一种壳聚糖/纳米TiO₂复合材料及其制备方法和应用的制作方法

专利名称：一种壳聚糖/纳米TiO₂复合材料及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及抗菌复合材料技术领域,具体涉及一种壳聚糖/纳米TiO2复合材料及其制备方法和应用。
背景技术：
壳聚糖是由甲壳素经脱乙酰化处理后的产物，通常将脱乙酰度大于55%的甲壳素称作壳聚糖，其学名为聚氨基葡萄糖，化学名(I，4) -2-氨基-2-脱氧-β -D-葡萄糖，广泛存在于虾、蟹等动物外壳和藻类、真菌的细胞壁中。壳聚糖具有良好的生物相溶性，可生物降解性以及无毒副作用，其分子内含有-OH和-NH2-活性基团，易与多种有机物发生反应，目前广泛应用在工业、农业、医药、化工、环境保护和水处理等领域。 壳聚糖是一种抗菌谱较广的天然物质，对细菌、酵母菌和真菌等均有不同程度的抑制作用(Li et al. 2008, 2010a, b,2011a, b ；Fang et al. 2010 ；Lou et al. 2011 ； Al gamet al. 2011)。壳聚糖因其抗微生物活性已经被用于食品储藏(Rhoades et al. 2000 ；Duttaet al. 2009),绷带制造(Ueno et al. 2001)和抗菌纺织材料(Takai et al. 2002)上。壳聚糖在农业方面的应用主要是作为抗菌剂防治作物的病害，能防治多种真菌病害如芹菜枯萎病(Bell et al. 1998)，玫瑰花白粉病、霜霉病和灰霉病(Ben et al. 2003 ；ffojdyla 2001)，番茄疫病(Atia et al. 2005)，辣椒炭疽病(Photchanachai et al. 2006)，也能防治细菌病害如一品红叶斑病(Li et al. 2008)等。TiO2是目前最常用的光催化型抗菌剂，尤其是锐矿型Ti02。TiO2为无机成分，无毒、无味、无刺激性；热稳定性与耐热性好；自身为白色，且高温不变色、不分解；并且有即效性好、抗菌能力强、抗菌谱广、抗菌效果持久等优点。目前常用的TiO2抗菌剂多为超细的TiO2抗菌剂，效果更佳的是处于纳米级的TiO2抗菌剂。目前已在卫生保健，污水处理以及纺织行业等许多领域得到应用。壳聚糖和纳米TiO2在抑菌、抗菌方面有着各自独特的优良特性，因此对二者的研究和应用越来越多，但二者在单独使用时还存在不足壳聚糖作为抗菌剂添加到织物时，其微粒被包复在纤维芯部，有时会改变原有纤维的强度，拉力，弹力等性质，甚至使衣物出现发粘，变色的缺陷。纳米TiO2要经过紫外光照射才能发挥光催化杀菌作用，且纯纳米TiO2光催化效率较低。考虑到壳聚糖和纳米TiO2均有抑菌，抗菌作用，将二者复合形成的复合材料可能同时具备二者的优良性能，并可能克服单独使用时存在的缺点。公告号CN101210081B的发明专利公开了一种壳聚糖/ 二氧化钛复合材料的制备方法，它是将壳聚糖溶解在含醋酸的胶体二氧化钛溶液内或将壳聚糖用醋酸溶解后再与胶体二氧化钛溶液混合，通过搅拌，使壳聚糖均匀分散在TiO2胶体溶液内，从而得到均匀的壳聚糖/TiO2混合溶液；混合液内壳聚糖的质量百分比为I 10%，TiO2的质量百分比为O. 5 20% ;混合液体经脱气后进行固结制成壳聚糖/ 二氧化钛复合材料。该制备方法简单，原料价廉，来源丰富，TiO2以纳米尺寸均匀分布在复合材料内，但也存在一些不足
(I)步骤较多，需要制备胶体TiO2;且制备胶体TiO2过程中要用到浓硝酸或浓硫酸，安全性不高；(2)壳聚糖/TiO2混合液中壳聚糖的质量百分比为1-10%，TiO2的质量百分比为
