[整理版]新型塑料添加剂 II：有机抗菌剂 季君晖

[整理版]新型塑料添加剂 II：有机抗菌剂 季君晖 新型塑料添加剂 II:有机抗菌剂 季君晖 中国科学院理化技术研究所工程塑料国家工程研究中心，北京，100101 摘 要 介绍了几种有机抗菌剂的主要参数、应用及其抗菌性能。 关键词:抗菌剂 塑料 有机 无机抗菌剂是目前最常用的塑料抗菌剂，其无论在研究或应用上都取得了很大的进展。但目前有机抗菌剂和其它抗菌剂仍有广泛使用，尤其在一些颜色要求比较高的场合，有机抗菌剂的使用更为普遍。随抗菌材料的发展，新型天然抗菌剂抗菌剂和合成的高分子抗菌剂因其无毒、对材料影响小，逐渐显示了很强的生机和活力，而且在某些领域中，有机抗菌剂有着无机抗菌剂不可替代的作用，如有机抗菌剂的抗菌作用速度要比无机抗菌剂快得多，在材料中添加的可操作性也要比无机抗菌剂好得多，在储存和使用过程中颜色稳定性也比无机抗菌剂强。有机抗菌剂对微生物的抑制作用往往具有一定的特异性，因此有机抗菌剂又可以细分为抗细菌剂、防腐剂、防霉剂、防藻剂等，根据使用场合和需要的不同，可以选择适合的有机抗菌剂来提高材料性能。 与溶出型无机抗菌剂相比，有机抗菌剂开发应用要早得多，生产工艺也成熟得多。长期以来人们为了保证各类物品的长期贮存和使用，经常在物品中加入能防止微生物损坏的化学添加剂，称为微生物杀除剂即抗菌剂。在早期人们使用的抗菌剂主要是有机类抗菌剂，如使用有机汞化合物、福尔马林等化学物质。现在常用的就有卤化物、有机锡、异噻唑、吡啶金属盐、涕必灵(thiabendazole)、咪唑酮、醛类化合物、季铵盐等许多类。有机抗菌剂的用量相对较少，一般在ppm级甚至在ppb级就具有明显的抗菌效果。 一、 目前塑料中常用的有机抗菌剂 1( N-(三氯甲基硫代)-4-环己烯-1，2-二甲基酰亚胺 N-(三氯甲基硫代)-4-环己烯-1，2-二甲基酰亚胺俗称克菌丹，又叫开普顿，白色结晶，熔点为178?，可溶于氯仿、苯、乙醚等有机溶剂，不溶于水。热稳定性好，对酸稳定，但在强碱作用下可能分解。毒性低，对大鼠急性经口LD50为9000mg/kg，属于实际无毒物 质，用含N-(三氯甲基硫代)-4-环己烯-1，2-二甲基酰亚胺0.25%的饲料喂养大白鼠2年未见任何毒性作用，但本品对皮肤及黏膜有一定的刺激作用。 O Cl NSCCl Cl O N-(三氯甲基硫代)-4-环己烯-1，2-二甲基酰亚胺对微生物的抑制作用是通过抑制微生物—SH代谢，从而控制能量代谢而致使微生物死亡，是一种高效的抗菌防霉剂，并具有较广的抗菌谱，尤其对霉菌的抑制效果优秀，是目前塑料常用的有机抗菌防霉剂之一并能够经受高温加工和高剪切加工。 2( 五氯苯酚 五氯苯酚是白色结晶，分子量266，熔点为190?，分解温度为310?。微溶于水，溶于醇类、苯、甲苯、丙酮等有机溶剂。对大鼠经口的LD50为175mg/kg，急性经皮的LD50为105mg/kg。 OH ClCl ClCl Cl 五氯苯酚是目前广泛使用的抗菌防霉，抑制微生物能力高，在基材中不显色，不造成物品的污染，化学性能稳定，挥发性低，制备的制品抗菌防霉长效性好。五氯苯酚可以制备成油溶和水溶两种形式，使用方便。五氯苯酚在制品中的含量一般在0.1-0.5%。由于五氯苯酚具有较高的分解温度，可广泛使用于聚氯乙烯等塑料中。但五氯苯酚在300?以上将分解成六氯苯和八氯联苯醚，失去抗菌防霉效果。 3( 邻苯基苯酚 邻苯基苯酚(o-phenylphenol)又叫2-羟基联苯，是白色针状结晶，熔点57?，沸点285?，闪点123?。能溶于水、乙醇、异丙醇等溶剂中。属于低毒物质，对大鼠急性经口LD50为2700mg/kg，可以用作水果等食品的防霉剂。 