镀陶纸陶瓷颜料的制备及其抑菌性能研究

红陶土、白陶土、粗陶土、紫砂泥，均购于小泥人泥场；乙烯利（有效成分含量40%，上海华谊集团华原化工有限公司）；硝酸银（分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司）；氨水（分析纯，天津市天力化学试剂有限公司）；葡萄糖（分析纯，天津市瑞金特化学品有限公司）；氢氧化钾（分析纯，天津市永大化学试剂有限公司）。

中高温电窑（LC-DDY-S05B，景德镇澜川陶瓷文化有限公司）；研磨机（A11 basic，德国IKA公司）；标准试验筛网（ISO3310-1，英国恩德公司）；真空干燥器（PC-3，上海三麝实业有限公司）；电热式压力蒸汽灭菌锅（XFH-40CA，浙江新丰医疗器械有限公司）；Boxum超净工作台（SW-CJ-2，上海博迅医疗生物仪器股份有限公司）；气浴恒温振荡器（SHZ-82，常州金坛良友仪器有限公司）；X射线衍射仪（D/Max2200，日本理学株式会社）；扫描电子显微镜（QUAN-TA2200，美国FEI公司）；培养皿。

选取正交实验最优条件下制备的陶瓷颜料进行化学镀银。

在50℃的条件下，将陶瓷颜料置于0.5 mol/L的NaOH溶液中，搅拌120 min后，使用去离子水清洗3次，放入电热鼓风干燥箱中在100℃条件下干燥，获得预处理陶瓷颜料。

向一定浓度的AgNO₃溶液中缓慢滴加氨水，直到生成沉淀后，滴加11 g/L的KOH溶液，溶液变为黑色后，继续滴加氨水，直至溶液澄清透明，获得银氨溶液。将4 g预处理后的陶瓷颜料加入400 mL配制好的银氨溶液中，避光搅拌120 min，获得A液。配制400 mL的11 g/L的葡萄糖溶液，获得B液。在避光条件下，将A液和B液在50℃下预热30 min后混合，搅拌30 min，过滤出镀银陶瓷颜料，用蒸馏水洗涤，100℃下干燥120 min，得到改性陶瓷颜料。操作流程如图1所示。

图1  改性陶瓷颜料的制备

Fig. 1  Preparation of modified ceramic pigment

实验主要参照GB/T 39101—2020及相关文献进行^[16-18]。在超净工作台的无菌条件下，用营养琼脂配制保藏菌种的斜面，将金黄色葡萄球菌（S.aureus）、大肠杆菌（E.coli）在斜面培养基上进行活化，用生理盐水配成10⁴ CFU/mL左右的菌悬液，振荡均匀。取200 μL菌悬液均匀涂布在倒好营养琼脂的培养皿上。将改性陶瓷颜料使用压片机制成直径为2.5 mm的固体粉末圆片，进行2 h的紫外灭菌后，贴在含菌平板中央。以未镀银陶瓷颜料为空白样，改性陶瓷颜料为试样，每组做3个平行样，在培养箱中，37℃下培养24 h后测量抑菌圈直径大小，抑菌圈直径计算方法如式(2)。

主要参照GB/T 21510—2008以及相关文献进行^[19-20]。首先分别配制8、4、2、1、0.5、0.25 mg/mL的改性陶瓷颜料悬浮液，与液体培养基按体积比1∶1混合，然后取0.1 mL含菌量约10⁵ CFU/mL菌悬液接种于含改性陶瓷颜料的液体培养基的试管中，将其作为实验组；另取一瓶培养基，加入无菌水和菌液，将其作为对照组；将实验组和对照组分别混匀后置于37℃恒温振荡培养箱中，1000 r/min振荡培养24 h，肉眼观察试管中细菌生长情况，即观察液体是否浑浊，未浑浊的最低浓度为MIC^[21-23]。取100 μL样品转移到固体培养基上，37℃培养24 h后观察菌落生长情况，导致99.9%以上细菌死亡的抗菌材料浓度为MBC^[24]。

