一种改性伊利石负载纳米银抑菌材料及其制备方法与流程

本发明属于化学工程与技术领域，特别是涉及到一种改性伊利石负载纳米银抑菌材料及其制备方法。

背景技术：

伊利石作为一种富钾高铝且储量丰富的粘土矿物，经不同方式的处理被广泛应用于塑料，造纸，化妆品，橡胶，废水处理，重金属吸附等领域。如何将其高效利用，成为近年来学者们探讨的问题之一。纳米银粒子具有很高的表面活性、抑菌性能和催化性能被广泛应用于催化材料、电池电极材料、低温导热材料、导电浆料、抗菌材料、医用材料。目前已有学者尝试用不同方法将银离子还原成纳米银，并与其它材料复合来制备抗菌材料。但纳米银与伊利石的结合尚属空白，因此将伊利石与纳米银粒子结合制备一种新型纳米抗菌材料，将具有巨大的开发潜力和应用价值。利用伊利石易于分散在水溶液中，具有一定的吸附性，将纳米银负载到伊利石上，可形成具有捕捉催杀细菌病毒的功能。但是普通伊利石吸附银离子仅依靠自身的电负性，结合能力较弱，同时在还原成纳米银的过程中容易发生团聚，致使纳米银粒径增大，抑菌效果降低，不利于载银伊利石的应用。

因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种改性伊利石负载纳米银抑菌材料及其制备方法，制备的铵伊利石与伊利石原矿相比具有很好的吸附性能和离子交换能力，用于解决普通伊利石吸附银离子结合能力较弱，同时在还原成纳米银的过程中容易发生团聚，抑菌效果降低等技术问题。

一种改性伊利石负载纳米银抑菌材料，由改性铵伊利石和硝酸银溶液混合进行还原反应，获得的固体粉末研磨后制得。

一种改性伊利石负载纳米银抑菌材料的制备方法，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行：

步骤一、取伊利石加入去离子水中，于40℃下水浴搅拌2h制备悬浮液，其中伊利石与去离子水的质量比为(3～5):(40～50)；

所得悬浮液静止浮选24h后，倒弃上层清液，将所得产物置于循环水式多用真空泵中进行抽滤，将抽滤后的滤饼用去离子水清洗，干燥，研磨，得到浮选后伊利石粉末；

取15g浮选后伊利石粉末，加入150ml质量分数为30％的氨水混合搅拌1h，将所得浆液转移至反应釜中，进行水热合成反应，反应结束后自然冷却至室温，所得的固液混合物置于高速离心机中离心，将离心后的粉末用去离子水清洗，干燥，研磨，得到铵伊利石粉末；

步骤二、取10g所述步骤一中获得的铵伊利石粉末和3g改性剂聚乙烯吡咯烷酮，分别分散于100ml蒸馏水中，将两者于70℃下混合搅拌1h后，置于循环水式多用真空泵中进行抽滤，将抽滤后的滤饼用去离子水清洗，干燥，研磨，获得改性铵伊利石粉末；

步骤三、将5g所述步骤二中获得的改性铵伊利石粉末加入到20ml硝酸银溶液中，硝酸银溶液的浓度为0.2mol/l～0.5mol/l，在70℃下搅拌1h；静止1h后倒弃上层清液，将下层的固液混合物置于常压微波化学反应器中，进行微波反应，得到产物用去离子水洗涤至滤液不含银离子，置于紫外灯下，用365nm波长照射48h，研磨获得改性铵伊利石负载纳米银的抑菌材料。

所述步骤一中将浮选所得产物置于循环水式多用真空泵中进行抽滤15min～25min，将抽滤后的滤饼用去离子水清洗3次～5次，置于鼓风干燥箱中110℃下干燥12h后研磨，得到平均粒径为1068.3nm，累计粒度分布百分数达到50％对应的粒径为877.7nm的浮选后伊利石粉末；

