编号：TCHY00016

篇名：抗菌陶瓷材料的现状与趋势

关键词： 抗菌 陶瓷

原文： 人类为了自身的健康，战胜细菌和微生物的危害，发明了一些既能杀灭有害微生物，抑制其繁殖，又对人体无害的技术和产品。 　　早在400年前，古埃及就开始利用特殊草药对尸体进行抗菌、防腐处理。第二次世界大战中，德国军队由于采用了含季按盐抗菌剂的军服，使受伤后二次感染的机率大大降低，这是抗菌材料走向实用化的第一个成功范例。在我国，抗菌材料的起源可以追溯到古代，人们采用银、铜器皿，盛装鲜奶而不变质。 　　到17世纪，人们才有意识地将抗菌剂用于医药方面，20世纪开始用于衣、食、住方面，以控制和消灭有害微生物。80年代出现抗菌防臭纤维制品以后，抗菌材料陆续被用于木材、计算机、玩具等人们日常接触的领域。 　　1996年，日本发生大肠菌O－157感染事件以后，掀起了“抗菌热”，不仅在医院、公共场所和住宅，连生活用品、生产工具都逐步采用抗菌材料。抗菌剂的年销售量超过了210亿日元，生产厂有100多家。抗菌制品销售量达500亿日元以上。日本最大的两家建筑用瓷和卫生瓷公司INAX（株）和TOTO（株）的产品，现均已改为抗菌陶瓷制品。随着人们健康意识的增强和对卫生洁具要求的提高，抗菌陶瓷已成为建材行业中的新宠。 　　此外，保健功能材料的研究是从远红外陶瓷材料开始的。例如，巴西等国家发现了碧玉（电气石）等一类天然石材对人体的保健作用，并研制出了高净化和抗菌卫生陶瓷。 　　在国内，远红外保健制品已经大量上市，市场上已有许多远红外纺织保健制品出售。但是，无机抗菌材料的研制工作是近年才开始的。从1993年开始，中国建材科学研究院开始研制保健一抗菌材料，至今已研制出远红外陶瓷粉、无机抗菌剂、光催化功能玻璃杯和净化功能建材等。这些材料和制品除在表面具有抗菌、防霉、自洁、净化功能以外，还具有一定的有益于健康的其他功能。 　　一、抗菌材料 　　抗菌材料可以分为无机抗菌材料和有机抗菌材料两大类。后者使用寿命短，不易用于建材领域。无机抗菌材料则相反，多数可用于建筑卫生陶瓷和日用陶瓷领域。这类材料如下： 　　(1）金属氧化物都具有一定程度的抗菌性。抗菌效果依次为：AgO、CuO、ZnO、CaO、MgO。 　　(2）含金属离子、以硅酸盐为载体的抗菌剂。金属离子的抗菌效果依次为：Ag、Co、Ni、Cu、Zn、Fe等，常用的是Ag、Cu、Zn等。 　　(3）光催化抗菌净化材料。其原理是利用光照射下产生的活性氧。如TiO2抗菌净化材料同时具有净化、自洁和抗菌功能，并可长期发挥作用。因此，这类产品在环保方面有着广泛的应用前景。但目前，采用溶胶—凝胶制备陶瓷、搪瓷和玻璃制品时，需要专用设备，控制难度较大，产品成本高，且抗菌性能较差。 　　二、抗菌陶瓷 　　目前，生产抗菌卫生陶瓷的主要方法有：一是在高温下，将能够抑制细菌生长的Ag+烧结在陶瓷器件的表面，不仅可以避免陶瓷器件滋生细菌，而且细菌一但附着在上面就会被杀死；二是利用高温将光电催化剂TiO2烧结在陶瓷器件表面，当荧光灯放出的紫外线冲击到它上面时，TiO2即发生活性氧，溶解有机物质，从而阻止细菌的生长，同时还可除去室内臭气，保持空气无异味；三是在普通陶瓷器件的表面，涂上一层TiO2，外面再涂敷Cu和A的化合物。在荧光灯的照射下，能发挥最大的杀菌功效，1h内可杀死99％的葡萄球菌。下面介绍2种已大量生产的抗菌陶瓷。 　　1、银系抗菌陶瓷 　　将抗菌效果好、安全可靠的银、铜等元素加入到陶瓷釉料中，经施釉和烧结后，使之在陶瓷表面的釉层中均匀分散并长期存在。银、铜一般以其特殊的无机盐形式（用锆酸盐或硅酸盐作载体用）引入，在高温烧成时应抑制银的高温反应和着色。在工艺技术上，需从釉料的组成、烧成温度和气氛等方面采取相应措施。 　　其杀菌机理是釉中Ag+（此外还有Cu2+、Zn2+等）非常缓慢地溶出，通过扩散到达细胞膜并被细胞膜吸附，细胞膜因此被破坏，致使细胞不新陈代谢。Ag+、Cu2+、Zn2+对于微生物（细菌、霉菌、病毒、广义上还包括藻类和原生动物）是具有毒性的，它能破坏细胞的活动能力（杀菌作用和抑菌作用）。例如：Ag+会置换出SH酶硫醇中的H离子：R－SH＋Ag+→R－Sag＋H+（AgS↓析出）。