具有抗微生物特性的氧化石墨烯、其制备方法及其用于赋予橡胶制品抗微生物特性的用途与流程

本发明涉及具有抗微生物特性的氧化石墨烯、其制备方法及其用于赋予橡胶制品抗微生物特性的用途。

背景技术：

1、众所周知，在许多技术领域，需要具有抗微生物特性，特别是抗菌特性的橡胶制品，其作用随时间延长。例如，这样的制品包括医疗器械，如手套、导管、外科引流管，以及日常制品，如浴帽、床垫和玩具。该技术问题的一个解决方案是生产含有分散在橡胶基质中的抗微生物剂的橡胶制品，该制品在长时间内释放抗微生物剂。

2、在现有技术中，已知基于石墨烯的材料，尤其是氧化形式的材料(氧化石墨烯)能够对多种微生物(包括细菌和真菌)发挥有效的抗微生物作用。

3、在cn108948386a、cn107022124a中描述了引入氧化石墨烯作为抗微生物剂的抗微生物橡胶制品(例如外科手套)的实例。

4、石墨烯是一种二维纳米材料，其由排列成六边形单元结构(也称为“蜂窝”)的单层sp2杂化碳原子组成。

5、氧化石墨烯可以使用hummers i方法(w.s.hummers,r.e.offeman,j.am.chem.soc.1958,80,1339)从石墨开始制备。根据该方法，石墨在由硫酸、高锰酸钾和硝酸钠的混合物形成的液相中暴露于强氧化条件下，导致形成氧化石墨烯。hummers方法的多种变体也是已知的，其中使用了比原始方法危险性更低的试剂，并且不释放有毒化合物。

6、用hummers方法获得的产物是纳米片形式的氧化石墨烯，其含有可变数量的堆叠氧化石墨烯层。通常，如此获得的氧化石墨烯用含氧基团如羟基、羰基和环氧基团官能化，这使其亲水并有利于形成稳定的水分散体。

7、基于hummers方法及其改进的已知现有技术制备方法的缺点是相当复杂的，由于非常苛刻的反应条件和所需的试剂类型，实施起来很危险，而且昂贵且对环境影响大。此外，通过这些方法获得的氧化石墨烯具有高度可变的抗微生物性质，这些性质强烈依赖于所采用的合成条件。然而，由于尚不清楚氧化石墨烯的抗微生物特性如何依赖于合成变量，因此很难优化这些工艺来可重复地制备具有期望的抗菌特性的氧化石墨烯。

8、申请人进一步观察到，通过hummers型方法生产的市售氧化石墨烯，当掺入到橡胶制品中时，具有有限的抗微生物功效，并且其作用在相当短的时间内被耗尽，大概是因为源自合成过程的锰杂质阻碍了产生抗微生物效果的氧化物质的形成。

9、还观察到，通常用于赋予橡胶抗微生物特性的其它抗微生物剂，例如季铵盐(例如苯扎氯铵)也表现出抗微生物作用的过度快速消失。

10、本领域中已知的氧化石墨烯及其制备技术的缺点和不足是大规模传播掺入氧化石墨烯作为抗微生物剂的抗菌橡胶制品的主要限制。

11、考虑到上述现有技术，因此感觉需要制备氧化石墨烯的可用方法，该方法允许以简单、经济且可重复的方式获得具有有效抗微生物作用的产品，特别是当用于生产抗微生物橡胶制品时。还希望这样的橡胶制品的抗微生物作用在长时间内得到保证。

技术实现思路

1、申请人现已发现，将在下面进一步解释的这一目的和其它目的可以通过一种制备方法来实现，该方法包括通过高剪切混合对石墨的水分散体进行至少一个石墨剥离步骤，以及用过氧化氢(h2o2)和/或氢氧化钾(koh)对其进行一个氧化步骤，其中混合在等于或大于3000rpm的混合速度下进行；获得石墨烯的石墨剥离步骤可以在获得氧化形式的石墨烯的氧化步骤之前、之后或与其一起进行。出于本发明的目的，氧化步骤在被氧化的基底(即石墨烯或石墨)上引入含氧基团，例如羟基、羰基和环氧基团。

2、在一个实施方案中，通过至少包含过氧化氢(h2o2)和/或氢氧化钾(koh)的水溶液对石墨进行氧化步骤，以获得氧化石墨，随后，通过高剪切混合对氧化石墨的水分散体进行剥离。

