纳米抗菌材料可以有效抑制微生物包括细菌、真菌、酵母菌、藻类以及病毒等的生长和繁殖; 采用纳米抗菌材料做成的各种材料运用在包装行业,不仅对产品起到包装的作用,也可以阻止外界微生物的入侵,起到抑制细菌的作用,实现纳米材料的特定功能。随着人们科学文化水平和生活水平的提高,越来越多的人对自身的居住和生活环境、饮食卫生要求也在不断提高; 特别是在现代物流覆盖越来越广泛的当下,包装已经成为人们生活必不可少的技术,如何保证易变质类物质在运输和存放中的保鲜性,成为人们关心的主要问题。为此,开发可以满足产品包装,同时实现抗菌性的材料就显得特别重要,纳米抗菌材料包装也因此受到广泛的关注。
一、纳米抗菌材料及其在包装行业的运用
1、纳米抗菌材料概述
纳米抗菌材料是将抗菌剂采用纳米技术处理,使其具有更为广泛、卓越的抗菌杀菌功能,通过缓释作用,提高了抗菌长效性。纳米抗菌材料是纳米材料的特定功能应用的一种。采用抗菌材料制成的各种制品,具有卫生自洁功能,可以充分控制病毒、细菌的传播。纳米材料可以成为包装材料实现功能化改性的着重点,开发新型功能化包装材料,例如,实现包装过程中抗细菌、保湿、透气、通电等一系列的纳米技术。
纳米抗菌物质是抗菌材料的核心。目前常用的抗菌物质主要包括无机、有机、天然 3 种,如表所示。
天然类的抗菌物质,由于原料有限,应用还比较少。有机抗菌物质具有杀菌速度快,适用范围广等优点,但也存在释放出有毒性的有机产物,使用过程中较难控制。无机系列抗菌主要以银系列抗菌为主,已经广泛应用于塑料、建材等诸多方面,但依然存在成本较高,杀菌速度慢等很多不足之处; 一些抗菌物质化学活性较活波,在使用中发生化学变化,进而降低抗菌效果。为此,开发具有化学性质较为稳定、杀菌效果较好的纳米抗菌物质已经成为当前的研究热点。碳纳米管就是其中一种,由于碳纳米管化学性质较稳定,并可以抗菌、加热,该类产品的出现将会弥补过去纳米抗菌剂的诸多缺陷,具有较大的开发前景。
2、纳米抗菌材料在包装领域的应用
包装是指在流通过程中为了保护产品、方便存放、利于销售,按一定技术方法而采用的容器、材料及辅助物等总体名称。包装技术是一门直接服务于商品经济的独特学科,具有鲜明的依附性和交叉性。它既有独立存在发展的价值,又有服务于物流系统、帮助提升物流系统整体效率的必然性。在微利时代,高效的物流已成为世界各国和各企业取得竞争优势的一个重要方面。高水平、高质量的货物包装是物流活动得以顺利、高效进行的前提,将会进一步开拓制造业、物流业的利润空间。产品包装的主要功能有: 防止物品的变形损坏,防止物品发生化学变性,防止有害生物、病毒的入侵,防止异物混入、污物污染、丢失、散失,方便物资的储存,方便物资的装卸,销售功能等。常规的包装功能一般箱纸板包装就可以满足,而且成本较低,但要防止发生化学反应、发生有害微生物的入侵,就需要包装材料具有抗菌性能和抗腐蚀性等功能。纳米抗菌包装材料是采用分散液尺寸在 100 nm 及其以下的颗粒物质与其他可用于包装的材料复合或添加制作而成的具有纳米级结构单元的纳米复合包装材料,它的出现为一些特殊的包装产品提供了可行性。
纳米抗菌包装材料不仅实现了包装的功能,还起到了抗菌的特效,同时由于纳米抗菌具有长效、安全、低成本等特点,使其广泛运用于包装行业。比如,抗菌除味塑料成品、抗菌聚丙烯餐饮具、抗菌聚酯、抗菌纸或箱纸板、抗菌净化器等诸多产品都采用了纳米抗菌技术。目前,市场上常用的纳米抗菌包装材料按材质可以分为纳米抗菌塑料包装、纳米抗菌纸质包装、纳米抗菌玻璃包装、纳米抗菌陶瓷包装等。
1)纳米抗菌塑料在包装中的应用