O.5-20%，原料用量较大；(3)所制得的复合材料对真菌有良好的抑制作用，但未公开对细菌等其它微生物的抑制效果。水稻白叶枯病是目前威胁我国南方稻区水稻生产的重要细菌病害之一，在我国大
部分地区均有发生，一般减产10% -30%，严重可达50%以上。其病原菌-稻生 黄单胞菌
(Xanthomonas oryzae pv. oryzae)属于水稻黄单胞菌属下的一个致病变种,俗称水稻白叶枯病原菌。该病原菌菌体短杆状，大小1.0-2. 7X0. 5-1. O (μ m)，单生，单鞭毛，极生或亚极生，长约8. 7 μ m，直径30nm，革兰氏染色阴性，无芽孢和荚膜，菌体外具粘质的胞外多糖包围。在人工培养基上菌落蜜黄色，产生非水溶性的黄色素，好气性，呼吸型代谢，不同地区的菌株致病力不同。自然条件下，病菌可侵染栽培稻、野生稻、李氏禾、茭白等禾本科植物。病菌血清学鉴定分三个血清型1型是优势型，分布全国。II、III型仅存在于南方个别稻区。病菌生长温限17-33°C，最适25-30°C，最低5°C，最高40°C，病菌最适宜pH6. 5-7. O。

发明内容
本发明提供了一种壳聚糖/纳米TiO2复合材料的制备方法，操作简单，安全性好，能够制备获得结构稳定、加工性能好、光催化效率高、对水稻白叶枯病原菌抑制效果好的复合材料。一种壳聚糖/纳米TiO2复合材料的制备方法，包括将壳聚糖溶液与纳米TiO2粉末混合，用超声波分散处理后，于160-180°C下反应l_2h，制得壳聚糖/纳米TiO2复合材料；其中，壳聚糖溶液的浓度为O. 05-0. 2g/L，纳米TiO2粉末的添加量为O. 1-1. Og/L壳聚糖溶液。所述的壳聚糖溶液可以通过如下方法制备将壳聚糖加入乙酸溶液中，混匀，调节PH至5. 8-6. 2，震荡处理20-30h，制得壳聚糖溶液。通过该方法制备壳聚糖溶液，既有利于壳聚糖粉末的溶解，又不会使溶液酸性太强而产生腐蚀性。其中，所述的震荡转速可以为150-180rpm，有利于壳聚糖均匀溶解在乙酸溶液中。所述的壳聚糖的脱乙酰度优选在85%以上，易获得，成本较低。所述的纳米TiO2可以为锐钛型纳米TiO2,锐钛型纳米TiO2的粒子直径优选为10-15nm，可采用市售商品。锐钛型纳米TiO2热稳定性好、粒度均匀、分散性好、抗菌性强、抗菌效果持久。锐钛型纳米TiO2粒子直径一般在10-30nm之间，直径为10_15nm的锐钛型纳米TiO2能更好地分散在壳聚糖中形成稳定的复合物，使复合材料具有更好的抗菌效果。所述的壳聚糖溶液的浓度优选为O. 1-0. 2g/L，纳米TiO2粉末的添加量优选为
O.5-1. Og/L壳聚糖溶液。该用量下，原料配比合适，复合效果好，所制得的复合材料抗菌效果好。所述的超声波分散处理操作简单，能使纳米TiO2粉末均匀分散在壳聚糖溶液中，形成均一乳浊液。为了获得较好的超声效果，超声波频率优选为20-30KHZ，超声波功率优选为80-100W ;超声波分散处理时间优选为l_2min。所述的反应可以在高压釜中进行。高压釜密封程度合适，能使乳浊液以稳定的速度干燥，且具有加热迅速、耐高温、耐腐蚀、卫生、对环境污染少、不需锅炉自动加温和使用方便等特点，制得的复合材料结构均一、性能好。具体地，所述的制备方法可以包括如下步骤(I)将壳聚糖粉末溶解于体积百分比浓度为I %的乙酸水溶液中，混匀，使壳聚糖浓度达到10mg/ml ;然后调节pH至5. 8-6. 2，在室温下150_180rpm震荡20_30h，灭菌，得到壳聚糖溶液；(2)将壳聚糖溶液、纳米TiO2粉末和无菌水混合，用超声波处理l_2min，制得乳浊液；其中，壳聚糖溶液的浓度为O. 05-0. 2g/L，纳米1102粉末的添加量为O. 