OH 邻苯基苯酚通过破坏微生物细胞的细胞壁及细胞内的蛋白酶而抑制或杀灭微生物(其对部分微生物的MIC如表1所示)，广泛用于塑料的抗菌防霉，一般用于塑料薄膜时用量为0.1-0.5%。 表1 邻苯基苯酚对部分微生物的MIC Table 1 MIC of o-phenyl Phenol to Some Microbe MIC/ppm MIC/ppm 微生物种类 微生物种类 50 10 金黄色葡萄球菌 米曲霉 80 20 大肠杆菌 蜡状芽枝霉 170 15 铜绿假单胞杆菌 出芽短梗霉 80 10 枯草杆菌 桔青霉 15 30 黑曲霉 黑根霉 10 黄曲霉 4. 2,4,5,6-四氯-1,3-间苯二腈(TBN) 2,4,5,6-四氯-1,3-间苯二腈俗称百菌清，是白色无味结晶，熔点为250-251?，沸点为350?。工业品常委略有刺激气味的浅黄色结晶。能溶于丙酮、环己烷、二甲亚砜、二甲苯等有机溶剂，在水中溶解度极低，约0.5ppm。常温下对酸、碱及紫外光等化学性能稳定，在强碱下容易分解，不腐蚀金属等具有优异的热稳定性能。TBN毒性极低， 0000mg/kg，实验表明以4000mg/kg/d喂饲大鼠三个月没有发现明显的影响。LD50>1 Cl ClCN ClCl CN TBN是一种广谱的有机抗菌剂，是最有效的抗菌防霉剂品种之一，其抗菌谱和汞类抗菌防霉物质类似，TBN通过结构中的氰基和微生物细胞中原生质及酶蛋白中的—SH进行作用而引起蛋白质分子失活，微生物死亡。同时也可能作为偶合剂抑制氧化磷酸化反应而导致微生物死亡。TBN对枯草杆菌的MIC为10ppm，对奇异变形杆菌的MIC为10ppm，对金黄色葡萄球菌的MIC为8ppm，对黄曲霉的MIC为500ppm，对黑曲霉的MIC为500ppm，对扩展青霉的MIC为500ppm，对出芽短梗霉的MIC为250ppm，并对根霉属菌抑制效果尤 佳，且持续作用时间长，但对镰孢菌的效力较差。TBN是一种用途广泛的抗菌防霉剂，可广泛应用于塑料、涂料、皮革、木材等行业。 5. 2,4,4'-三氯-2'-羟基二苯醚 2,4,4'-三氯-2'-羟基二苯醚(Triclosan)，Ciba精化公司称Irgasan-300，DP-300等，中 ?，分解温度为270?。文名称为玉洁新，是一种具有芳香气味的白色结晶粉末，熔点为56-60微溶于水，可溶于乙醇、丙酮、乙醚和碱性溶液。本品为无毒物质，对小鼠经口LD50为4000mg/kg。 ClOH ClClO 经研究发现DP-300具有高效、广谱、无毒等优点，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌等各种格兰氏细菌均有明显的抑制作用，其相应最低抑菌浓度分别仅为1.0ppm、0.1ppm和0.3ppm。研究结果还表明DP-300对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)等多种病毒也有明显的抑制作用。DP-300可直接添加或先制成浓缩母粒再添加到LDPE、HDPE、PP、EVA、PMMA、PS、PVC及PU等多种塑料及其制品中，DP-300具有很强的抗菌性能，在塑料制品中的添加量可在0.5%以下，由于添加量低，添加抗菌剂对塑料及其制品的力学性能影响很小。目前应用DP-300生产抗菌聚合物的主要领域有砧板、一次性垃圾袋、体育用品、儿童玩具、梳子、食品托盘等日常用品，地毯、建筑材料、室内装潢、隔板等家居设施以及适合于医院使用的门帘、卫生间坐垫、楼梯扶手等设施。含有DP-300的抗菌塑料产品已经美国环境保护署(EPA)注册并取得了FDA的认可。 6. 