陶瓷颜料粒径是影响陶瓷颜料吸附乙烯效果的重要因素。图2为颜料粒径对乙烯吸附量的影响。从图2可以看出，当烧结温度为1000℃，陶土种类为红陶时，随颜料粒径增大，陶瓷颜料的乙烯吸附量呈先升后降的趋势，当颜料粒径为300目时，陶瓷颜料的乙烯吸附量最高。比表面积是影响物理吸附的重要因素，比表面积越大，其物理吸附能力越强。随着陶瓷颜料粒径的减小，陶瓷颜料的比表面积逐渐增大，但是随着研磨时间和力度的增大，陶瓷表面部分多孔结构部分会被研磨掉，降低了陶瓷颜料的比表面积，因此乙烯吸附量随粒径的减小先增大后减小。

图2  陶瓷颜料粒径对乙烯吸附量的影响

Fig. 2  Effect of ceramics pigment diameter on the amount of ethylene adsorption

烧结温度决定了陶瓷颜料晶界、气孔的形成及致密化的程度，是影响陶瓷颜料吸附乙烯效果的重要因素。当陶瓷颜料粒径为300目、陶土种类为红陶时，探究烧结温度对陶瓷颜料乙烯吸附量的影响。图3为烧结温度对乙烯吸附量的影响。由图3可知，陶瓷颜料的乙烯吸附量随着烧结温度的升高先上升后降低，在烧结温度为1000℃时，陶瓷颜料的乙烯吸附量达到最高。结合后续的SEM观察不同温度烧结而成的陶瓷表观形貌，未烧结和800℃烧结的陶瓷表面不存在规则的气孔，只有松散的孔隙网络，而1200℃烧结的陶瓷虽然存在一定的气孔，但是其气孔数量低于1000℃烧结的陶瓷，除此之外，由于烧结温度的升高，在1200℃的时候，陶瓷倾向于形成更加致密化的结构，气孔多为不规则的细长条形结构，这可能是1000℃烧结的陶瓷乙烯吸附性能优于其它烧结温度制备陶瓷的原因^[25]。

图3  烧结温度对乙烯吸附量的影响

Fig. 3  Effect of sintering temperature on the amount of ethylene adsorption

陶土种类不同，所含硅铝元素等矿物元素的比例不同，所烧结的陶瓷颜料结构、性能也会存在很大的差异。当颜料粒径为300目、烧结温度为1000℃时，探究陶土种类对陶瓷颜料乙烯吸附量的影响。图4为陶土种类对乙烯吸附量的影响。由图4可以看出，红陶的乙烯吸附量高于其他3类陶土，结合后续的SEM测试发现，这4种陶土的表观形貌，红陶与其他3种陶土相比，其气孔形状规则且数量多，这也是其对乙烯吸附量优于其它3种陶土的原因。

图4  陶土种类对乙烯吸附量的影响

Fig. 4  Effect of clay types on the amount of ethylene adsorption

扫描电子显微镜（SEM）用于分析陶瓷颜料的表面形貌，可以观察到陶瓷颜料的晶粒尺寸、晶粒生长情况以及气孔大小等微观形貌。图5是红陶分别在未烧结和800、1000、1200℃烧结72 h，300目制备陶瓷颜料的SEM图。从图5可以看出，未烧结的陶土为层状无序堆叠、疏松、散落的结构状态。800℃烧结的陶瓷颜料与未烧结的陶土相比，组织未发生明显变化，仍然是层状、无序堆叠的状态，但是与未烧结的陶土相比，片状结构增多，堆叠程度较为紧密。1000℃烧结的陶瓷颜料其表观形貌与前2种样品差距较大，陶瓷颜料颗粒结构十分致密，由层状无序堆叠的疏松型孔隙网络逐渐形成隔离的闭孔，孔隙球化，形成类似蜂窝状的结构。1200℃烧结的陶瓷颜料表面虽然存在很多孔隙结构，但是大多数气孔失去了近似球形的轮廓特征，多为细长条状，气孔尺寸减小，可能是由于烧结温度的提高导致晶相转变，使陶瓷颜料趋向于成为更加致密的结构。由此分析得出，1000℃烧结的陶瓷颜料与其他3种相比，气孔数量较多且形状规则，从而具备更好的乙烯吸附性能。

