銀離子注入ABS樹(shù)脂抗菌性能研究

　　用MEVVA 源將銀離子注入ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)樹(shù)脂表面，研究在注入劑量為1.0×1016 ions/cm2、注入能量由5 keV 到30 keV 材料的抗菌性。通過(guò)X 射線光電子能譜(XPS) 及拉曼(Raman) 光譜對(duì)樣品表面進(jìn)行了表征，并測(cè)試樣品的疏水性和抗菌性。結(jié)果表明：載能離子導(dǎo)致ABS 樹(shù)脂表面部分化學(xué)鍵斷裂，并出現(xiàn)失氫、富碳，而銀以離子形式存在其氧化物中;材料表面的接觸角變大，由親水性材料變?yōu)槭杷�性材�?銀離子注入后材料具有良好的抗菌性能，抗菌效果隨著離子注入能量的增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

　　塑料已經(jīng)廣泛滲透于人類(lèi)生活中的各個(gè)方面，我們?nèi)粘＝佑|的眾多塑料產(chǎn)品中帶有大量的細(xì)菌，頻繁與其接觸或多人共同使用，都可能使其成為細(xì)菌的污染源和疾病傳播源。因此制備相應(yīng)的抗菌塑料制品近年來(lái)正在成為熱點(diǎn)，其中采用表面改性方法處理塑料以提高材料抗菌性能的相關(guān)研究備受關(guān)注。

　　離子注入技術(shù)作為材料表面改性重要方法之一，有許多不同于常規(guī)表面處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，如：在低溫下進(jìn)行注入，工件的尺寸精度不受影響;通過(guò)對(duì)注入離子數(shù)量及能量的控制來(lái)改變注入濃度與深度，注入離子完全滲進(jìn)基體表面，不存在鍍層與基底剝離等問(wèn)題。離子注入技術(shù)可以?xún)?yōu)化表面性能的同時(shí)不改變材料基底本身的特性，使得生物材料表面有較大的改性寬度。在選用注入離子時(shí)，真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.genius-power.com/)認(rèn)為應(yīng)考慮離子具有良好的抗菌效果，且對(duì)人體無(wú)害。銀離子具有良好的廣譜抗菌性且對(duì)人體無(wú)毒副作用，成為最佳的備選離子。

　　本文采用金屬蒸汽真空弧(MEVVA)離子源進(jìn)行注入，采用具有優(yōu)異綜合性能的工程塑料ABS 樹(shù)脂作為基底，對(duì)改性前后的材料進(jìn)行XPS，Raman 表征，以此分析研究材料的表面成分;通過(guò)測(cè)量改性前后樣品的水接觸角，來(lái)檢測(cè)材料疏水性能的變化;進(jìn)行抗菌實(shí)驗(yàn)，對(duì)比材料改性后的抗菌效果并結(jié)合材料表征及材料水接觸角實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)材料的抗菌性能進(jìn)行綜合理論分析。

1、實(shí)驗(yàn)方法

1.1、實(shí)驗(yàn)樣品的制備

　　本實(shí)驗(yàn)樣品選用在工程制造領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用且成本低廉的ABS 樹(shù)脂作為基底(8 cm×4 cm)。離子注入用北京師范大學(xué)低能核物理研究所研制的MEVVA 離子注入機(jī)完成。實(shí)驗(yàn)的本底真空度為10^-4 Pa，靶材為99.99%的高純銀，束流設(shè)定0.1 mA。注入劑量：1.0×10¹⁶ ions/cm2，注入能量分別為：5 keV，10 keV，20 keV，30 keV。試樣在注入前后均置于丙酮和酒精中進(jìn)行超聲波清洗，去除表面污染。