三氯均二苯脲 -(4-氯苯基)-1-1(3，4-二氯苯基)脲是一种二十世纪三氯均二苯脲的化学名称为3 七十年代开发的新型抗菌剂，可广泛应用日化用品、儿童玩具、厨房、餐桌用塑料等。三 3氯均二苯脲是一种白色微细粉末，密度为1.53g/cm，熔点为250~255?，闪点>300?，不溶于水，溶于酯类溶剂，大鼠急性经口毒性大于5600mg/kg，经皮急性毒性大于8000mg/kg。三氯均二苯脲很容易穿过细胞膜，使细菌和真菌赖以生存的一种特殊酶——酰基菌蛋白还原酶中毒，阻碍细胞脂肪酸合成，导致微生物死亡。人类细胞没有这种酶，所以该化合物对人类细胞无毒。具有广谱抗菌性，对革兰阳性菌和革兰阴性菌、真菌和部分病毒等病原 性微生物都具有优异的抑制和杀灭效果，对光、热等环境因素稳定。表2- 列举了三氯均二苯脲对部分细菌和真菌的MIC。 表2-14 三氯均二苯脲对部分微生物的MIC MIC/ppm MIC/ppm 微生物种类 微生物种类 0.1 1.0 金黄色葡萄球菌ATCC6538 γ-溶血链球菌 0.1 0.1 表皮葡萄球菌ATCC155 阿拉伯糖乳杆菌 0.1 0.1 金黄色葡萄球菌(凝固酶阴性) 塞氏乳杆菌 0.1 100 肺炎双球菌I型ATCC6301 松根层孔菌FEL517 0.1 500 白喉棒状杆菌ATCC296 石膏状发癣菌 0.5 500 枯草芽孢杆菌 腹股沟发癣菌 0.1 100 蜡状芽孢杆菌FPL509 球毛壳菌USCA1032.4 0.5 100 产氨杆菌ATCC6871 刺黑乌菌G-289 0.1 100 绿色链球菌 立枯丝核菌 1.0 β-溶血链球菌 Cl ClClO NN 7. 10,10'-氧化二酚恶吡 10,10'-氧化二酚恶吡(OBPA)是美国Ventrow公司于六十年代开发成功并投入实际应用的一种有机砷化合物。纯品为白色结晶，熔点为180-182?，热分解温度在300?以上，有刺激性。OBPA是一种中等毒性的砷化合物，其对大白鼠的急性口服毒性LD50为57.18mg/Kg，5%浓度的液体经皮吸收的毒性允许值为9280mg/Kg，经美国有关部门检测结果证实本品无致癌作用，经上海市卫生防疫站检测细菌诱变的Ames试验，体细胞突变的微 [4]核试验和生殖细胞的畸变试验结果均呈阴性。OBPA已通过了美国FDA的认证。O As O As O OBPA具有良好的抗菌性能，对细菌、霉菌、真菌及藻类微生物都有明显的抑制作用，对大肠杆菌的最低抑菌浓度为12ppm，对金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度为6ppm，对巨大芽孢杆菌的最低抑菌浓度为12ppm，对霉菌的最低抑菌浓度也都在20ppm以下。可以直接 和塑料混合熔融制成抗菌塑料，目前在应用在聚氯乙烯、聚氨酯、聚硅树脂、聚烯烃材料、环氧树脂及橡胶中，浓度一般为300-500ppm，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等都有良好的 [5,6]抗菌性能，而且耐水、耐酸、耐碱、耐洗涤剂。 8. 苯并咪唑氨基甲酸甲酯(BCM) -307?，微溶苯并咪唑氨基甲酸甲酯(，BCM)俗称多菌灵，白色结晶，熔点为302于水、乙醇、苯等溶剂中。对热、光、碱性环境稳定，在酸性环境中易与酸结合生成盐。BCM毒性低，对大鼠急性经口LD50为10000mg/kg，是实际无毒物质。 N NHCOOCH3 N H BCM是材料行业常用的抗菌防霉剂之一，通过抑制微生物脱氧核糖核酸(DNA)的合成而抑制微生物，抗菌效率高，抗菌谱广，对霉菌尤其是青霉属微生物的抑制核杀灭效果更为优异。