所述步骤一中水热合成反应温度为250℃～300℃，水热合成反应的时间为0.5h～4h，所得的固液混合物置于高速离心机中离心3次～5次，将离心后的粉末用去离子水清洗3次～5次，置于真空干燥箱中真空110℃下干燥12h后研磨，得到平均粒径为884.8nm，累计粒度分布百分数达到50％对应的粒径为630.7nm的铵伊利石粉末。

所述步骤二中的改性剂还为胱氨酸。

所述步骤二中循环水式多用真空泵抽滤15min～25min，将抽滤后的滤饼用去离子水清洗3～5次，放入真空干燥箱，真空110℃烘干12h后研磨，获得平均粒径为875.7nm，累计粒度分布百分数达到50％对应的粒径为642.7nm的改性铵伊利石粉末；

所述步骤三中常压微波化学反应器的功率为200w～400w，微波反应时间为5min～30min。

所述步骤三中改性铵伊利石负载纳米银的抑菌材料的平均粒径为850nm～880nm，累计粒度分布百分数达到50％对应的粒径为640nm～650nm。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

本发明制备的铵伊利石与伊利石原矿相比具有很好的吸附性能和离子交换能力。最终获得的改性伊利石负载纳米银抑菌材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均表现出良好的抑菌效果，且纳米银在伊利石表面分布均匀，粒径均一，可广泛应用于制备各种涂料、塑料和化妆品等抗菌产品，具有十分广阔的应用前景。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1为本发明中一种改性伊利石负载纳米银抑菌材料的制备方法流程示意图。

图2为本发明实施例三中水热合成铵伊利石的xrd图。

图3为本发明实施例三中水热合成铵伊利石的红外吸收谱图。

图4为本发明实施例三中水热合成铵伊利石的sem图。

图5为本发明实施例三中改性伊利石负载纳米银抑菌材料的xrd图。

图6为本发明实施例三中改性伊利石负载纳米银抑菌材料的tem图。

图7为本发明实施例三中对金黄色葡萄球菌的抑菌试验效果图。

图8为本发明实施例三中对大肠杆菌的抑菌试验效果图。

图中，a为伊利石原石的x射线衍射曲线，b为水热合成铵伊利石的x射线衍射曲线，c为伊利石原石的红外吸收曲线，d为水热合成铵伊利石的红外吸收曲线，e为改性伊利石负载纳米银抑菌材料的x射线衍射曲线。

具体实施方式

一种改性伊利石负载纳米银抑菌材料，由改性铵伊利石和硝酸银溶液混合进行还原反应，获得的固体粉末洗涤后置于紫外灯下48小时自然干燥，研磨后制得。

实施例一：

一种改性伊利石负载纳米银抑菌材料的制备方法，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行：

步骤一、取伊利石加入去离子水中，于40℃下水浴搅拌2h制备悬浮液，其中伊利石与去离子水的质量比为3:40；

所得悬浮液静止浮选24h后，倒弃上层清液，将所得产物置于上海豫康shb-ⅲa型循环水式多用真空泵中进行抽滤15min，抽滤后的滤饼用去离子水清洗3次，直至伊利石原矿中的杂质全部被洗掉。将得到的样品置于上海新苗dhg-9073bs-ⅲ型电热恒温鼓风干燥箱中110℃下干燥12h后研磨，得到平均粒径为1068.3nm，d(50)为877.7nm的浮选后伊利石粉末，其中d(50)表示一个样品的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径。

取15g浮选后的伊利石粉末，加入150ml质量分数为30％的氨水混合搅拌1h，将所得浆液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，250℃下反应0.5h，反应结束后自然冷却至室温。所得的固液混合物置于湖南湘仪tg16-ws型台式高速离心机中离心3次，离心后的粉末用去离子水清洗3次，最终置于真空干燥箱中110℃下干燥12h后研磨，得到平均粒径为884.8nm，d(50)为630.7nm的铵伊利石粉末；

步骤二、取10g铵伊利石粉末和3g聚乙烯吡咯烷酮(pvp)作为改性剂分别分散于100ml蒸馏水中，将两者于70℃下混合搅拌1h后，置于上海豫康shb-ⅲa型循环水式多用真空泵中进行抽滤15min，抽滤后的滤饼用去离子水清洗3次，获得的样品放入真空干燥箱，真空110℃烘干12h后研磨，获得改性铵伊利石粉末；

