255，閃點>300，不溶于水，溶于酯類溶劑，大鼠急性經(jīng)口毒性大于5600mg/kg，經(jīng)皮急性毒性大于8000mg/kg。三氯均二苯脲很容易穿過細(xì)胞膜，使細(xì)菌和真菌賴以生存的一種特殊酶?；鞍走€原酶中毒，阻礙細(xì)胞脂肪酸合成，導(dǎo)致微生物死亡。人類細(xì)胞沒有這種酶，所以該化合物對人類細(xì)胞無毒。具有廣譜抗菌性，對革蘭陽性菌和革蘭陰性菌、真菌和部分病毒等病原性微生物都具有優(yōu)異的抑制和殺滅效果，對光、熱等環(huán)境因素穩(wěn)定。表2- 列舉了三氯均二苯脲對部分細(xì)菌和真菌的MIC。表2-14

12、 三氯均二苯脲對部分微生物的MIC微生物種類MIC/ppm微生物種類MIC/ppm金黃色葡萄球菌ATCC65380.1-溶血鏈球菌1.0表皮葡萄球菌ATCC1550.1阿拉伯糖乳桿菌0.1金黃色葡萄球菌（凝固酶陰性）0.1塞氏乳桿菌0.1肺炎雙球菌I型ATCC63010.1松根層孔菌FEL517100白喉棒狀桿菌ATCC2960.1石膏狀發(fā)癬菌500枯草芽孢桿菌0.5腹股溝發(fā)癬菌500蠟狀芽孢桿菌FPL5090.1球毛殼菌USCA1032.4100產(chǎn)氨桿菌ATCC68710.5刺黑烏菌G-289100綠色鏈球菌0.1立枯絲核菌100-溶血鏈球菌1.0 6. 10,10'-氧化二酚惡吡1

13、0,10'-氧化二酚惡吡（OBPA）是美國Ventrow公司于六十年代開發(fā)成功并投入實際應(yīng)用的一種有機(jī)砷化合物。純品為白色結(jié)晶，熔點為180-182，熱分解溫度在300以上，有刺激性。OBPA是一種中等毒性的砷化合物，其對大白鼠的急性口服毒性LD50為57.18mg/Kg，5%濃度的液體經(jīng)皮吸收的毒性允許值為9280mg/Kg，經(jīng)美國有關(guān)部門檢測結(jié)果證實本品無致癌作用，經(jīng)上海市衛(wèi)生防疫站檢測細(xì)菌誘變的Ames試驗，體細(xì)胞突變的微核試驗和生殖細(xì)胞的畸變試驗結(jié)果均呈陰性。OBPA已通過了美國FDA的認(rèn)證4。OBPA具有良好的抗菌性能，對細(xì)菌、霉菌、真菌及藻類微生物都有明顯的抑制作用，對大腸

14、桿菌的最低抑菌濃度為12ppm，對金黃色葡萄球菌的最低抑菌濃度為6ppm，對巨大芽孢桿菌的最低抑菌濃度為12ppm，對霉菌的最低抑菌濃度也都在20ppm以下。可以直接和塑料混合熔融制成抗菌塑料，目前在應(yīng)用在聚氯乙烯、聚氨酯、聚硅樹脂、聚烯烴材料、環(huán)氧樹脂及橡膠中，濃度一般為300-500ppm，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等都有良好的抗菌性能，而且耐水、耐酸、耐堿、耐洗滌劑5,6。8. 苯并咪唑氨基甲酸甲酯（BCM）苯并咪唑氨基甲酸甲酯（，BCM）俗稱多菌靈，白色結(jié)晶，熔點為302-307，微溶于水、乙醇、苯等溶劑中。對熱、光、堿性環(huán)境穩(wěn)定，在酸性環(huán)境中易與酸結(jié)合生成鹽。BCM毒性低，對大鼠急性

15、經(jīng)口LD50為10000mg/kg，是實際無毒物質(zhì)。BCM是材料行業(yè)常用的抗菌防霉劑之一，通過抑制微生物脫氧核糖核酸（DNA）的合成而抑制微生物，抗菌效率高，抗菌譜廣，對霉菌尤其是青霉屬微生物的抑制核殺滅效果更為優(yōu)異。BCM對黑曲霉的MIC為1.0ppm，對黃曲霉的MIC為1.5ppm，對變色曲霉的MIC為0.4ppm，對桔青霉的MIC為0.2ppm，對擬青霉的MIC為1.5ppm，對蠟狀芽枝霉的MIC為0.4ppm，對木霉的MIC為0.6ppm。若與第二抗菌防霉組分如福美雙、氧化鋅等抗菌劑混合使用，還可以明顯提高藥效。BCM目前廣泛應(yīng)用于塑料、橡膠、粘合劑、纖維、皮革、木材、涂料、紙張等個領(lǐng)