3、在另一个实施方案中，通过高剪切混合对石墨的水分散体进行剥离以获得石墨烯，随后，通过至少包含过氧化氢(h2o2)和/或氢氧化钾(koh)的水溶液对如此获得的石墨烯的水分散体进行氧化步骤以获得氧化石墨烯。

4、在一个优选的实施方案中，石墨氧化和剥离步骤同时进行，即通过使石墨在过氧化氢和/或氢氧化钾水溶液中的分散体进行高剪切应力混合。

5、已经观察到，上述剥离-氧化方法除了易于实施和经济之外，还使得可以获得具有抗微生物性质，特别是抗菌性质的氧化石墨烯，并且具有高度的可再现性。

6、此外，由此获得的氧化石墨烯具有比用hummers方法获得的商业产品更高的抗微生物作用，甚至当掺入到橡胶制品中时也是如此。

7、此外，可通过本文所述的本发明方法获得的氧化石墨烯不含可能影响后续用途的高锰酸钾杂质。

8、此外，这样获得的氧化石墨烯的特征在于含氧基团的存在仅位于石墨层(eogo)的暴露位置(主要在横向边缘)。

9、此外，用本文所述方法获得的氧化石墨烯形成稳定的水分散体，甚至在不存在稳定化合物(例如表面活性剂)的情况下，并且容易与天然和合成橡胶胶乳混合。因此，它可有利地用于从橡胶胶乳开始生产抗微生物橡胶制品。

10、还观察到氧化石墨烯可以有利地与其它常规抗微生物物质一起掺入到橡胶胶乳中，与它们形成稳定的加合物，延长橡胶制品的抗微生物作用。

11、因此，根据第一方面，本发明涉及根据权利要求1所述的制备氧化石墨烯的方法。

12、根据第二方面，本发明涉及根据权利要求10所述的可通过前述方法获得的氧化石墨烯。

13、根据第三方面，本发明涉及根据权利要求11所述的橡胶胶乳组合物，其包含前述氧化石墨烯。

14、根据第四方面，本发明涉及根据权利要求15所述的抗微生物橡胶制品，其包含前述氧化石墨烯。

15、根据第五方面，本发明涉及根据权利要求17所述的前述氧化石墨烯用于赋予橡胶抗微生物特性的用途。

16、根据第六方面，本发明涉及根据权利要求18所述的生产抗微生物橡胶制品的方法。

17、从属权利要求限定了本发明上述方面的附加特征。

18、根据以下描述，根据本发明的方法的特征和优点将变得更加显而易见。提供实施方案的描述和以下实例的唯一目的是说明本发明，并且不应理解为在某种意义上限制由所附权利要求限定的保护范围。

19、在本说明书和权利要求中表达的界限和数值区间还包括提及的一个或多个数值。此外，界限或数值区间的所有值或子区间应被理解为被明确包括，如同它们被明确提及一样。

20、根据本发明的组合物可以“包括”本说明书和所附权利要求中描述的必要和任选的组分、“由其组成”或“基本上由其组成”。

21、出于本说明书和所附权利要求的目的，术语“基本上由...组成”是指组合物或组分可以包括附加的成分，但是仅限于附加的成分不实质上改变组合物或组分的基本特性的程度。

22、出于本说明书和所附权利要求的目的，术语石墨烯和氧化石墨烯应根据iso/ts80004-13:2017(nanotechnologies-vocabulary-part 13:graphene and related two-dimensional(2d)materials)中给出的定义来理解。

23、出于本说明书和所附权利要求的目的，术语“抗微生物剂”是指能够杀死微生物或抑制其增殖，因此具有杀菌和/或抑菌能力的物质。

24、根据本发明，从石墨开始制备氧化石墨烯(go)的方法包括通过将石墨与包含至少一种选自过氧化氢(h2o2)、氢氧化钾及其混合物的氧化剂的水溶液(氧化溶液)接触来氧化石墨的步骤。

25、在一个特别优选的实施方案中，通过高剪切混合的剥离直接在起始(starting)石墨在过氧化氢和/或氢氧化钾中的分散体上进行。事实上，发现由此获得的氧化石墨烯具有更高的抗微生物作用。

26、起始石墨优选是具有高表面积(hsag)，并且在结构层内具有高结晶有序度的石墨。优选地，通过astm d 6556方法测定的石墨的表面积在330至500m2/g的范围内。