1-1. Og/L壳聚糖溶液；(3)将乳浊液置于高压釜中，密封后放入烘箱，于160°C _180°C下反应l_2h，制得壳聚糖/纳米TiO2复合材料。本发明提供了一种采用上述制备方法制得的壳聚糖/纳米TiO2复合材料。该复 合材料力学性能好，可用于制备纤维材料；同时，还具有一定的抗菌活性。本发明还提供了上述壳聚糖/纳米TiO2复合材料在抑制水稻白叶枯病原菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzae)生长中的应用。试验证明，壳聚糖/纳米TiO2复合材料能有效抑制水稻白叶枯病原菌的生长。优选地，所述的水稻白叶枯病原菌的胞外多糖(EPS)被提取去除。胞外多糖是菌体生长代谢过程中分泌到细胞壁外的次级代谢物，对细胞具有一定的屏蔽、保护作用，被去除EPS的水稻白叶枯病原菌对壳聚糖/纳米TiO2复合材料的敏感性显著增强，更容易被抑制。另外，经壳聚糖/纳米TiO2复合材料处理过的EPS，分子结构发生改变，蛋白质含量明显降低，表明该复合材料能氧化分解水稻白叶枯病原菌的EPS，减少细菌屏障，使复合材料能直接作用于细菌细胞膜。为了进一步提高抗菌活性，所述的应用可以包括如下步骤在光照条件下，将水稻白叶枯病原菌接种到壳聚糖/纳米TiO2复合材料中，于25-30°C培养4-10h。黑暗条件下，复合材料只表现与纯壳聚糖接近的抗菌活性；光照射能使复合材料发挥较强的光催化杀菌作用，且光催化效率较高。本发明还提供了一种防治水稻白叶枯病的方法，包括将上述壳聚糖/纳米TiO2复合材料加入水中制成乳浊液，喷洒在水稻上。水稻自然生长过程中，喷施含有壳聚糖/纳米TiO2复合材料的水剂，能有效防治水稻白叶枯病。所述的乳浊液中壳聚糖/纳米TiO2复合材料的浓度优选为0. 1-0. 5g/L。所述的乳浊液的喷洒量优选为0. 5-2. OmL/株，对病害防治效果最好。本发明以壳聚糖和纳米TiO2为原料，通过合适的工艺制备获得了壳聚糖/纳米TiO2复合材料，采用本发明方法，具有如下有益效果(I)本发明制备方法所需的原料易得、工艺简单、安全性好；能使纳米TiO2均匀分散在壳聚糖中，原料复合程度合适。(2)采用本发明方法制得的壳聚糖/纳米TiO2复合材料结构稳定；相比壳聚糖，具有更好的力学性能和加工性能，用于制备纤维材料，不会影响原有纤维的力学性质。(3)本发明的壳聚糖/纳米TiO2复合材料能有效分解水稻白叶枯病原菌的胞外多糖，对水稻白叶枯病原菌(特别是去除胞外多糖的水稻白叶枯病原菌)具有抗菌活性；特别地，在光照条件下抗菌活性显著增强，相比纳米TiO2，光催化效率更高。以该复合材料用于水稻自然栽培过程中，能有效防治白叶枯病，应用前景广泛。


图I为本发明实施例4中壳聚糖/纳米TiO2复合材料红外光谱图；图2为本发明实施例6中EPS提取前后细胞扫描电镜照片，其中图a为未经阳离子交换树脂提取EPS的Xoo细胞扫描电镜照片，图b为经过阳离子交换树脂提取EPS的Xoo细胞扫描电镜照片；图3为本发明实施例7中EPS提取前后Xoo对壳聚糖及壳聚糖/纳米TiO2复合材料敏感性的对比图；图4为本发明实施例8中Xoo的EPS红外光谱图，其中图A为未经处理的Xoo的 EPS红外光谱图，图B为经壳聚糖/纳米TiO2处理的Xoo的EPS红外光谱图，图C为经纳米TiO2处理的Xoo的EPS红外光谱图，图D为经壳聚糖处理的Xoo的EPS红外光谱图。
