一种改性水性聚氨酯抗菌膜的制备方法及应用与流程

本发明属于抗菌防腐剂及食品保鲜包装材料或者食品加工机械涂层领域，具体涉及一种咖喱草精油/g-C₃N₄复合材料改性水性聚氨酯抗菌涂层剂的制备及应用。

背景技术：

意大利腊菊，又名咖哩草，原产于地中海东部地区，属于菊科的一种，其精油被广泛应用于香料行业和芳香疗法中。它的主要成分有乙酸橙花醋、姜黄烯、橙花醇、松油菇，具强烈的木质香，又带了点香料的感觉，具有非常好的消炎、抗过敏、抗氧化、防辐射、抗痉挛、抗病毒、收敛、杀菌、柔软皮肤、促进细胞再生、杀霉菌、杀真菌、镇静等功效。国内外关于意大利腊菊的专利有：中国专利CN102273492A公开了一种含意大利蜡菊的消毒剂配方；韩国专利KR10117341B1公开了一种含有意大利腊菊的可用于皮肤抗皱的组合物；法国专利FR2965729A1公开了一种含意大利蜡菊的用于治疗皮肤过敏的组合物；法国专利FR2953402A1公开了一种含意大利蜡菊的用于皮肤修复,以及治疗血肿，愈合和炎症的组合物；韩国专利KR20030046949A公开了一种含意大利蜡菊的可促进皮肤再生的组合物韩国专利公开了一种含意大利蜡菊的抗炎组合物；法国专利FR2811899A1公开了一种含意大利蜡菊的抗肿瘤、抗病毒的组合物；CN104974640A公开的一种含石墨烯的海洋防腐抗污涂料的制备方法，充分结合两种材料的优良特性,使涂料兼具防污和防腐两大特性。CN103589282A公开的一种含石墨烯的海洋防腐抗污涂料及其制备方法，也是使涂料兼具防污和防腐两大特性。CN104277389A公开的纳米α-Fe₂O₃功能改性PVA基复合涂膜保鲜包装材料及其制备方法，制备的包装材料具有可见光催化抑菌保鲜效果。

目前来看，咖喱草精油在化妆品行业和中医理疗领域被广泛应用，可抗炎、抗痉挛、抗病毒、收敛、杀菌、利胆、利尿、柔软皮肤、化痰、促进细胞再生、杀霉菌、利肝、镇静、利脾；淡化惊吓、畏惧、恐慌的情绪，据说还能舒解抑郁的情绪；腊菊精油是一种回春的精油，可促进细胞再生，帮助组织重建，并活化器官，通经络。使用后可减低过敏及传染病的威胁，是消化器官的好帮手，降低肝脾之充血现象，处理胆囊失常的问题，调节胰脏与胆汁的分泌，可帮助伤疤、粉刺、湿疹、疖与脓肿的痊愈。但是咖喱草精油易挥发，暴露在空气中不稳定，所以要寻找有效的方法降低咖喱草精油在使用过程中的挥发程度，延长其贮存期。因此，本发明用纳米材料g-C₃N₄对精油进行吸附。纳米材料g-C₃N₄比表面积较大，而且由于其是多孔结构能够有效地吸附大量精油。其次将吸附精油的g-C₃N₄混入到涂层材料水性聚氨酯中制备改性抗菌涂层。

水性聚氨酯具有高强度、高硬度、并且具有优异的耐疲劳性能和良好的柔韧性等。同时水性聚氨酯还具备不同于溶剂型聚氨酯的优点。方便的操作使用性能、环保无刺激性气味、不燃且易被改性等。这些性能使得水性聚氨酯能够比较成功地应用于许多领域，广泛的替代溶剂型聚氨酯，如机械表面涂层、医用脚手架、油墨用粘接剂，并且能够用作性能优良的涂覆织物染料以及各种具有特殊功能的功能性涂料，例如自洁型杀菌涂料、耐腐蚀性涂料以及突光涂料等。但是，水性聚氨酯涂层的防霉性、耐候性、力学性能和防菌性等影响涂层性能的主要因素，都有部分缺陷，所以为了克服这些缺陷我们用吸附精油的纳米材料对其进行改性。纳米材料所特有的表面效应、小尺寸粒子效应以及轨道量子效应等特性，能够使水性聚氨酯的耐热性、耐水性以及机械力学性能得到很大程度的弥补。咖喱草精油的防腐抗菌特性也能够提高水性聚氨酯涂层的防霉和防菌性。

