随着科技的飞速发展和人民生活水平的不断提高，构建良好的生态环境、提高生活质量、环保这一思想逐渐成为人们关注的话题，有抗菌功能的日用陶瓷、建筑陶瓷的开发和生产逐渐成为人们的关注对象。抗菌陶瓷是一种新型的环保功能材料，技术含量高，生产工艺稍显复杂，一方面它既包括陶瓷制品原有的使用功能和装饰效果，另一方面其增加了抗菌及化学降解的功能。多功能的特性让其广泛应用于卫生、医疗、家庭居室、民用住宅或工业建筑等各个领域。

 

抗菌材料与抗菌陶瓷

那么什么是抗菌陶瓷？抗菌陶瓷按照JT/C 897-2014《抗菌陶瓷制品抗菌性能》给出的定义，抗菌瓷砖是具有抗菌功能的瓷砖。

那么“抗菌”又指的是什么呢？抗菌材料中的“抗菌”的概念是相对于其他一些相关术语而来的，例如“灭菌”指完全杀死或除去微生物；“杀菌”指杀死一部分微生物；“消毒”指杀死一部分病原性微生物；“除菌”是指除去微生物；“制菌”指阻止特定微生物的繁殖；“净菌”指组织或控制微生物增殖；“防腐”指防止微生物腐化；“抗菌”是灭菌、杀菌、消毒、除菌、制菌、净菌、防腐、防霉及防菌的总称。而抗菌材料按照化学物质内部成分的不同，可以将抗菌材料分为天然、无机和有机抗菌材料。常见的抗菌材料分类及优缺点如下表所示：

类别	天然抗菌材料	无机抗菌材料	有机抗菌材料
常见材料	植物精油、壳聚糖、抗菌肽等	金属离子、金属氧化物、纳米级金属材料等	季铵盐类、多酚类、吡啶类等
抗菌机理	微生物的拮抗作用,细胞渗透性的改变,杀菌物质的缓慢释放	接触杀菌,金属离子溶出杀菌,活性氧杀菌	通过静电吸附作用杀菌,协同杀菌
优点	绿色、安全,广谱抗菌,良好的生物相容性	化学性质稳定,抗菌效果持久性好,使用安全	抗菌效果强,价格便宜
缺点	提取工艺复杂,抗菌效果持续时间较短	光催化抗菌材料要在光照条件下才具有抗菌作用,部分抗菌材料成本较高	有较强的毒性,过度使用易产生耐药菌,受热易分解

抗菌材料分类及其优缺点

由表可知，相比于天然抗菌材料其抗菌效果持续时间较短和有机抗菌材料其较强的毒性，无机抗菌材料具有化学性质稳定，抗菌效果持久性好，使用安全的特点，这为抗菌陶瓷在日常生活中使用打下了基础。近年来研究的无机抗菌材料可以细分为三类：

（1）金属离子型无机抗菌材料

金属离子型无机抗菌材料主要是金属离子直接作用于细菌，抑制细菌生长或将细菌杀死，其用途最广、产量最大。其中银离子抗菌效果最强，过往研究最多的就是银离子，近年来，铜、锌、铁离子等也受到了广泛的关注。目前的研究认为，银、铜等金属离子的抗菌机理是：1.阻碍微生物的呼吸；2.阻碍微生物酶的合成、破坏蛋白质、损伤细胞膜；3.干扰DNA的结合。

 

（2）光催化抗菌材料

光催化抗菌材料是指金属氧化物（如常见的ZnO、SiO₂、TiO₂）必须在有光照的情况下，才能具有抗菌效果。抗菌机理主要是金属氧化物可以吸收光能，发生电子跃迁，生成带有强氧化还原性的物质。该物质与细菌细胞内的物质发生反应，阻碍了细胞内物质的正常合成，从而达到抑制细菌生长的作用。光催化性抗菌材料对大部分细菌具有很强的抑制效果，而且作用条件简单、安全，化学性质稳定。

 

（3）复合型无机抗菌材料

为了克服单一金属离子型无机抗菌剂的缺陷，人们采用将多种离子进行复合制备无机抗菌材料。目前出现了很多复合型抗菌材料，主要有：无机-无机复合型、无机-有机复合型、稀土元素激活银系、金属离子与光催化复合型、光催化复合型。相对于单一金属离子型抗菌材料，复合型抗菌材料有其自身的优点：无机-有机复合型抗菌材料的抗菌性既克服了有机抗菌剂易洗脱、耐热性不好等缺点又克服了无机抗菌剂抗菌的局限性，并综合了两者的优点：即复合型无机抗菌剂具有有机系的即效性、持续性和无机系的安全性、无变色性等特点。

 

东陶（TOTO）海洁特赛乐板抗菌效果图

抗菌陶瓷的制备

那么如何制备一块性能优良的抗菌瓷砖呢？目前业内以日本伊奈公司（INAX）和东陶公司（TOTO）为代表，逐渐形成了两大技术流派：金属离子掺杂型制备方法和光催化表面镀膜型制备方法。一种是将无机抗菌剂掺入面釉中，制得 抗菌面釉浆料，将其涂敷于陶瓷器表面，最后经烧结可制得抗菌陶瓷。但此种方法制备的抗菌陶瓷对抗菌材料耐热性的要求十分高，抗菌材料不宜寻得，另外烧制过程的工艺复杂。另一种抗菌陶瓷制备方法即在烧结好的陶瓷表面镀一层抗菌薄膜，以达到抗菌的效果。接下来我们重点介绍光催化表面镀膜型抗菌陶瓷的制备方法：