塑料本身有质量小、韧性强、耐磨性好、耐酸碱等诸多优良特性,已经成为日常生活的必需品。但随着人们生活要求的提高、科学技术的发展,塑料原本的固有性质已经不能满足现有的要求。纳米抗菌塑料是一类新型功能塑料,添加少量抗菌剂便可赋予塑料长期的抗菌和杀菌能力。纳米抗菌可在一定时间内抑制或杀死玷污在塑料上的细菌,与常规的化学和物理杀菌方法相比,杀菌时效长,同时可以减少对人类健康和环境造成危害的化学杀菌剂的使用量。纳米抗菌塑料的应用始于 20 世纪 80 年代初,日本在这方面属于发展较快的国家。在欧美一些国家,纳米抗菌技起步较晚于日本。从全球领域来看,抗菌塑料在包装领域的应用十分广泛,抗菌包装薄膜是抗菌塑料的重要应用领域之一。在我国,抗菌材料的研究开发和应用较世界先进国家差距较大,直到 20 世纪 90 年代才开始起步。虽然起步较发达国家要晚,但整体发展速度却较快; 纳米抗菌塑料包装袋、纳米抗菌保鲜膜等都开始出现在国内市场上。特别是用于肉制品的抗菌包装薄膜应用最多,该类产品是将天然或人工合成的抑菌成分涂在包装膜表面或注入包装膜中,针对不同品种的肉制食品,采用不同抗细菌材料。
塑料包装材料除了常规的薄膜包装还包括中空容器也是的重要组成部分,目前中空容器主要用于食品、化妆品及药品等的包装,容器表面营养丰富,适宜微生物生长繁衍。加入抗菌剂或抗菌母料后制备的抗菌容器可有效抑制微生物的繁殖,促使中空包装容器向健康化、卫生化进一步发展。
在发达国家,塑料包装占塑料产品价值的 30% ,而中国不到 10% 。今后几年将是中国塑料包装产业的快速发展时期。由于纳米抗菌塑料具有广谱抗菌、抑菌、防腐、防霉、高效、长效、稳定和安全的功能,并能实现塑料在包装方面的智能化、功能化。在满足人们不断提高的生活水平的同时,可功能化、抗菌的纳米塑料将是研究的热点,也必将成为功能性包装的首选材料之一。
2)纳米抗菌纸制材料在包装中的应用
纸及其制品已经成为生活息息相关的必需品。纸类包装材料具有环保、再循环使用、节约成本等特点。特别是,在当今世界节约能源与防止环境污染的新形势下,无污染、无公害的“绿色包装”正在全球范围内悄然兴起。这无疑为既可以回收利用,又不造成环境污染,且符合环保要求的纸包装材料展现出更加广阔的市场前景。由于包装好的产品需要在市场上不断的流通、利用,在这个过程中,如果纸上沾染细菌、病毒,就会引起疾病传播,引起包装物质被污染。因此,新型高效抗菌纸的开发和研究越来越受到人们的关注,纳米抗菌纸就是其中之一。为了满足当代物流和人们的生活需要,抗菌纸在今后的发展趋势中将呈现多元化发展,相应材料也越来越复杂化、功能化。
目前,纳米抗菌纸常用的制备方法主要有两种: 纳米纤维制备抗菌纸和纳米抗菌剂制备抗菌纸。采用纳米技术既可制得纳米级的纤维素原料,将水溶性抗菌剂与纳米纤维混合抄造抗菌纸,也可制得纳米级的抗菌剂,与纸浆混合抄纸或涂布到纸张表面赋予纸张抗菌性。因此,将纳米技术与抗菌有机结合起来,可以制备出高效率新型纳米抗菌纸。将纳米纤维与水溶性的有机抗菌剂混合配抄,可得到具有高效率抗菌效果的纳米抗菌纸; 也可以将抗菌剂与纳米化纤维素混合后涂布到纸张表面,实现纳米抗菌技术。加拿大、美国、北欧等国家已投入了大量的研究力量和资金支持,主要专注于研究植物纤维基材的抗菌材料和抗菌纸的开发[16,17]。目前,瑞典的科学家已研发出一款可以过滤病毒颗粒的纳米抗菌过滤纸,这种纸的效果可以媲美目前最有效的工业合成聚合物过滤器( 见图1) 。国内唐艳军等人开展 TiO2 /壳聚糖纳米抗菌纸的研究,华南理工大学、陕西科大学、天津科技大学等也开展了相应的研究,目前该类产品主要应用于食品防霉包装领域。随着互联网金融的发展,包装新产品的开发将成为各企业争夺市场份额的有力手段,因此,纳米抗菌纸产品的研发将会带来重大的社会和经济效益。
3)纳米抗菌玻璃容器在包装中的应用
参考观研天下发布《2018年中国环保包装材料市场分析报告-行业运营态势与投资前景研究》