步骤三、将5g所述步骤二中获得的改性铵伊利石粉末加入到20ml，0.2mol/l的硝酸银溶液中，在70℃下搅拌1h；静止1h后倒弃上层清液，将样品置于巩义予华mcr-3型常压微波化学反应器中，在200w下反应5min，得到产物用去离子水洗涤至滤液不含银离子，最终置于紫外灯下，用365nm波长照射48h，经研磨获得平均粒径为850～880nm，d(50)为640～650nm的改性铵伊利石负载纳米银的抑菌材料。

所述步骤二中的改性剂还可以为胱氨酸。

因有两种改性剂，pvp改性铵伊利石载银,记为ag-p-n的平均粒径为873.2nm,d(50)为649.3nm。胱氨酸改铵伊利石载银，记为ag-c-n的平均粒径为857.8nm,d(50)为648.3nm。

实施例二：

一种改性伊利石负载纳米银抑菌材料的制备方法，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行：

步骤一、取伊利石加入去离子水中，于40℃下水浴搅拌2h制备悬浮液，其中伊利石与去离子水的质量比为5:50；

所得悬浮液静止浮选24h后，倒弃上层清液，将所得产物置于上海豫康shb-ⅲa型循环水式多用真空泵中进行抽滤20min，抽滤后的滤饼用去离子水清洗5次，直至伊利石原矿中的杂质全部被洗掉。将得到的样品置于上海新苗dhg-9073bs-ⅲ型电热恒温鼓风干燥箱中110℃下干燥12h后研磨，得到平均粒径为1068.3nm，d(50)为877.7nm的浮选后伊利石粉末，其中d(50)表示一个样品的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径。

取15g浮选后的伊利石粉末，加入150ml质量分数为30％的氨水混合搅拌1h，将所得浆液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，300℃下反应4h，反应结束后自然冷却至室温。所得的固液混合物置于湖南湘仪tg16-ws型台式高速离心机中离心4次，离心后的粉末用去离子水清洗5次，最终置于真空干燥箱中110℃下干燥12h后研磨，得到平均粒径为884.8nm，d(50)为630.7nm的铵伊利石粉末；

步骤二、取10g铵伊利石粉末和3g胱氨酸作为改性剂分别分散于100ml蒸馏水中，将两者于70℃下混合搅拌1h后，置于上海豫康shb-ⅲa型循环水式多用真空泵中进行抽滤20min，抽滤后的滤饼用去离子水清洗5次，获得的样品放入真空干燥箱，真空110℃烘干12h后研磨，获得改性铵伊利石粉末；

步骤三、将5g所述步骤二中获得的改性铵伊利石粉末加入到20ml，0.5mol/l的硝酸银溶液中，在70℃下搅拌1h；静止1h后倒弃上层清液，将样品置于巩义予华mcr-3型常压微波化学反应器中，在400w下反应30min，得到产物用去离子水洗涤至滤液不含银离子，最终置于紫外灯下，用365nm波长照射48h，经研磨获得平均粒径为850～880nm，d(50)为640～650nm的改性铵伊利石负载纳米银的抑菌材料。

实施例三：

一种改性伊利石负载纳米银抑菌材料的制备方法，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行：

步骤一、取伊利石加入去离子水中，于40℃下水浴搅拌2h制备悬浮液，其中伊利石与去离子水的质量比为4:45；

所得悬浮液静止浮选24h后，倒弃上层清液，将所得产物置于上海豫康shb-ⅲa型循环水式多用真空泵中进行抽滤25min，抽滤后的滤饼用去离子水清洗4次，直至伊利石原矿中的杂质全部被洗掉。将得到的样品置于上海新苗dhg-9073bs-ⅲ型电热恒温鼓风干燥箱中110℃下干燥12h后研磨，得到平均粒径为1068.3nm，d(50)为877.7nm的浮选后伊利石粉末，其中d(50)表示一个样品的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径。