16、域。9. 2-（4-噻唑基）苯并咪唑2-（4-噻唑基）苯并咪唑（2-(4 thiazolyl)benzimidazol, TBZ）俗稱賽菌靈，是白色或淡黃色粉末，分子量201.24，熔點為300，微溶于酮、醇、水等極性溶劑中。TBZ是生物安全性很高的抗菌劑，對人體毒性極低，LD50為3800mg/kg，據(jù)稱人體每日內(nèi)服4g，連續(xù)服用對人體也沒發(fā)現(xiàn)危害。因此不僅能使用于橡膠、塑料等行業(yè)，也可以使用于食品行業(yè)。TBZ最初是美國邁克公司作為農(nóng)藥和食品殺菌劑開發(fā)的產(chǎn)品。TBZ化學(xué)穩(wěn)定性好，不易和其他物質(zhì)反應(yīng)，在水或其他溶劑中溶解性差。由于TBZ的熱穩(wěn)定性較好，克使用于塑料和橡膠加工，作為抗菌防霉劑加入

17、到橡塑薄膜和板材中或涂覆在材料表面，克防止表面細(xì)菌和霉菌的滋生，也廣泛應(yīng)用于電子線路板用環(huán)氧樹脂和聚氨酯的抗菌防霉處理。TBZ作為防霉劑的用量一般在0.1-0.5%。如果將TBZ和代森類抗菌防霉劑等第二抗菌防霉組分混合使用，其抗菌防霉效果還會明顯提高，體系中含量在10-100ppm范圍就有明顯的抗菌防霉效果。通常一般和TBZ混合使用的第二抗菌防霉組分為如下物質(zhì)：10. 2-n-辛基-4-異噻唑啉-3-酮2-n-辛基-4-異噻唑啉-3-酮（OIT）是國際上近年開發(fā)的有機(jī)砷化合物OBPA替代品，具有無毒無味無刺激性等優(yōu)點，LD50為1470mg/kg，常溫下化學(xué)性能穩(wěn)定，可溶于丙二醇，在水中的溶解

18、度為480mg/L。OIT是一種具有類似汞型抗菌物質(zhì)的抗菌譜，具有優(yōu)異起始和持久抗菌防霉性能和化學(xué)穩(wěn)定性的有機(jī)抗菌劑，對米曲霉的MIC為8ppm，對出芽短梗霉的MIC為0.6ppm，對枯草桿菌的MIC為16ppm，對大腸桿菌的MIC為250ppm，一般在制品中的添加量為10-1000ppm。OIT目前已獲得EPA的認(rèn)證。OIT和聚氯乙烯有優(yōu)異的相容性，在聚氯乙烯中添加OIT后還有助于提高聚氯乙烯材料的抗紫外能力，而且不影響材料的加工性能和熱穩(wěn)定性，所以特別適合于聚氯乙烯體系使用。Morton公司開發(fā)了SB-8和SB-27兩種OIT濃縮母粒，SB-8的OIT濃度為10%，載體為聚烯烴材料，SB-

19、27的OIT的含量為9.9%，載體為聚氯乙烯和助劑，這兩種母粒用于室內(nèi)的推薦添加量為1.5%，用于室外的推薦量為2-2.5%。Akcros Chemical公司也開發(fā)了Intercide OBF-8-DIDP和 Intercide OBF-8-ED6兩個系列的抗菌聚氯乙烯材料，前者是通過將OIT溶解于增塑劑DIDP中制得抗菌的聚氯乙烯材料，適用于擠出件、注塑件和薄膜，同時還可以用于改性聚氨酯材料。后者是將OIT溶解于低粘度的環(huán)氧增塑劑Lankroflex ED6中，值得聚氯乙烯材料，該材料適用于各種片材如塑料壁紙、防水布等6。11. 醋酸洗必泰醋酸洗必泰（chlorohexidine acet

20、ates），化學(xué)名稱為1，6-雙（對氯苯雙胍）-己烷二乙酸鹽，白色結(jié)晶，無氣味，熔點155（一般工業(yè)品熔點可能略低幾度），分解溫度為260，可溶于水和乙醇。醋酸洗必泰不僅對金黃色葡萄球菌等格蘭陽性菌和大腸桿菌等格蘭陰性菌及霉菌具有很好的抑制作用，而且對病毒尤其是乙肝病毒有良好的抑制作用，是一種具有特色的新型抗菌劑。適用于醫(yī)療衛(wèi)生用品、塑料橡膠制品和食品等的抗菌防霉。用量一般為500-1000ppm。二、 有機(jī)抗菌劑的抗菌機(jī)理有機(jī)抗菌劑和無機(jī)抗菌劑的抑制細(xì)菌的作用是不同的，對于有機(jī)抗菌劑，其主要作用機(jī)理是通過和微生物細(xì)胞膜表面陰離子結(jié)合逐漸進(jìn)入細(xì)胞，或與細(xì)胞表面的巰基等基團(tuán)反應(yīng)，破壞蛋白質(zhì)和細(xì)胞