  

  

  

  

图5 不同烧结温度制备陶瓷颜料的SEM图

Fig. 5 SEM images of ceramics pigments prepared at different sintering temperatures

图6是不同种类的陶土在烧结温度为1000℃、粒径为300目的条件下制备的陶瓷颜料SEM图。由图6可以看出，白陶、粗陶和紫砂其表面趋近于平滑状态，结构致密，只存在少量的不规则气孔。与其他3种陶土相比，红陶烧结的陶瓷颜料，孔状结构明显，多呈规则的球状，表面呈蜂窝状。这可能是由于这4种陶土，其成分中所含硅铝等矿物元素的比例不同，导致晶相的转变有所差异。由此可以分析得出，红陶陶瓷颜料的多孔结构有利于吸附乙烯。

  

  

  

  

图6 不同陶土制备陶瓷颜料的SEM图

Fig. 6 SEM images of ceramics pigments prepared from different clays

图7为红陶陶土在300目、不同烧结温度制备的陶瓷颜料XRD图。由图7可知，未烧结的原始坯土的主要成分为石英、伊利石和少量的高岭石。烧结至800℃时，高岭石衍射峰消失，这是由于高岭石在480℃左右由高岭石分解反应成为偏高岭石。烧结至1000℃时，产生新晶相，即莫来石晶相。烧结温度至1200℃时，石英衍射峰非常明显。石英的主要特征峰随着温度的升高，强度逐渐增大、尖锐，说明石英的含量与结晶度随着温度的升高越来越高，结合图5，发现结晶度在一定程度的升高，导致陶瓷颜料产生孤立的气孔，有利于乙烯的吸附，但是结晶度过高会导致陶瓷颜料结构致密化，气孔消失，不利于乙烯的吸附。

图7  不同烧结温度制备陶瓷颜料的XRD图

Fig. 7  XRD curves of ceramic pigments prepared at different sintering temperatures

通过对4种不同种类陶土制备的陶瓷颜料进行XRD测试，结果如图8所示。从图8可以看出，4种陶土在300目、1000℃的烧结条件下，其主要矿物组成均为莫来石和石英。仔细观察4种陶土的XRD图，发现紫砂和粗陶的石英含量较高，而红陶和白陶的石英含量较少。紫砂和粗陶的莫来石、石英的特征峰与红陶和白陶相比，峰型更加尖锐，这说明紫砂和粗陶中矿物成分的结晶度更高，形成的结构更加致密，参照图5这4种不同种类陶瓷的SEM也印证了这个结果，紫砂和粗陶的表面形貌相比于红陶和白陶更加致密，几乎找不到气孔。而红陶在2θ$\theta$为20°～30°区间，存在馒头峰，这说明在烧结温度为1000℃时，红陶还存在一定的非晶相成分，推测这些非晶相成分使红陶在1000℃还未完全形成致密结构，从而存在更多气孔，有利于乙烯的吸附。

图8  不同陶瓷颜料的XRD图

Fig. 8  XRD curves of different ceramic pigments

图9是陶瓷颜料镀银改性前后的照片。未镀银改性陶瓷颜料为土黄色，呈颗粒状；镀银改性后的陶瓷颜料呈金属银灰色，这直观地说明了金属银成功地沉积在了陶瓷表面。

  

  