技术实现要素：

本发明的目的是公开咖喱草精油/g-C₃N₄复合材料改性水性聚氨酯抗菌涂层的制备方法及其用途，通过将咖喱草精油吸附到g-C₃N₄纳米材料中，以减少咖喱草精油在使用过程中的挥发，从而减少咖喱草精油的浪费，提高其利用率，达到长效抗菌与高效利用的目的，然后用制备的这个复合材料对水性聚氨酯抗菌涂料进行改性，提高涂料自身的稳定性和抗菌防霉性。

本发明由尿素在真空管式炉中通过煅烧法制备纳米材料g-C₃N₄，升温速率为5℃/min，煅烧温度为550℃，煅烧时间为4h。

本发明由咖喱草精油，纳米材料g-C₃N₄和水性聚氨酯涂料制成咖喱草精油/g-C₃N₄复合材料改性的水性聚氨酯抗菌涂层剂。

本发明的制备方法是先用尿素在真空管式炉中通过煅烧法制备纳米材料g-C₃N₄，再将咖喱草精油溶解在纳米材料g-C₃N₄中，密封加热搅拌，然后加入水性聚氨酯涂料搅拌均匀并超声分散除去膜分散体系中的气体，得到改性的水性聚氨酯抗菌涂层剂。

所述密封加热搅拌指在密封在40℃烘箱中搅拌24h。

分别选用金属铁片，玻璃片和塑料片作为试样底板；另外，对于3种试样底板，均要事先要进行表面处理，用75％(V/V)的酒精浸泡并超声处理5-6h再用蒸馏水洗净自然晾干后，用板刷将改性的水性聚氨酯抗菌涂层剂均匀涂抹在经过处理的金属铁片，玻璃片和塑料片上，厚度为1.0mm，放入恒温箱中30℃恒温干燥24h。

所述金属铁片，玻璃片和塑料片规格均为食品级，大小均为10mm×10mm，金属铁片为304材质的不锈钢片，玻璃片为高硼硅材质，塑料片为PET材质。

所述纳米材料g-C₃N₄和咖喱草精油的质量比为1:1～1:5；得到的改性的水性聚氨酯抗菌涂层剂中纳米材料g-C₃N₄和咖喱草精油的质量与水性聚氨酯的体积之比为：0.04g/mL。

所述的咖喱草精油是指稀释后的咖喱草精油，将纯咖喱草精油加入到无水乙醇中得到体积百分浓度为10％的稀释后的咖喱草精油，即体积百分浓度为10％的咖喱草精油-无水乙醇溶液。

将制备的咖喱草精油/纳米材料g-C₃N₄混入水性聚氨酯涂料中，得到改性的水性聚氨酯抗菌涂层剂,然后涂层剂涂覆在准备的试样底板上探究其各方面性能，咖喱草精油/纳米材料g-C₃N₄质量比为5:1，混入水性聚氨酯的浓度为0.04％时抗菌效果就已经比较理想，这个条件下得到的改性的水性聚氨酯抗菌涂层剂表面粗糙度、疏水性能、硬度、耐冲击性和附着性能都比较理想。

附图说明

图1改性聚氨酯涂层的表面粗糙度。

图2改性聚氨酯涂层的摩擦系数。

图3改性聚氨酯涂层的水接触角。

图4改性聚氨酯涂层抗金属片上金黄色葡萄球菌生物膜。

图5改性聚氨酯涂层抗玻璃片上金黄色葡萄球菌生物膜。

图6改性聚氨酯涂层抗塑料片上金黄色葡萄球菌生物膜。

表1咖喱草精油/g-C₃N₄复合材料改性水性聚氨酯涂层膜的失水率。

具体实施方式

通过下面实例说明本发明的具体实施方式，但本发明的保护内容，不仅局限于此。

实施例1咖喱草精油/g-C₃N₄复合材料改性水性聚氨酯涂层膜的制备及其性能研究

1实验材料

尿素；AR；国药集团化学试剂有限公司。

无水乙醇；AR；国药集团化学试剂有限公司。

咖喱草精油；AR；法国florihana精油。

水性聚氨酯；山东省青岛市杰恩特科技有限公司。

2实验方法

1)g-C₃N₄吸附咖喱草精油

①称取160μL 100％(V/V)的咖喱草精油，加1440μL无水乙醇溶解配成10％(V/V)的咖喱草精油。

②称取5份0.125g-C₃N₄到5mL离心管中，按照质量比1:1，1:2，1:3，1:4，1:5分别加入不同体积的10％的咖喱草精油后，在40℃下密封搅拌24h使其充分吸附。