BCM对黑曲霉的MIC为1.0ppm，对黄曲霉的MIC为1.5ppm，对变色曲霉的MIC为0.4ppm，对桔青霉的MIC为0.2ppm，对拟青霉的MIC为1.5ppm，对蜡状芽枝霉的MIC为0.4ppm，对木霉的MIC为0.6ppm。若与第二抗菌防霉组分如福美双、氧化锌等抗菌剂混合使用，还可以明显提高药效。BCM目前广泛应用于塑料、橡胶、粘合剂、纤维、皮革、木材、涂料、纸张等个领域。 9. 2-(4-噻唑基)苯并咪唑 2-(4-噻唑基)苯并咪唑(2-(4 –thiazolyl)benzimidazol, TBZ)俗称赛菌灵，是白色或淡黄色粉末，分子量201.24，熔点为300?，微溶于酮、醇、水等极性溶剂中。TBZ是生物安全性很高的抗菌剂，对人体毒性极低，LD50为3800mg/kg，据称人体每日内服4g，连续服用对人体也没发现危害。因此不仅能使用于橡胶、塑料等行业，也可以使用于食品行业。 S NN N TBZ最初是美国迈克公司作为农药和食品杀菌剂开发的产品。TBZ化学稳定性好，不 易和其他物质反应，在水或其他溶剂中溶解性差。由于TBZ的热稳定性较好，克使用于塑料和橡胶加工，作为抗菌防霉剂加入到橡塑薄膜和板材中或涂覆在材料表面，克防止表面细菌和霉菌的滋生，也广泛应用于电子线路板用环氧树脂和聚氨酯的抗菌防霉处理。TBZ作为防霉剂的用量一般在0.1-0.5%。如果将TBZ和代森类抗菌防霉剂等第二抗菌防霉组分混合使用，其抗菌防霉效果还会明显提高，体系中含量在10-100ppm范围就有明显的抗菌防霉效果。通常一般和TBZ混合使用的第二抗菌防霉组分为如下物质: 3.[(CH)Sn]OCHNHCS493221.Zn NHCS2CHH)SnF4934.(C OHBr HONS5. Zn2.BrNC2 Br10. 2-n-辛基-4-异噻唑啉-3-酮 -n-辛基-4-异噻唑啉-3-酮(OIT)是国际上近年开发的有机砷化合物OBPA替代品，具2 有无毒无味无刺激性等优点，LD50为1470mg/kg，常温下化学性能稳定，可溶于丙二醇，在水中的溶解度为480mg/L。 O nCH817N S OIT是一种具有类似汞型抗菌物质的抗菌谱，具有优异起始和持久抗菌防霉性能和化学稳定性的有机抗菌剂，对米曲霉的MIC为8ppm，对出芽短梗霉的MIC为0.6ppm，对枯草杆菌的MIC为16ppm，对大肠杆菌的MIC为250ppm，一般在制品中的添加量为10-1000ppm。OIT目前已获得EPA的认证。OIT和聚氯乙烯有优异的相容性，在聚氯乙烯中添加OIT后还有助于提高聚氯乙烯材料的抗紫外能力，而且不影响材料的加工性能和热稳定性，所以特别适合于聚氯乙烯体系使用。Morton公司开发了SB-8和SB-27两种OIT浓缩母粒，SB-8的OIT浓度为10%，载体为聚烯烃材料，SB-27的OIT的含量为9.9%，载体为聚氯乙烯和助剂，这两种母粒用于室内的推荐添加量为1.5%，用于室外的推荐量为2-2.5%。Akcros Chemical公司也开发了Intercide OBF-8-DIDP和 Intercide OBF-8-ED6两个系列的抗菌聚氯乙烯材料，前者是通过将OIT溶解于增塑剂DIDP中制得抗菌的聚氯乙烯材 料，适用于挤出件、注塑件和薄膜，同时还可以用于改性聚氨酯材料。后者是将OIT溶解于低粘度的环氧增塑剂Lankroflex ED6中，值得聚氯乙烯材料，该材料适用于各种片材如塑 [6]料壁纸、防水布等。 11. 醋酸洗必泰 ，6-双(对氯苯双胍)-己烷二乙醋酸洗必泰(chlorohexidine acetates)，化学名称为1 酸盐，白色结晶，无气味，熔点155?