玻璃是一种无机高分子材料。由于玻璃本身结构和组成的原因致使玻璃的功能性不是很强。新型抗菌玻璃材料一般以磷酸盐系或硼酸盐系玻璃组成[21-25],是一种具有抗菌作用的玻璃容器,它既保持了玻璃包装容器的优点: 清洁卫生,又具有稳定的、持久的抗菌、抑菌作用,是一种玻璃容器的升级换代产品。目前,关于纳米抗菌玻璃主要有两种类型,一类是银系抗菌玻璃材料,但玻璃制品容易变色; 另一种是 ZnO 型抗菌材料,都属于缓释型抗菌玻璃材料范畴。这种新型的抗菌材料含有不同抗菌和防霉性能的离子化金属,如银、铜、锌等,在水、酸、盐、光等综合作用下,适量释放出具有抗菌作用的原子及离子,以达到杀菌灭菌的效果,并且不产生常见抗菌材料在使用过程中容易受到吸附物质的干扰而导致抗菌离子缓释性能下降的现象,有效保持抗菌离子的性能[26-27]。纳米抗菌玻璃是一种功能性玻璃,它保持了原有的功能和效果,又增加了抗菌的功能,研制开发抗菌广谱性好、杀菌率高而价格低的抗菌玻璃将是其产业化的关键所在,应用领域和市场也将逐渐扩大。目前抗菌玻璃从食品和医疗方面正慢慢转向日常生活用品和建筑材料等生态健康方向发展,预计在 21 世纪将发展为即有抗菌又净化功能的生态环境材料。
4)纳米抗菌陶瓷在包装中的应用
近年来,随着人们生活质量和健康意识的提高,人们迫切的要求现代陶瓷制品具备传统的功能外,还必须具备抗菌、除臭、无毒害等功能。纳米抗菌陶瓷是一种环保的新型功能材料,具有较好的耐磨性、较高的强度及较强的韧性,可用于制造刀具、食品包装机械上的密封环、轴承等 ,也可用于零件的表面涂层,广泛的用于卫生、医疗、家庭居室等,有着广阔的市场前景。目前,纳米抗菌陶瓷大致上可分为两类: 一类是银系缓释型抗菌陶瓷; 另一类是纳米钛系光触媒型抗菌陶瓷 ( TiO2,ZnO)。研究发现,在光的催化下,可以让表面的油污、细菌等被分解,做到了高效,清洁,环保。它不仅可以用于生产抗菌陶瓷制品,还可以制成粉末,喷涂在容器的表面,使容器具有新颖的抗菌效果,可以广泛的应用于食品,化妆品和医疗器械的包装等。
二、总结与展望
综上所述,纳米抗菌包装产品不仅可有效阻止人与人、人与物、物与物的细菌、病毒传播,还可以起到把医疗保健模式从事后治疗转变为事前预测和预防。纳米抗菌技术已经在塑料薄膜、纸制品、容器包装领域开始采用,但由于其纳米技术本身的技术要求较高,导致其使用受到了极大的限制。要想得到广泛的应用,就需要从根本上解决纳米材料领域纳米材料的制备和一致性控制( 包括分散性) 。针对抗菌纳米材料的抗菌剂的选择依然是一大问题,有机抗菌材料由于易挥发、毒性较大等问题受到限用。天然抗菌材料一方面成本较高,一方面抗菌的广谱性不够。无机抗菌材料尽管纳米金属、光催化类抗菌材料在市场上应用较多,但是该类抗菌剂价格较昂贵、有的抗菌性还需要借助光催化,主要应用于高档包装、军用包装。
新型纳米抗菌包装材料作为一种功能性包装的出现,须具备 3 大特点: 一是对多种病原细菌有抗菌效果; 二是抗菌效果持续时间长,杀菌效率高; 三是稳定性好,在包装加工过程中,热稳定性高,浓度稳定,同时实现包装产品的多功能化。为了适应市场需求,世界上一些大的助剂厂商和包装生产企业正在开发一些新型活性抗菌包装材料。利用纳米材料的各种特殊功能,制备具有特殊表面性能和结构的复合材料,使其具有抗紫外、抗菌、远红外等多功能的包装已经成为纳米抗菌包装材料开发的主流方向。随着电子商务、现代物流的大发展,研究纳米包装材料在物流过程中的运动状态和规律,纳米包装物的物性功能变化的规律与制备技术,研究新型抗菌物和抗菌材料与先进的包装相结合技术,开发赋予包装材料持久、长效的抗菌、杀菌将会是今后的研究热点。特别是,在经济全球化和电子商务的双重推动下,纳米抗菌材料及其包装产品的生产将成为重要的新兴产业,必将推动现代物流、包装行向着快速、精细化的方向发展。相信不久的将来,纳米抗菌产品将会遍及人们的日常生活。
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