取15g浮选后的伊利石粉末，加入150ml质量分数为30％的氨水混合搅拌1h，将所得浆液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，280℃下反应2h，反应结束后自然冷却至室温。所得的固液混合物置于湖南湘仪tg16-ws型台式高速离心机中离心5次，离心后的粉末用去离子水清洗4次，最终置于真空干燥箱中110℃下干燥12h后研磨，得到平均粒径为884.8nm，d(50)为630.7nm的铵伊利石粉末；

步骤二、取10g铵伊利石粉末和3g聚乙烯吡咯烷酮(pvp)作为改性剂分别分散于100ml蒸馏水中，将两者于70℃下混合搅拌1h后，置于上海豫康shb-ⅲa型循环水式多用真空泵中进行抽滤25min，抽滤后的滤饼用去离子水清洗5次，获得的样品放入真空干燥箱，真空110℃烘干12h后研磨，获得改性铵伊利石粉末；

步骤三、将5g所述步骤二中获得的改性铵伊利石粉末加入到20ml，0.4mol/l的硝酸银溶液中，在70℃下搅拌1h；静止1h后倒弃上层清液，将样品置于巩义予华mcr-3型常压微波化学反应器中，在300w下反应10min，得到产物用去离子水洗涤至滤液不含银离子，最终置于紫外灯下，用365nm波长照射48h，经研磨获得平均粒径为850～880nm，d(50)为640～650nm的改性铵伊利石负载纳米银的抑菌材料。

对获得的抑菌材料进行表征和抑菌性能测试：

普通伊利石吸附银离子的过程中仅依靠自身的电负性，结合能力较弱，载银量低。同时在还原成纳米银的过程中容易发生团聚，致使纳米银粒径增大，抑菌效果降低，不利于载银伊利石的应用。因此，伊利石的载银量很大程度受控于伊利石的吸附性和离子交换能力。实验结果表明普通伊利石的载银量仅为2.09％，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌基本无抑菌效果。同时采用合理的方法，将银离子均匀、彻底的还原成纳米银也是制备改性伊利石负载纳米银抑菌材料的一个重要因素。

在实验中将伊利石和氨水混合后在反应釜中进行水热反应来合成铵伊利石，目的是增强伊利石的吸附性能和离子交换能力。通过加入胱氨酸对铵伊利石进行改性，使伊利石对于银离子的吸附不再是单一依靠自身吸附性，还有化学配位，提高了银离子在伊利石表面的负载量。最后采用微波辅助和紫外还原的方法将银离子均匀的还原成纳米银。

伊利石是单斜晶系的硅酸盐矿物，晶体结构类似于白云母，属于2﹕1型结构单元层的二八面体型。所对应的pdf卡片为no:26–0911，图2中在2θ分别为8.83°17.65°和45.18°处有三个明显的衍射峰,衍射峰位置与pdf卡上数据一致，所对应的晶面为[002],[004]和[006]。同时与原样相比可以清楚的看出，铵伊利石的xrd图谱中除了衍射峰的强弱有所不同之外，衍射峰角度均向小角度发生了不同程度的偏移。根据布拉格方程2dsinθ＝nλ，其中，d为晶面间距，θ为入射束与反射面之间的夹角，n为衍射级数，λ为x射线的波长。等式右边不变，当θ变小时，晶面间距d变大。可知，铵伊利石的原子间键长、键角及键能等发生变化，导致晶格结构不断调整、变形、层间距变大。

伊利石晶格中广泛存在着异价类质的同象置换，即晶胞中的高价阳离子可被低价阳离子置换，导致电荷失衡，形成层间负电荷，产生电势差。这时伊利石晶层中的化学键更偏向于离子键，伊利石晶胞成为一个“大负离子”，通过静电吸附低价阳离子保持电价平衡，因此具有一定的离子交换能力和吸附性能。通过图3可以看出伊利石原矿和铵伊利石均在1033cm^-1和775cm^-1处出现吸收峰，这分别归属于si-o和al-o的伸缩振动峰，而铵伊利石在3330cm^-1、3064cm^-1、2864cm^-1和1417cm^-1处出现nh4+的特征吸收峰，表明水热反应过程中nh4+进入到了伊利石的夹层中。而nh4⁺较h⁺、k⁺、na⁺和li⁺等相比具有更强的交换能力，能够更好的置换出伊利石二八面体中的si⁴⁺、al³⁺和ca²⁺等高价阳离子。特别是ca²⁺与伊利石晶格的结合能力较弱，水化能低，所以更容易被置换出去。这使得合成的铵伊利石具有更强的离子交换能力和吸附性能。