图9 改性前后陶瓷颜料表面宏观图

Fig. 9 Macro view of the ceramic pigments surface before and after modification

图10为镀银改性前后陶瓷颜料的SEM图。从图10可以看出，陶瓷颜料改性前后的微观表面形态存在明显的变化。改性前，陶瓷表面存在孔隙、平整光滑，而改性后的陶瓷表面沉积有一层均匀的银颗粒。从镀银陶瓷颜料的SEM图可以看出，陶瓷表面的银镀层比较均匀、致密，镀银效果良好。但是，与未镀银陶瓷颜料相比，改性陶瓷颜料的孔隙和表面结构发生了一定变化，因此在后续实验中需要进一步测试陶瓷颜料的乙烯吸附量。

  

  

图10 改性前后陶瓷颜料的SEM图

Fig. 10 SEM images of ceramics pigments before and after modification

为了进一步确定陶瓷颜料成功镀上了银粒子，对改性前后陶瓷颜料进行了XRD表征。图11为改性前后陶瓷颜料的XRD图。由图11可知，在2θ$\theta$为38.6°、44.66°、64.8°、77.48°出现了银衍射峰，这也说明了银颗粒成功镀覆到了陶瓷的表面。此外与未改性陶瓷颜料相比，改性陶瓷颜料石英和莫来石相对应的衍射峰的强度明显减少，这也表明陶瓷表面的石英和莫来石被银所覆盖。

图11  改性前后陶瓷颜料的XRD图

Fig. 11  XRD curves of ceramics pigments before and after modification

在37℃培养24 h的条件下，不同浓度的硝酸银溶液改性陶瓷颜料的S.aureus抑菌圈如图12所示。由图12可知，不同浓度的硝酸银改性陶瓷颜料对S.aureus均存在抑菌性，在改性陶瓷颜料的周围存在明显的抑菌圈，其抑菌圈直径在0.5~0.8 cm之间，而未改性陶瓷颜料周围基本上没有抑菌圈。

  

  

  

  

  

  

  

图12 不同浓度的硝酸银溶液制备的改性陶瓷颜料对S.aureus的抑菌圈

Fig. 12 Inhibition zone of S.aureus of modified ceramics pigments prepared with different concentrations of silver nitrate solution

注   （a）未改性陶瓷颜料；（b）5 g/L；（c）7 g/L；（d）9 g/L；（e）11 g/L；（f）13 g/L；（g）15 g/L。

在37℃培养24 h的条件下，不同浓度的硝酸银溶液改性陶瓷颜料对E.coli的抑菌圈如图13所示。从图13可以看出，不同浓度的硝酸银改性陶瓷颜料对E.coli均存在抑菌性，在改性陶瓷颜料的周围存在明显的抑菌圈，其抑菌圈在0.5~0.8 cm之间，而未改性陶瓷颜料周围基本上没有抑菌圈。

  

  

  

  

  

  

  

图13 不同浓度的硝酸银溶液制备的改性陶瓷颜料对E.coli的抑菌圈

Fig. 13 Inhibition zone of E.coli of modified ceramics pigments prepared with different concentrations of silver nitrate solutions

注   （a）未改性陶瓷颜料；（b）5 g/L；（c）7 g/L；（d）9 g/L；（e）11 g/L；（f）13 g/L；（g）15 g/L。

根据HG/T 3794—2005标准，无机抗菌剂的MIC<8 mg/mL为抗菌性能合格，实验结果如表3~表5所示。由表3~表5的实验结果，进一步分析比较了使用不同浓度的硝酸银溶液制备的改性陶瓷颜料对E.coli和S.aureus抑菌效果的强弱^[28]。从表3～表5可知，使用不同浓度的硝酸银溶液制备的改性陶瓷颜料对S.aureus、E.coli均达到了无机抗菌剂的标准。而使用7 g/L的硝酸银溶液制备的改性陶瓷颜料对S.aureus、E.coli的MIC和MBC低于使用其他浓度的硝酸银制备的改性陶瓷颜料，其对S.aureus的MIC和MBC分别为2 mg/mL和4 mg/mL，对E.coli的MIC和MBC分别为1 mg/mL和4 mg/mL，具备优良的抑菌效果。