银离子注入ABS树脂抗菌性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西南大学材料与能源学部 作者:李崇

  用MEVVA 源将银离子注入ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)树脂表面,研究在注入剂量为1.0×1016 ions/cm2、注入能量由5 keV 到30 keV 材料的抗菌性。通过X 射线光电子能谱(XPS) 及拉曼(Raman) 光谱对样品表面进行了表征,并测试样品的疏水性和抗菌性。结果表明:载能离子导致ABS 树脂表面部分化学键断裂,并出现失氢、富碳,而银以离子形式存在其氧化物中;材料表面的接触角变大,由亲水性材料变为疏水性材料;银离子注入后材料具有良好的抗菌性能,抗菌效果随着离子注入能量的增加呈现降低趋势。

  塑料已经广泛渗透于人类生活中的各个方面,我们日常接触的众多塑料产品中带有大量的细菌,频繁与其接触或多人共同使用,都可能使其成为细菌的污染源和疾病传播源。因此制备相应的抗菌塑料制品近年来正在成为热点,其中采用表面改性方法处理塑料以提高材料抗菌性能的相关研究备受关注。

  离子注入技术作为材料表面改性重要方法之一,有许多不同于常规表面处理技术的优点,如:在低温下进行注入,工件的尺寸精度不受影响;通过对注入离子数量及能量的控制来改变注入浓度与深度,注入离子完全渗进基体表面,不存在镀层与基底剥离等问题。离子注入技术可以优化表面性能的同时不改变材料基底本身的特性,使得生物材料表面有较大的改性宽度。在选用注入离子时,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为应考虑离子具有良好的抗菌效果,且对人体无害。银离子具有良好的广谱抗菌性且对人体无毒副作用,成为最佳的备选离子。

  本文采用金属蒸汽真空弧(MEVVA)离子源进行注入,采用具有优异综合性能的工程塑料ABS 树脂作为基底,对改性前后的材料进行XPS,Raman 表征,以此分析研究材料的表面成分;通过测量改性前后样品的水接触角,来检测材料疏水性能的变化;进行抗菌实验,对比材料改性后的抗菌效果并结合材料表征及材料水接触角实验结果对材料的抗菌性能进行综合理论分析。

1、实验方法

1.1、实验样品的制备

  本实验样品选用在工程制造领域已经广泛应用且成本低廉的ABS 树脂作为基底(8 cm×4 cm)。离子注入用北京师范大学低能核物理研究所研制的MEVVA 离子注入机完成。实验的本底真空度为10-4 Pa,靶材为99.99%的高纯银,束流设定0.1 mA。注入剂量:1.0×1016 ions/cm2,注入能量分别为:5 keV,10 keV,20 keV,30 keV。试样在注入前后均置于丙酮和酒精中进行超声波清洗,去除表面污染。

表1 样品编号表

样品编号表

1.2、实验样品表面的表征

  ABS 树脂改性前后,用XPS 谱仪分析表面成分,仪器为英国Thermo Scientific 公司的ESCALAB250Xi 型电子能谱仪,非单色Al Ka(1486.6 eV)为X射线源,工作电压13 kV,阳极电流18 mA;用Horiba Jobin Yvon 公司生产的Lab RAM Aramis 型激光共聚焦拉曼光谱仪表征注入前后各试样表面物质的分子结构,其中激发波长532 nm,输出功率3 mW。

1.3、样品水接触角的测量

  本实验选取样品pure-ABS,Ag5-ABS,Ag10-ABS,Ag20-ABS,Ag30-ABS 中光洁度较高的部分,并将该部分样品均裁剪至5 mm×5 mm。将样品放置于去离子水中超声清洗10 min,然后在室温下放置于滤纸上晾干,再放入干燥器内干燥24 h。取出样品,用上海中晨数字技术设备有限公司生产的接触角测量仪(2011JC129) 测量样品水接触角,测量时将针状进样器接近样品表面,缓慢滴加液体至1 μL,形成座滴,迅速截图,测量五次取平均值,即为该样品接触角的一个实验值,同一个样品测量两次接触角的实验值,然后求其平均值即为该样品的接触角。

1.4、抗菌实验

  本实验采用大肠杆菌作细菌株,分别取样品pure-ABS,Ag5-ABS,Ag10-ABS,Ag20-ABS,Ag30-ABS各一片,其面积均为2 cm×1 cm。将样品置于浓度为75%的酒精溶液中超声波清洗10 min,取出后用滤纸擦拭干净,放入低温烘箱内烘干。将大肠杆菌液浓度稀释至104~105 CUF/mL,在每个试管中滴入4 mL 大肠杆菌菌液,随后将样品分别放入试管中,摇晃均匀后将放有样品的试管置于37 ℃的恒温箱中培养24 h。培养完成后从放有样品的试管中取细菌液50 μL,滴在无菌琼脂平板上,涂布均匀后再倒置于37 ℃恒温箱中培养24 h。统计平板上的细菌菌落数,并计算每个样品的抗菌率。抗菌率公式为:

银离子注入ABS树脂抗菌性能研究

3、结论

  (1)MEVVA 源在ABS 树脂片中注入银离子后,通过XPS 表征,发现银离子注入后以离子状态存在于其氧化物之中,使得ABS 树脂有较高的抗菌性能;通过拉曼光谱(Raman)分析,发现组成材料的键被离子轰击后出现一定程度的断裂,离子注入引起ABS 树脂失氢、形成富碳层,表征中出现无序石墨峰。

  (2)ABS 树脂注入银离子后与水的接触角变大,由亲水性材料变为疏水性材料。随着离子注入能量的增加,ABS 塑料与水的接触角变化不大。

  (3)ABS 树脂片注入银离子后显示出良好的抗菌性能,在注入剂量为1.0×1016 ions/cm2、注入能量为5 keV 时,抗菌率达到95.04%。银离子注入后ABS 树脂的抗菌效果随着注入能量的增加呈现降低趋势。通过XPS 表征发现银以离子态存在,这样有利于增强抗菌效果,通过水接触角实验发现改性后材料水接触角增大,不利于某些细菌的粘附,这些都为改性后的材料具有良好的抗菌性能提供了理论支撑。

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