伊利石原样是一种呈堆砌式的成晶方式，片层之间紧密堆叠且间距狭小，因此限制了伊利石的离子交换能力和吸附性能。从图4铵伊利石的sem图可以观察到，铵伊利石层与层之间的距离变大，这与图2中衍射峰位置向小角度偏移的规律相吻合。而且铵伊利石表面发生了翘曲，结构较为疏松，整体结构更为立体，呈一种类似花瓣状的结构。bet测试结果显示，原样的比表面积为5m²/g，合成铵伊利石的比表面积达到20m²/g，是原样的4倍。

从图5改性伊利石负载纳米银抑菌材料的xrd图中可以看出，衍射角2θ在38.34°、44.22°、64.42°、77.38°处分别出现4个特征衍射峰。各峰值与银标准的pdf(no87-0597)卡上数据一致，分别对应着立方晶系单质银[111]、[200]、[220]和[311]晶面的衍射。说明微波辅助、紫外还原制备的纳米银是具有面心立方结构的纳米银粒子。同时图中各衍射峰较为尖锐，半宽高小，图谱中基线相对平稳，表明负载的纳米银结晶性能良好。而且在xrd图谱中未见ag2o的特征衍射峰，可见本实验条件下银离子还原成纳米银较为彻底。

通过电感耦合等离子(icp)对样品的载银量进行测试，改性伊利石负载纳米银抑菌材料的载银量为27.66％，与伊利石原矿的载银量(2.09％)相比得到很大的提升。一方面是因为水热合成的铵伊利石的比表面积变大，吸附性能明显提高，因此能够吸附更多的银离子。另一方面是因为根据pearson的软硬酸碱理论，胱氨酸分子中的含硫基团归属于软碱容易和属于软酸的银配位，形成较强键结，使得改性伊利石对纳米银的吸附不单单依靠自身的吸附性还有化学配位。因此本发明制备的改性伊利石负载纳米银抑菌材料具有较高的载银量。从图6抑菌材料的tem图中可以看出，改性伊利石负载的纳米银颗粒基本呈现球形，粒径大小在5nm～30nm之间，而且在伊利石表面的分布比较均匀，说明通过紫外灯辐照来还原纳米银过程比较温和，不会迅速形成大量的纳米银颗粒，因此不容易发生团聚。获得的纳米银粒径较为均一，在改性伊利石表面的分布也更均匀。

对制备的抑菌材料进行抑菌圈实验，选取大肠杆菌和金黄色葡萄球菌作为革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的代表。从图7和图8中可以看出本发明制备的改性伊利石负载纳米银抑菌材料对这两种细菌均表现出良好的抑菌性能，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌尺寸分别达到5.68mm和6.84mm。这是因为一方面伊利石中负载的纳米银颗粒能够破坏细菌的细胞膜，造成胞内物质的渗漏和流失，使dna无法随机分布在细胞的核区内呈浓缩的紧张态，不能有效的进行复制。从而引起dna的降解，生物体的死亡，抑制了细菌的生长繁殖。另一方面纳米银粒子释放出微量银离子能与细菌中的酶蛋白的疏基相结合，降低了生物活性酶的活性，同时可激活空气或者水中的氧，产生活性氧离子，与细菌及多种有机物发生氧化反应，导致dna链中的碱基之间的磷酸二酯键断裂，破坏微生物细胞dna复制，起到多重抑制或杀灭细菌的作用。因此使得这种新型纳米抗菌材料表现出很好的抑菌性能，在各种涂料、塑料和化妆品等抗菌产品的制备上具有十分广阔的应用前景。