③将上述咖喱草精油/g-C₃N₄复合物按0.04％(W/V)的浓度加入到水性聚氨酯涂料中，搅拌均匀并超声分散除去膜分散体系中的气体，由此制备了不同吸附比例的改性咖喱草精油/g-C₃N₄水性聚氨酯。

④选用10mm×10mm的金属铁片作为试样底板，对于此试样底板事先要进行表面处理，用75％(V/V)的酒精浸泡超声处理5-6h再用蒸馏水洗净自然晾干。

⑤用板刷将改性后的水性聚氨酯分别均匀涂抹在经过处理的6片10mm×10mm的金属铁片上，放入恒温箱中30℃恒温干燥24h。

2)表面粗糙度的测定

①将涂刷了改性水性聚氨酯的金属铁片(规格为10mm×10mm)，放置在表面粗糙度测量仪(SRM-1(D)型)的工作台上，测量涂层表面的粗糙度Ra。

②调整传感器，使其达到平行于涂层的位置。检查被测面与传感器的接触是否良好。

③启动测量仪，传感器产生滑动，并做匀速直线运动，根据设定距离往返运动后停止运动。

④测量仪描绘出涂层表面的微观轮廓，绘制出相对于基准线的浮动运动曲线。⑤并经过测量仪中的信号采集系统和运算处理系统得到采集运行结果，得到涂层表面的粗糙度值。

3)表面摩擦系数的测定

摩擦系数是指两表面叫的摩擦力其作用在接触面上垂直力之比值。摩擦系数与表面的粗糖度有关，而与接触面积大小无关，可以分为动态摩擦和静态摩擦。涂层的表面摩擦系数不仅与表面粗糙度有关，而且与涂层自身的一些性能和状态(浸泡、干燥)等有关。

本实验采用斜面摩擦系数仪，选取刷涂在规格为10mm×10mm金属铁片上烘干的试样。将试样固定在样台上，将涂层表面的电子感应沿块加载物放在试样上；启摩擦系数仪，试样板匀速升起，开始滑动瞬间的倾斜角度，得到涂层表面的磨擦系数。

4)水接触角的测定

实验中使用接触测量仪来测量涂层表面接触角。使用仪器测量接触角前，应将试样表面清理干净，并且保持干燥。测试接触角时，水滴应控制在3μL左右，为减小实验数误差，本实验采用同一试样随机测3个点，求平均值。将水滴到表面后，每3s自动拍照一张，共拍11张。然后测量每一帧的水接触角。

本实验根据所得到的接触角动态图片，从水滴与涂层表面接触起计时，取10s间隔记接触角值，此后每一分钟取一个接触角值，直至5min时停止记录。

5)耐水性的测定

测量涂有涂层的金属铁片的质量(M₀)，得到将载玻片样品浸泡装有250mL去离子水的聚四氟乙稀盒中，浸泡一定时间t，用镊子取出并用滤纸吸干表面旳水分，测量其重量称为湿重(M₁)对比初重、湿重计算吸水率，如下述公式

$\mathrm{\Φ}=\frac{M_1-M_0}{M_0}$

其中Ф为吸水率，％。

3实验结果

1)涂层膜的表面粗糙度

表面粗糙度是决定涂层材料是否适用的重要指标之一。由图1可知，随着掺杂质量比的提高，涂层的表面粗糙度逐渐减小，由0.675下降到0.198。实验表明，加入的g-C₃N₄后，不仅粗糙度较小，且涂层表面的凹凸较为均匀，未出现较大凸起，表明改性后粉体分散效果较好。

2)涂层膜的摩擦系数

与涂层的表面粗糙度规律相似，通过图2可知，咖喱草精油/g-C₃N₄质量比为1:0的水性聚氨酯涂层的摩擦系数在0.88以上，加入g-C₃N₄之后，涂层的摩擦系数有所减少；随着g-C₃N₄含量的增加，涂层表面的摩擦系数明显降低。咖喱草精油/g-C₃N₄质量比达到1:3之后，下降速度有所减缓。实验表明，加入咖喱草精油/g-C₃N₄之后，可以改聚氨酯涂层的摩擦性能，减阻效果较好。

3)涂层膜的水接触角

图3是由接触角测量仪拍摄的图片，经过软件测量出水接触角。由图3可知，咖喱草精油/g-C₃N₄质量比为1:0的水性聚氨酯涂层的水接触角随着时间变化明显，液体在涂层表面迅速铺开，接触角变小，变化幅度为10.5％，加入咖喱草精油/g-C₃N₄质量比为1:5，随时时间变化不大，接触角大小稳定，具有稳定的疏水性。实验表明，加入咖喱草精油/g-C₃N₄可以明显改善水性聚氨酯的疏水性能。4)涂层膜的耐水性