27、优选地，石墨具有乱层结构，堆叠层数相对低，例如30至40(大约35)。优选地，石墨层的横向尺寸为约300至400nm，这可以例如通过高分辨率电子显微镜分析来估计。

28、石墨优选具有等于或大于99重量％的碳含量。例如，通过元素分析确定的石墨的化学组成可以如下：碳(99.5％重量/重量)、氢(0.4％重量/重量)、氮0.1％(重量/重量)。

29、在一个优选实施方案中，氧化剂是过氧化氢(h2o2)。优选地，含有h2o2的水溶液以h2o2的重量相对于溶液的重量的百分比表示的浓度在10％至50％，优选20％至40％，甚至更优选25％至35％的范围内使用。任选地，氧化溶液还可以含有乙酸。

30、乙酸作为添加剂与h2o2结合可能是有利的，因为乙酸与h2o2结合可以形成过乙酸，其作为氧化剂和抗菌剂都是非常活性的。

31、在一个优选实施方案中，氧化剂是氢氧化钾(koh)。优选地，含有koh的水溶液以koh的重量相对于溶液的重量的百分比表示的浓度在1％至25％，优选5％至20％的范围内使用。

32、在一个实施方案中，氧化剂由h2o2或koh组成。

33、氧化溶液中石墨的浓度优选在0.1％至20％的范围内，更优选在0.5％至5％的范围内，甚至更优选在0.8％至2％的范围内，前述百分比是重量相对于分散体重量的百分比。

34、优选地，当不在高剪切混合条件下进行时，氧化步骤通过常规机械搅拌，例如通过磁力搅拌器，保持石墨分散在氧化溶液中来进行。

35、优选地，氧化步骤在25℃至90℃范围内，更优选在35℃至50℃范围内，甚至更优选在55℃至80℃范围内的温度下进行。

36、优选地，氧化步骤在0.5巴至2巴的范围内，更优选在0.8巴至1.2巴的范围内的绝对压力下进行，甚至更优选在大气压下进行。

37、当不在高剪切混合条件下进行时，氧化步骤的持续时间优选在5至24小时的范围内，更优选在7至10小时的范围内，甚至更优选在8至9小时的范围内。

38、在氧化步骤结束时，可将氧化石墨从氧化溶液中分离出来，过滤并干燥，得到粉末状产品，其被送至随后的剥离步骤。为此，将粉末状氧化石墨再次分散在水中，并通过高剪切混合进行剥离，以获得氧化石墨烯氧化物。

39、高剪切混合是指以等于或大于3,000rpm，优选等于或大于4,000rpm，更优选等于或大于5,000rpm的混合速度混合石墨分散体。

40、优选地，混合速度等于或小于10,000rpm，优选等于或小于9,000rpm，加上优选等于或小于8,000rpm。

41、在一个实施方案中，混合速度在4000rpm-9000rpm的范围内，更优选在5000rpm-7000rpm的范围内。

42、高剪切混合可以用市售的常规装置如转子-定子混合器来实现。这些混合器包括高速(通常为10至50m-s-1)的混合元件(转子)和固定元件(定子),它们的位置彼此靠近，使得转子端部和定子壁之间的间隙非常窄，通常为100微米至3毫米。

43、当对先前氧化步骤中制备的氧化石墨分散体进行高剪切混合步骤时，该步骤的持续时间优选在5分钟至2小时的范围内，更优选在10分钟至1小时的范围内。

44、在一个特别优选的实施方案中，通过高剪切混合的剥离在起始石墨在过氧化氢中的分散体上进行。该方法的该变体使得可以直接获得最终的氧化石墨烯，避免了中间氧化石墨的形成、其与氧化溶液的分离以及其随后剥离步骤中的在水中的再分散，在简化方法和降低相对成本方面具有明显的优势。

45、在剥离步骤结束时，可将固体石墨烯从分散体中分离出来，过滤并干燥，得到粉末状产品。

46、当该方法首先包括起始石墨的剥离步骤，然后是氧化步骤时，上述步骤中的每一个都可以在氧化在剥离步骤之前的上述方法变体的条件下进行。

47、石墨烯结构上引入的含氧官能团的量可以通过boehm滴定来确定，boehm滴定能够量化酸官能团。优选地，氧化石墨烯上存在的酸官能团的量在1-20mmol的范围内。

48、为此，将100mg待分析样品分散在50ml 0.0492m naoh水溶液中，并在室温(25℃)下搅拌24小时。然后对分散体进行过滤。将10ml滤液与20ml 0.05m hcl混合。在加入酚酞作为ph指示剂后，用0.0492m naoh水溶液滴定该混合物。