具体实施例方式以下实施例中，所用的水稻白叶枯病原菌(Xanthomonas oryzae pv. Oryzae,Xoo)由南京农业大学植保系农业部病虫监测与治理重点开放实验室惠赠；所用的壳聚糖的脱乙酰度为85%，购于美国Sigma公司；所用的纳米TiO2购于杭州万景新材料有限公司，锐钛型，粒子直径10_15nm。实施例I制备壳聚糖溶液取脱乙酰度为85%的壳聚糖粉末溶解于体积百分比为I %的乙酸水溶液中，配制成壳聚糖浓度为10mg/ml的溶液；用NaOH调节pH至6. 0，在室温下160rpm震荡24h ;用高压灭菌锅121°C灭菌20min，4°C保存待用。实施例2壳聚糖/纳米TiO2复合材料配制取适量的壳聚糖溶液和纳米TiO2粉末按表I的添加比例混合，用超声波分散处理Imin,使TiO2粉末完全分散在壳聚糖溶液里，配制成壳聚糖/纳米TiO2的乳浊液。将乳浊液移至高压釜中，密封后放入烘箱，在160°C _180°C反应2h，然后置于4°C冰箱待用。表I不同浓度的壳聚糖/纳米TiO2复合材料配制
权利要求
1.一种壳聚糖/纳米TiO2复合材料的制备方法，包括将壳聚糖溶液与纳米TiO2粉末混合，用超声波分散处理后，于160-180°c下反应l_2h，制得壳聚糖/纳米TiO2复合材料； 其中，壳聚糖溶液的浓度为O. 05-0. 2g/L，纳米TiO2粉末的添加量为O. 1-1. Og/L壳聚糖溶液。
2.根据权利要求I所述的制备方法，其特征在于，所述的壳聚糖溶液通过如下方法制备将壳聚糖加入乙酸溶液中，混匀，调节PH至5. 8-6. 2，震荡处理20-30h，制得壳聚糖溶液。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的壳聚糖的脱乙酰度在85%以上。
4.根据权利要求I所述的制备方法，其特征在于，所述的纳米TiO2为锐钛型纳米TiO2,锐钛型纳米TiO2的粒子直径为10-15nm。
5.一种采用如权利要求1-4任一所述的制备方法制得的壳聚糖/纳米TiO2复合材料。
6.如权利要求5所述的壳聚糖/纳米TiO2复合材料在抑制水稻白叶枯病原菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzae)生长中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，包括在光照条件下，将水稻白叶枯病原菌接种到壳聚糖/纳米TiO2复合材料中，于25-30°C培养4-10h。
8.一种防治水稻白叶枯病的方法，其特征在于，包括将如权利要求5所述的壳聚糖/纳米TiO2复合材料加入水中制成乳浊液，喷洒在水稻上。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的乳浊液中壳聚糖/纳米TiO2复合材料的浓度为O. 1-0. 5g/L。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的乳浊液的喷洒量为O.5-2. OmL/株。
全文摘要
本发明公开了一种壳聚糖/纳米TiO2复合材料及其制备方法和应用，该制备方法包括将壳聚糖溶液与纳米TiO2粉末混合，用超声波分散处理后，于160-180℃下反应1-2h，制得壳聚糖/纳米TiO2复合材料；其中，壳聚糖溶液的浓度为0.05-0.2g/L，纳米TiO2粉末的添加量为0.1-1.0g/L壳聚糖溶液。本发明的制备方法操作简单，安全性好，能使纳米TiO2均匀分散在壳聚糖中。采用该方法制得的壳聚糖/纳米TiO2复合材料结构稳定，具有较好的力学性能和加工性能，可用于制备纤维材料；且该复合材料能有效分解水稻白叶枯病原菌的胞外多糖，对水稻白叶枯病原菌具有抗菌活性，光催化效率高，用于水稻栽培中能有效防治水稻白叶枯病。
文档编号C08L5/08GK102816349SQ20121030663
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者李斌, 周青, 单长林, 邱慧, 谢关林 申请人:浙江大学