由于涂层成分主要是水性聚氨酯，所以涂层烘干恒重之后，主要减少的是水性聚氨酯的质量。从表1可以看出，咖喱草精油/g-C₃N₄质量比为1:0的水性聚氨酯涂层的失重率达到3.97％，而加入g-C₃N₄后的涂层失重率逐渐减小到2.37％。涂层食物失重率与耐水性有很大关系，失重率的降低使涂层的耐水性能更加良好，从而获得更稳定的涂层结构。

表1咖喱草精油/g-C₃N₄复合材料改性水性聚氨酯涂层膜的失重率

实施例2制备的改性水性聚氨酯涂层膜抗铁片上金黄色葡萄球菌生物膜效果的研究

1实验材料

①改性的水性聚氨酯

②金黄色葡萄球菌

2实验方法

1)菌液的制备

直接取接种于营养肉汤培养基试管里的菌种，金黄色葡萄球菌培养48h后的，用振荡器混匀后，用0.03mol/L磷酸盐缓冲液10倍梯度稀释1000倍(约为10⁵cfu/mL)。

2)制备咖喱草精油/g-C₃N₄复合材料改性水性聚氨酯涂层膜

参照上述实施例1以10mm×10mm金属铁片为试样底板将制备的不同吸附比例的咖喱草精油/g-C₃N₄复合材料改性水性聚氨酯涂层剂刷在铁片表面备用。

3)对照组样液的制备

用移液枪吸取0.5mL的已稀释菌液，加入到已经灭菌的含有4.5mL的TSB溶液和普通的水性聚氨酯涂层金属铁片的试管中。

4)试验组样液的制备

用移液枪吸取0.5mL的已稀释菌液液加入到已经灭菌的含有4.5mL的TSB溶液的试管中，充分震荡摇匀后，分别将步骤2准备的不同吸附比例的金属铁片加入上述试管中。

5)静置培养

将含对照样本和试验样本的试管固定于恒温培养箱中，在作用温度37℃±1℃条件下静置培养48h以形成生物膜。

6)静置培养一定时间后活菌计数

在静置培养48h后，将铁片夹出，用灭菌的PBS缓冲溶液轻轻冲洗3次，最后夹入灭菌的10mL的离心管中，加入3mL的PBS缓冲溶液超声10min破碎生物膜，在离心管中形成细菌悬浮液。将离心管中含有金黄色葡萄球菌的对照样液和试验样液经10倍梯度稀释100倍后，分别吸取0.1mL原液、10^-1、10^-2和10^-3倍样液涂布于已倒有营养琼脂培养基平板上，每样液平行涂布2个平皿，倒置于37℃±1℃恒温培养箱中培养48h做活菌培养计数。

7)数据处理

根据所记录的活菌菌落数，计算出在接触震荡24h后的每个样液中金黄色葡萄球菌的活菌总数，对照，得出结论。

3实验结果

由图4可知，随着咖喱草精油/g-C₃N₄质量比的增加，水性聚氨酯涂层的抗菌性能有所增加。咖喱草精油/g-C₃N₄质量比为1:0时，残存菌数为5.9lg(cfu/cm²)；咖喱草精油/g-C₃N₄质量比为1:5时，残存菌数为5.1lg(cfu/cm²)；上述实验结果表明经过咖喱草精油/g-C₃N₄改性的聚氨酯涂层，涂层到含金黄色葡萄球菌生物膜的金属片，48h后，具有较好的抗菌性能。

实施例3制备的改性水性聚氨酯涂层膜抗玻璃片上金黄色葡萄球菌生物膜效果的研究

1实验材料

①改性的水性聚氨酯

②金黄色葡萄球菌

2实验方法

1)菌液的制备

直接取接种于营养肉汤培养基试管里的菌种，金黄色葡萄球菌培养48h后的，用振荡器混匀后，用0.03mol/L磷酸盐缓冲液10倍梯度稀释1000倍(约为10⁵cfu/mL)。