49、根据本发明的方法，除了产生氧化石墨烯之外，还可以导致形成不同量的氧化形式的其它石墨烯材料，即具有两层或更多层叠加的石墨烯层的石墨烯材料，例如双层石墨烯、由三至十层石墨烯组成的“少层石墨烯”以及由叠加的石墨烯层组成的厚度和尺寸在1nm到3nm范围内的石墨烯纳米片。

50、根据本发明的制备氧化石墨烯的方法可以用本领域技术人员已知的常规装置和设备进行。

51、通过根据本发明的方法获得的氧化石墨烯可以有利地用于实现抗微生物橡胶制品。

52、优选地，将氧化石墨烯添加到橡胶胶乳中以形成胶乳组合物，用该组合物生产抗微生物橡胶制品。

53、为此，氧化石墨烯可以以水分散体的形式添加到橡胶胶乳中。已经观察到，有利地，通过根据本发明的方法生产的氧化石墨烯与水形成稳定的分散体(甚至在不存在分散化合物如表面活性剂的情况下)，其可以与橡胶胶乳混合而不引起凝结。

54、优选地，水分散体包含水和氧化石墨烯，所述氧化石墨烯重量百分比相对于分散体的重量在0.1％至1％的范围内，更优选在0.2％至0.7％的范围内。

55、优选地，氧化石墨烯以在1％至15％的范围内，更优选在5％至10％的范围内的量存在于橡胶胶乳组合物中，所述百分比是重量相对于组合物总重量的百分比。

56、在优选的实施方案中，除了氧化石墨烯之外，橡胶胶乳组合物还包含至少一种除氧化石墨烯之外的具有抗微生物作用的物质。

57、抗微生物物质可以选自例如：季铵盐；分子量在200-12,000g/mol范围内的聚乙二醇；具有抗微生物特性的多糖，优选壳聚糖、半乳聚糖、甘露聚糖和昆布素(laminarine)；具有抗微生物特性的金属离子，优选银离子、钠离子和锌离子；氯化异噻唑；及其混合物。

58、在本发明的一个实施方案中，抗微生物物质选自：季铵盐；分子量在200-12,000g/mol范围内的聚乙二醇；具有抗微生物特性的多糖，优选壳聚糖、半乳聚糖、甘露聚糖和昆布素；具有抗微生物特性的金属离子，选自银离子和钠离子；氯化异噻唑；及其混合物。

59、更优选地，至少一种抗微生物物质是苯扎氯铵。

60、季铵盐可选自含有苄基并具有不同长度烃链的季铵盐(例如苯扎氯铵、苄索氯铵、苯扎溴铵)。优选地，季铵盐具有以下通式i

61、

62、其中：

63、-r1和r2独立地是含有碳原子数为1至10，优选1至5，甚至更优选1至2的烷基；

64、-r3是含有碳原子数为1至10，优选1至5，甚至更优选1至2的烷基；

65、-n是1至20，优选6至15，甚至更优选8至12的整数；

66、-x代表卤素反离子，选自氟、氯、溴、碘，优选氯和溴，甚至更优选氯。

67、在一个实施方案中，季铵盐具有聚合结构。这样的聚合物盐的示例是具有以下通式ii的聚二烯丙基二甲基卤化铵化合物

68、

69、其中：

70、-r1和r2是含有碳原子数为1至10，优选1至5，甚至更优选1至2的烷基；

71、-n是1,000至3,000，优选1,200至2,200的整数；

72、-x代表卤素反离子，选自氟、氯、溴、碘，优选氯和溴，甚至更优选氯。

73、式ii的盐的分子量优选为20,000g/mol至1,000,000g/mol，优选为80,000至600,000g/mol，更优选为200,000至350,000g/mol。

74、通常，除氧化石墨烯之外的抗微生物物质以在0.5％至5％的范围内，更优选在1％至3％的范围内的总量存在于胶乳组合物中，上述百分比是重量相对于组合物总重量的百分比。优选地，抗微生物物质与氧化石墨烯的重量比在0.05至1，更优选0.1至0.75，甚至更优选0.2至0.5的范围内。

75、除氧化石墨烯之外的抗微生物物质可以纯的或以水溶液的形式使用，水溶液的浓度(以抗微生物物质的重量相对于溶液重量的百分比表示)优选在20％至90％的范围内，优选在30％至80％的范围内，甚至更优选在40％至60％的范围内。