表1 樣品編號(hào)表

1.2、實(shí)驗(yàn)樣品表面的表征

　　ABS 樹(shù)脂改性前后，用XPS 譜儀分析表面成分，儀器為英國(guó)Thermo Scientific 公司的ESCALAB250Xi 型電子能譜儀，非單色Al Ka(1486.6 eV)為X射線源，工作電壓13 kV，陽(yáng)極電流18 mA;用Horiba Jobin Yvon 公司生產(chǎn)的Lab RAM Aramis 型激光共聚焦拉曼光譜儀表征注入前后各試樣表面物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，其中激發(fā)波長(zhǎng)532 nm，輸出功率3 mW。

1.3、樣品水接觸角的測(cè)量

　　本實(shí)驗(yàn)選取樣品pure-ABS，Ag5-ABS，Ag10-ABS，Ag20-ABS，Ag30-ABS 中光潔度較高的部分，并將該部分樣品均裁剪至5 mm×5 mm。將樣品放置于去離子水中超聲清洗10 min，然后在室溫下放置于濾紙上晾干，再放入干燥器內(nèi)干燥24 h。取出樣品，用上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的接觸角測(cè)量?jī)x(2011JC129) 測(cè)量樣品水接觸角，測(cè)量時(shí)將針狀進(jìn)樣器接近樣品表面，緩慢滴加液體至1 μL，形成座滴，迅速截圖，測(cè)量五次取平均值，即為該樣品接觸角的一個(gè)實(shí)驗(yàn)值，同一個(gè)樣品測(cè)量?jī)纱谓佑|角的實(shí)驗(yàn)值，然后求其平均值即為該樣品的接觸角。

1.4、抗菌實(shí)驗(yàn)

　　本實(shí)驗(yàn)采用大腸桿菌作細(xì)菌株，分別取樣品pure-ABS，Ag5-ABS，Ag10-ABS，Ag20-ABS，Ag30-ABS各一片，其面積均為2 cm×1 cm。將樣品置于濃度為75%的酒精溶液中超聲波清洗10 min，取出后用濾紙擦拭干凈，放入低溫烘箱內(nèi)烘干。將大腸桿菌液濃度稀釋至104~105 CUF/mL，在每個(gè)試管中滴入4 mL 大腸桿菌菌液，隨后將樣品分別放入試管中，搖晃均勻后將放有樣品的試管置于37 ℃的恒溫箱中培養(yǎng)24 h。培養(yǎng)完成后從放有樣品的試管中取細(xì)菌液50 μL，滴在無(wú)菌瓊脂平板上，涂布均勻后再倒置于37 ℃恒溫箱中培養(yǎng)24 h。統(tǒng)計(jì)平板上的細(xì)菌菌落數(shù)，并計(jì)算每個(gè)樣品的抗菌率�？咕�率公式為：

3、結(jié)論

　　(1)MEVVA 源在ABS 樹(shù)脂片中注入銀離子后，通過(guò)XPS 表征，發(fā)現(xiàn)銀離子注入后以離子狀態(tài)存在于其氧化物之中，使得ABS 樹(shù)脂有較高的抗菌性能;通過(guò)拉曼光譜(Raman)分析，發(fā)現(xiàn)組成材料的鍵被離子轟擊后出現(xiàn)一定程度的斷裂，離子注入引起ABS 樹(shù)脂失氫、形成富碳層，表征中出現(xiàn)無(wú)序石墨峰。

　　(2)ABS 樹(shù)脂注入銀離子后與水的接觸角變大，由親水性材料變?yōu)槭杷�性材料。隨著離子注入能量的增加，ABS 塑料與水的接觸角變化不大。

　　(3)ABS 樹(shù)脂片注入銀離子后顯示出良好的抗菌性能，在注入劑量為1.0×1016 ions/cm2、注入能量為5 keV 時(shí)，抗菌率達(dá)到95.04%。銀離子注入后ABS 樹(shù)脂的抗菌效果隨著注入能量的增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。通過(guò)XPS 表征發(fā)現(xiàn)銀以離子態(tài)存在，這樣有利于增強(qiáng)抗菌效果，通過(guò)水接觸角實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)改性后材料水接觸角增大，不利于某些細(xì)菌的粘附，這些都為改性后的材料具有良好的抗菌性能提供了理論支撐。