可见Ag+切断了S—S结合，生成AgS，致使微生物的新陈代谢被破坏，从而产生了杀菌作用。 　　从安全性来看，Ag、Cu很早就被用作首饰、餐具和医药器材，抗菌陶瓷制品所用的银系抗菌剂，经有关的医学试验表明，也具有很高的安全性。 　　日本食品分析中心曾对抗菌陶瓷测试过抗菌效果。将含有已知细菌浓度的溶液置于抗菌釉面上，观察上面生存的细菌数，经保持一定时间后，抗菌陶瓷制品上的细菌数已不到普通陶瓷制品的1％。这种抗菌效果能有效防止处于阴暗潮湿、卫生死角（如大、小便器）上的细菌，并能除去尿液结垢和臭味。 　　2、氧化钛光催化系抗菌陶瓷 　　所谓光催化材料，就是通过吸收光而处于高能状态，并以此能量与某些物质发生化学反应的材料。例如二氧化钛（TiO2），其光催化作用与太阳能电池的工作原理相似。在阳光作用下，TiO2发生电离而产生带负电的电子和带正电的空穴。这种电子和空穴具有很强的还原和氧化能力，能与水或水中的氧发生反应，生成OH-或O2-，其作用与漂白粉和双氧水一样，由于氧化能力很强，因而具有很高的消毒杀菌功能。 　　在釉面砖的表面引入TiO2，可以制成合TiO2光催化的抗菌性陶瓷面砖。日本东陶公司已使这种抗菌性釉面砖商品化，开始在厨房、卫生间和医院使用。 　　不久前，日本一家公司生产出一种不用擦洗的抗菌自洁玻璃。它是采用目前成熟的镀膜玻璃技术（磁控溅射、溶胶一凝胶法等），在玻璃表面覆盖一层TiO2薄膜。这层薄膜在阳光下，能自行分解出自由移动的电子，同时留下带正电的空穴。空穴能将空气中的氧激活变成活性氧，这种活性氧能把大多数病菌和病毒杀死；同时它能把许多有害的物质以及油污等有机污物分解成氢和二氧化碳，从而实现了消毒和玻璃表面 的自清洁。在居室中使用，还可有效地消除室内的臭味、烟味和人体的异味。 　　以陶瓷粉末为载体，在表面包覆TiO2光催化的粉末状陶瓷制品，在环保方面展示了广阔的应用前景。例如，它能分解卷烟的烟臭味，使大气污染物质Nox和Sox无害化；在水处理方面，它能降解一些难于分解的化学物质，也可使泄漏在海洋中的原油分解。总之，TiO2光催化陶瓷对净化生态环境具有重要意义。 　　三、发展趋势 　　自1992年联合国环境与发展国际会议以来，出现了生态环境建筑材料、生态环境建筑、无菌、抗菌材料和有益健康型材料等，它们都是生态环境材料这一大类中的分支。而应用于食品和医疗方面的抗菌剂，正在向日常生活和建材领域发展并得到应用，最终发展成抗菌材料。除了抗菌陶瓷以外，抗菌建材还有抗菌玻璃、抗菌涂料等。 　　抗菌材料涉及细菌微生物学、催化、光化学、物理化学、材料科学等多个学科领域，技术难度较大。目前，仅有日本等极少数发达国家掌握此项技术，但由于对保健抗菌机理认识不深，又没有统一的检测标准，所以尽管有许多专利报导和公司厂家的同类产品问世，但性能指标差距较大。 　　当前，抗菌材料主要存在以下急需解决的问题： 　　（1）溶胶—凝胶法制备抗菌保健剂，生产抗菌陶瓷、搪瓷、玻璃等产品，需要专用设备，工艺参数控制难度较大，大批量生产困难较多，产品成本也较高。 　　（2）普遍使用的抗菌材料中如Ag的含量超过3％，则产品质量不易保证，生产成本也高。 　　（3）保健抗菌理论和评价技术方面比较空白，需要深入开展研究工作，多出成果。 　　抗菌（杀菌）陶瓷是一种新型功能陶瓷，技术含量高，它在保持陶瓷制品原有使用功能和装饰效果的同时，又增加了消毒杀菌及化学降解的功能。随着人民生活水平的提高以及对生活质量和环境保护的重视，它的应用领域和市场前景也将日益广阔。 　　据权威部门的预测，到2004年全国共需建筑陶瓷6.0－6.5亿m2,卫生陶瓷5000万件。但在今后2－3年内，国内高档产品的生产能力与市场实际需求相差甚远。因此，如果国内企业能捷足先登，即使占领全国陶瓷市场的较小份额，经济效益也会十分可观的。专家们断言，21世纪所有的材料都要考虑保健和对环境的影响，应发展兼有抗菌和净化功能的生态环境材料。这些新一代材料是以原来的材料为载体，外加光催化剂和保健抗菌剂制造成功的，而此种外加剂又是利用新的催化剂来提高各种材料的二次催化新功能。 　　传统建材与环境功能材料一体化，是21世纪建材的主要研究方向与目标。目前，山东章丘市刚玉制品厂在净水领域方面已经取得了研究成果，并以将产品投放市场。