（一）浸渍提拉法

浸渍提拉法主要分为三个步骤：（1）制备溶胶-凝胶溶液；（2）提拉浸渍基质；（3）干燥焙烧基质成膜。一般来说，溶胶-凝胶法与传统的烧结方法相比较有以下优点：（1）成膜均匀度高，尤其是多组分制品，其均匀度可达分子或原子尺寸；（2）成膜纯度高，由于所用原料的纯度高，并且溶剂杂质在初处理过程中易被除去；（3）焙烧温度比传统方法低，因为所需的生成物在焙烧前已经初步成型，形成凝胶的比表面积很大；（4）反应过程易于控制，可大幅减少副反应的发生，并可避免结晶等。

 

浸渍提拉法示意图

（二）MOCVD

MOCVD法是将N₂或Ar等惰性气体以载气的形式通过含钛的金属有机物，当气相中的金属有机物浓度达到一定恒定值时，在高温条件下分解有机物，Ti便以TiO₂的形式沉积在基质上。使用该方法可以在几何形状复杂的基体表面涂覆，制备的涂层与基底结合十分牢固。MOCVD技术的优点有结晶结构和氧化程度易控制，沉积温度低和沉积速率高，薄膜的致密性、均匀性和覆盖性较好，可按预期生长多组元和多层结构的多功能金属氧化物薄膜，能直接由实验室转工业规模生产等。

（三）物理气相沉积法（PVD）

物理气相沉积法是利用热蒸发或辉光放电等物理过程，在基材表面沉积所需要的涂层，该法是制备硬质镀层的常用技术。其包括真空蒸发镀膜、离子镀和溅射镀膜。PVD法沉积温度较低，因此基底不易变形、开裂，并能保证镀层性能。TiO₂薄膜可通过电子束蒸发、活化反应蒸发、离子束溅射、离子束团束（ICB）技术、直流（交流）反应磁控溅射等物理气相沉积方法制备。

 

PVD真空镀膜技术示意图

（四）电泳

电泳法是利用带电粒子的迁移，在一定的直流偏压下使粒子聚集在导电基底上形成均匀的薄膜的成膜技术。电泳法制备的薄膜具有高平整度与高粗糙度的特点，薄膜的厚度可以通过成膜电流及成膜时间来进行控制。应用电化学方法制备的薄膜，也需要对膜进行热处理，该方法最大的缺点是必须依附在导电基底上成膜，但同时也正是由于导电基底的依附，成膜的效果有望获得更优良的光催化性质。

 

电泳法镀膜示意图

（五）液相沉积法（LDP）

液相沉积法是利用水溶液中氟的金属配离子和金属氧化物之间发生的化学平衡反应，将金属氧化物沉积到反应液中的底物上。此法特点在于只要用普通的设备就可将TiO₂膜沉积在各种形状的基底上，TiO₂成膜厚度和晶相都可实现人工可控，但缺点是不易得到纯的TiO₂膜。

 

液相沉积法制备TiO₂薄膜示意图

（六）TiO₂粉末料浆法

TiO₂粉末料浆法是以TiO₂粉末为原料，将其在有添加剂的水中分散并制成 TiO₂浆液，再将其负载在基底上，干燥后洗去附着不牢固的TiO₂粉末，即可用于光催化反应。此法的优点是可保持TiO₂粉体良好的光催化性能，不需要高温焙烧过程，故载体就可选用不耐高温的有机材料，应用更加广泛，但缺点在于涂层厚度不易控制。

结语

随着生活水平的提高以及健康意识的提升，社会公众对具有健康功能的产品越来越关注。消费者对产品健康功能的关注，反应到瓷砖产品上，就是对抗菌瓷砖这一品类产品的认可。消费者对抗菌功能的认可，就为抗菌瓷砖的市场推广提供了消费群体基础。因此，在当前新冠肺炎疫情影响持续发酵和“房子是用来住的，不是用来炒的”的房地产政策调控形势下，开发抗菌瓷砖，对于瓷砖企业而言，是应对产业危机、迎合消费需求的一个可行选择。而其市场前景，也非常值得期待。

 

参考来源：

（1）Zn/Ce、Zn/Y离子掺杂TiO2制备抗菌陶瓷及抗菌性的探讨，栾澈。

（2）Zn/Co共掺杂TiO2纳米材料抗菌陶瓷的制备工艺及其性能研究，薛菲。

（3）常见抗菌材料的研究进展，刘呈坤，江志威，毛雪，吴红。

（4）抗菌技术及其在瓷砖中的应用，张迎增。

（5）Zn、Zn/Ce、Zn/Y及B掺杂TiO2纳米材料的抗菌性能及抗菌陶瓷的制备，王昱征。

（6）液相沉积法制备TiO₂薄膜的动力学研究，丁希楼，张国栋。

 

 

 

粉体圈小郑