(一般工业品熔点可能略低几度)，分解温度为260?，可溶于水和乙醇。 NHNH NHCNHCNHCl .2CH COOH3)26(CH NHCNHCNHCl NHNH 醋酸洗必泰不仅对金黄色葡萄球菌等格兰阳性菌和大肠杆菌等格兰阴性菌及霉菌具有很好的抑制作用，而且对病毒尤其是乙肝病毒有良好的抑制作用，是一种具有特色的新型抗菌剂。适用于医疗卫生用品、塑料橡胶制品和食品等的抗菌防霉。用量一般为500-1000ppm。 二、 有机抗菌剂的抗菌机理 有机抗菌剂和无机抗菌剂的抑制细菌的作用是不同的，对于有机抗菌剂，其主要作用机理是通过和微生物细胞膜表面阴离子结合逐渐进入细胞，或与细胞表面的巯基等基团反应，破坏蛋白质和细胞膜的合成系统，抑制微生物的繁殖。微生物细胞的外膜是半透明膜，由脂肪层和蛋白质构成，内外两层是蛋白质，中间夹着脂肪层，因此要渗透微生物细胞膜需要有机抗菌剂具有亲水性和亲油性，例如对苯二甲酸分子里引入带6个碳原子的侧链可以提高对微生物的杀菌能力就是借助增加抗菌剂的亲油性来提高其对微生物细胞的渗透力。 有机抗菌剂品种繁多，各种微生物的菌体间也各不一样，其作用机理也随相互种类而异，一般可通过如下途径: (1) 降低或消除微生物细胞内各种代谢酶的活性，阻碍微生物的呼吸作用。微生物在呼 吸时消耗糖类物质、释放能量维持细胞内各种成分的合成和利用、能量储存及转化都涉及酶类物质。如果抗菌剂进入菌体后能和酶类物质结合，并在一定程度影响酶的活性，那能量代谢体系的运转就会受到影响，呼吸作用也就被抑制或停止。如硫氰酸酯类化合物进入菌体后就可和菌体内酶分子中的巯基、氨基起作用，使之失活而产生抗菌效果。 (2) 抑制孢子发芽时孢子的膨润，阻碍核糖核酸的合成，破坏孢子的发芽，这一机理对抑制产生孢子的微生物有重要意义，尤其是对于防霉抑制霉菌生长和繁殖有重要意义。有机锡抗菌剂能通过该机理抑制微生物。 (3) 加速磷酸氧化体系，破坏细胞正常生理机能。醌类抗菌剂通过该机理抑制微生物的生长繁殖。 (4) 阻碍微生物的生物合成，干扰微生物生长和维持生命所需要的物质的产生过程，部分有机抗菌剂能够破坏核酸的正常生成，这当然也就破坏了酶等蛋白质分子产生的物质基础，进而破坏了微生物的生长和繁殖。 (5) 破坏细胞壁的合成。部分微生物如真菌有一层细胞壁，它是真菌等同外界进行新陈代谢，保持内部环境恒定的一种屏蔽物质。真菌的细胞壁由几丁质(甲壳素)组成，部分有机抗菌剂对UDP-乙酰葡萄糖胺转化酶起抑制作用，使待聚合的乙酰葡萄糖胺不能形成几丁质，细胞壁的形成受到破坏，导致细胞内物质外泻，使微生物死亡。 (6) 阻碍类酯的合成。这是最近研究发现的一种新的有机抗菌剂作用机制，这种作用机制是日本理化学研究所在研究代森类、福美类有机抗菌剂时发现。研究人员发现部分有机抗菌剂对蛋白质为基质的呼吸作用影响不大，但对醋酸酯基的夺取有阻碍作用，其作用点为抑制微生物的类酯类化合物的合成系统，达到抑菌或杀菌的目的。 参考文献 1 吴永红，步平，陈霞等，日用化学品科学，1997;(3):53 2 上海农药研究所，工业防霉剂产品简介和使用说明，1995 3 Doug Smock，PLASTICS FORMULATION AND COMPOUNDING，1997:(2):16 4 Anon. 机能材料(日)，1995;15(7):40 5 周丽莉，李继国，许旭东，塑料科技，1996;(2):20 6 伊藤田雄，工业材料(日)，1997;45(8):41 7 Sawai J，Kawada E，Igarshi H，J Chem Eng. 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