2)制备咖喱草精油/g-C₃N₄复合材料改性水性聚氨酯涂层膜

参照上述实施例1以10mm×10mm玻璃片为试样底板将制备的不同吸附比例的咖喱草精油/g-C₃N₄复合材料改性水性聚氨酯涂层剂刷在玻璃片表面备用。

3)对照组样液的制备

用移液枪吸取0.5mL的已稀释菌液，加入到已经灭菌的含有4.5mL的TSB溶液和普通的水性聚氨酯涂层玻璃片的试管中。

4)试验组样液的制备

用移液枪吸取0.5mL的已稀释菌液液加入到已经灭菌的含有4.5mL的TSB溶液的试管中，充分震荡摇匀后，分别将步骤2准备的不同吸附比例的玻璃片加入上述试管中。

5)静置培养

将含对照样本和试验样本的试管固定于恒温培养箱中，在作用温度37℃±1℃条件下静置培养48h以形成生物膜。

6)静置培养一定时间后活菌计数

在静置培养48h后，将玻璃片夹出，用灭菌的PBS缓冲溶液轻轻冲洗3次，最后夹入灭菌的10mL的离心管中，加入3mL的PBS缓冲溶液超声10min破碎生物膜，在离心管中形成细菌悬浮液。将离心管中含有金黄色葡萄球菌的对照样液和试验样液经10倍梯度稀释100倍后，分别吸取0.1mL原液、10^-1、10^-2和10^-3倍样液涂布于已倒有营养琼脂培养基平板上，每样液平行涂布2个平皿，倒置于37℃±1℃恒温培养箱中培养48h做活菌培养计数。

7)数据处理

根据所记录的活菌菌落数，计算出在接触震荡24h后的每个样液中金黄色葡萄球菌的活菌总数，对照，得出结论。

3实验结果

由图5可知，随着咖喱草精油/g-C₃N₄质量比的增加，水性聚氨酯涂层的抗菌性能有所增加。咖喱草精油/g-C₃N₄质量比为1:0时，残存菌数为5.8lg(cfu/cm²)；咖喱草精油/g-C₃N₄质量比为1:5时，残存菌数为5.1lg(cfu/cm²)；上述实验结果表明经过咖喱草精油/g-C₃N₄改性的聚氨酯涂层，涂层到含金黄色葡萄球菌生物膜的玻璃片，48h后，具有较好的抗菌性能。

实施例4制备的改性水性聚氨酯涂层膜抗塑料上金黄色葡萄球菌生物膜效果的研究

1实验材料

①改性的水性聚氨酯

②金黄色葡萄球菌

2实验方法

1)菌液的制备

直接取接种于营养肉汤培养基试管里的菌种，金黄色葡萄球菌培养48h后的，用振荡器混匀后，用0.03mol/L磷酸盐缓冲液10倍梯度稀释1000倍(约为10⁵cfu/mL)。

2)制备咖喱草精油/g-C₃N₄复合材料改性水性聚氨酯涂层膜

参照上述实施例1以10mm×10mm塑料片为试样底板将制备的不同吸附比例的咖喱草精油/g-C₃N₄复合材料改性水性聚氨酯涂层剂刷在塑料片表面备用。

3)对照组样液的制备

用移液枪吸取0.5mL的已稀释菌液，加入到已经灭菌的含有4.5mL的TSB溶液和普通的水性聚氨酯涂层塑料片的试管中。

4)试验组样液的制备

用移液枪吸取0.5mL的已稀释菌液液加入到已经灭菌的含有4.5mL的TSB溶液的试管中，充分震荡摇匀后，分别将步骤2准备的不同吸附比例的塑料片加入上述试管中。

5)静置培养

将含对照样本和试验样本的试管固定于恒温培养箱中，在作用温度37℃±1℃条件下静置培养48h以形成生物膜。

6)静置培养一定时间后活菌计数

在静置培养48h后，将塑料片夹出，用灭菌的PBS缓冲溶液轻轻冲洗3次，最后夹入灭菌的10mL的离心管中，加入3mL的PBS缓冲溶液超声10min破碎生物膜，在离心管中形成细菌悬浮液。将离心管中含有金黄色葡萄球菌的对照样液和试验样液经10倍梯度稀释100倍后，分别吸取0.1mL原液、10^-1、10^-2和10^-3倍样液涂布于已倒有营养琼脂培养基平板上，每样液平行涂布2个平皿，倒置于37℃±1℃恒温培养箱中培养48h做活菌培养计数。

7)数据处理

根据所记录的活菌菌落数，计算出在接触震荡24h后的每个样液中金黄色葡萄球菌的活菌总数，对照，得出结论。

3实验结果

由图5可知，随着咖喱草精油/g-C₃N₄质量比的增加，水性聚氨酯涂层的抗菌性能有所增加。咖喱草精油/g-C₃N₄质量比为1:0时，残存菌数为6.2lg(cfu/cm²)；咖喱草精油/g-C₃N₄质量比为1:5时，残存菌数为5.7lg(cfu/cm²)；上述实验结果表明经过咖喱草精油/g-C₃N₄改性的聚氨酯涂层，涂层到含金黄色葡萄球菌生物膜的塑料片，48h后，具有较好的抗菌性能。