21、膜的合成系統(tǒng)，抑制微生物的繁殖。微生物細(xì)胞的外膜是半透明膜，由脂肪層和蛋白質(zhì)構(gòu)成，內(nèi)外兩層是蛋白質(zhì)，中間夾著脂肪層，因此要滲透微生物細(xì)胞膜需要有機(jī)抗菌劑具有親水性和親油性，例如對苯二甲酸分子里引入帶6個碳原子的側(cè)鏈可以提高對微生物的殺菌能力就是借助增加抗菌劑的親油性來提高其對微生物細(xì)胞的滲透力。有機(jī)抗菌劑品種繁多，各種微生物的菌體間也各不一樣，其作用機(jī)理也隨相互種類而異，一般可通過如下途徑：（1） 降低或消除微生物細(xì)胞內(nèi)各種代謝酶的活性，阻礙微生物的呼吸作用。微生物在呼吸時消耗糖類物質(zhì)、釋放能量維持細(xì)胞內(nèi)各種成分的合成和利用、能量儲存及轉(zhuǎn)化都涉及酶類物質(zhì)。如果抗菌劑進(jìn)入菌體后能和酶類物質(zhì)結(jié)合，

22、并在一定程度影響酶的活性，那能量代謝體系的運轉(zhuǎn)就會受到影響，呼吸作用也就被抑制或停止。如硫氰酸酯類化合物進(jìn)入菌體后就可和菌體內(nèi)酶分子中的巰基、氨基起作用，使之失活而產(chǎn)生抗菌效果。（2） 抑制孢子發(fā)芽時孢子的膨潤，阻礙核糖核酸的合成，破壞孢子的發(fā)芽，這一機(jī)理對抑制產(chǎn)生孢子的微生物有重要意義，尤其是對于防霉抑制霉菌生長和繁殖有重要意義。有機(jī)錫抗菌劑能通過該機(jī)理抑制微生物。（3） 加速磷酸氧化體系，破壞細(xì)胞正常生理機(jī)能。醌類抗菌劑通過該機(jī)理抑制微生物的生長繁殖。（4） 阻礙微生物的生物合成，干擾微生物生長和維持生命所需要的物質(zhì)的產(chǎn)生過程，部分有機(jī)抗菌劑能夠破壞核酸的正常生成，這當(dāng)然也就破壞了酶等蛋白

23、質(zhì)分子產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，進(jìn)而破壞了微生物的生長和繁殖。（5） 破壞細(xì)胞壁的合成。部分微生物如真菌有一層細(xì)胞壁，它是真菌等同外界進(jìn)行新陳代謝，保持內(nèi)部環(huán)境恒定的一種屏蔽物質(zhì)。真菌的細(xì)胞壁由幾丁質(zhì)（甲殼素）組成，部分有機(jī)抗菌劑對UDP-乙酰葡萄糖胺轉(zhuǎn)化酶起抑制作用，使待聚合的乙酰葡萄糖胺不能形成幾丁質(zhì)，細(xì)胞壁的形成受到破壞，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)外瀉，使微生物死亡。 （6） 阻礙類酯的合成。這是最近研究發(fā)現(xiàn)的一種新的有機(jī)抗菌劑作用機(jī)制，這種作用機(jī)制是日本理化學(xué)研究所在研究代森類、福美類有機(jī)抗菌劑時發(fā)現(xiàn)。研究人員發(fā)現(xiàn)部分有機(jī)抗菌劑對蛋白質(zhì)為基質(zhì)的呼吸作用影響不大，但對醋酸酯基的奪取有阻礙作用，其作用點為抑制微生物的類酯類化合物的合成系統(tǒng)，達(dá)到抑菌或殺菌的目的。參考文獻(xiàn)1 吳永紅，步平，陳霞等，日用化學(xué)品科學(xué)，1997；（3）：532 上海農(nóng)藥研究所，工業(yè)防霉劑產(chǎn)品簡介和使用說明，19953 Doug Smock，PLASTICS FORMULATION AND COMPOUNDING，1997：（2）：164 Anon. 機(jī)能材料（日），1995；15（7）：405 周麗莉，李繼