76、在优选的实施方案中，氧化石墨烯和抗微生物物质以加合物的形式加入到胶乳组合物中。例如，当抗微生物物质是铵盐时，氧化石墨烯-季铵阳离子加合物可以通过将氧化石墨烯与碱金属氢氧化物(例如naoh)在水溶液中接触从而将氧化石墨烯转化为相应的碱性形式，然后用季铵盐的阳离子替换氧化石墨烯上存在的碱性离子来获得。

77、在一个实施方案中，季铵盐选自苯扎卤铵、聚二烯丙基二甲基卤化铵及其混合物。

78、用碱金属氢氧化物处理氧化石墨烯使得氧化石墨烯上存在的含氧基团的氢原子基本上被完全取代。在用铵盐处理之前，氧化石墨烯转化成碱性形式对于形成氧化石墨烯-铵阳离子加合物是必要的，该加合物中在氧化石墨烯和铵盐之间存在化学键，更特别地是离子键。

79、用碱金属氢氧化物或季铵盐处理氧化石墨烯可以通过在碱性氢氧化物或季铵盐存在下，优选在室温下，将氧化石墨烯保持在水中搅拌来进行。碱性氢氧化物和季铵盐以例如化学计量的量，即足以基本上完全取代石墨烯上存在的氢原子和/或碱金属离子的量存在于水溶液中。

80、在每个上述离子交换处理结束时获得的产物可以从水相中分离(例如通过过滤)，随后用水洗涤并干燥以获得粉末状产物。氧化石墨烯-季铵阳离子加合物可以以水分散体的形式加入到橡胶胶乳中，如以上对于氧化石墨烯所示。

81、为了获得具有在长时间内有效的抗微生物特性的橡胶制品，胶乳组合物优选包含加合物以及至少一种上述物质中除氧化石墨烯以外的抗微生物物质(例如，苯扎卤铵、聚二烯丙基二甲基卤化铵)。优选地，额外的抗微生物物质与和氧化石墨烯形成加合物的抗微生物物质相同。

82、已经观察到，根据本发明生产的氧化石墨烯，特别当以加合物形式使用时，对抗微生物物质发挥稳定作用，减缓其从橡胶制品表面的释放。

83、橡胶胶乳可以是天然来源的橡胶胶乳，即所谓的天然橡胶胶乳，或者是聚合物水分散体，即所谓的合成胶乳或合成假胶乳。

84、天然或合成的形成胶乳的聚合物包括乙烯基单体和二烯单体的均聚物和共聚物，如乙烯、苯乙烯、异丁烯、乙酸乙烯酯、氯乙烯、偏二氯乙烯、丙烯腈、丁二烯、氯丁橡胶、异戊二烯、氯丁二烯、1,3-戊二烯、1,5-己二烯、1,6-庚二烯、它们的混合物和共聚物(例如，丙烯腈-丁二烯和苯乙烯-异丁烯共聚物)

85、在一个优选的实施方案中，胶乳是包含聚(1,4-顺式异戊二烯)的天然橡胶胶乳。

86、氧化石墨烯和橡胶胶乳可以用橡胶加工领域已知的任何技术结合在一起。如果需要，可以将一种或多种常规添加剂，例如ph调节剂、硬化剂、交联剂、硫化剂、凝结剂、抗氧化剂、颜料、表面活性剂等添加到胶乳中。

87、优选地，胶乳组合物的ph例如通过加入nh4oh或其它碱化化合物保持在9-11的范围内，以防止其凝结。

88、包含氧化石墨烯的橡胶胶乳组合物可以通过本领域技术人员已知的常规方法转化成橡胶制品。通常，形成橡胶制品的方法包括以下步骤：

89、-将胶乳组合物沉积在具有用于获得最终制品的合适形状的模板或模具(例如金属或陶瓷材料)的表面上；该步骤可以重复一次或多次，以在模具上沉积期望厚度的层；

90、-通过蒸发其中存在的水来固化沉积的胶乳层；

91、-取出由模具形成的制品。

92、胶乳在模具表面上的沉积可以通过多种已知技术，包括浸渍、浇注(pouring)、喷涂、旋涂及其组合中的一种来实现。

93、从胶乳中蒸发水优选通过将胶乳暴露于10℃至60℃的范围内，更优选20℃至40℃的范围内的温度来实现。