專利名稱：一種具有仿生微米結構表面的防霉抗菌材料及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種通過物理作用實現防霉抗菌效果的功能材料及其制造方法，特別是一種具有仿生微米結構表面的防霉抗菌材料及其制造方法。
背景技術：
防霉抗菌材料指自身具有殺滅或抑制微生物功能的一類新型功能材料，在醫療領域、家庭用品、家用電器、食品包裝等領域有極其廣闊的應用前景，在人們對環境衛生要求日益提高的今天，抗菌材料的應用受到更加廣泛的關注。微生物(細菌、真菌、酵母菌、藻類及病毒等)在物體表面的附著并生成生物膜是導致表面發霉，人體感染的主要原因。現有的防霉抗菌材料通過加入抗菌劑使細菌，霉菌等微生物的生長或繁殖保持在必要水平以下，無法形成生物膜，從而起到防霉抗菌的效果。抗菌劑一般分為無機抗菌劑，有機抗菌劑和天然抗菌劑。一、無機抗菌劑利用銀、銅、鋅等金屬的抗菌能力，通過物理吸附離子交換等方法，將銀、銅、鋅等金屬(或其離子)固定在氟石、硅膠等多孔材料的表面制成抗菌劑，然后將其加入到相應的制品中即獲得具有抗菌能力的材料。水銀、鎘、鉛等金屬也具有抗菌能力，但對人體有害；銅、鎳、鉆等離子帶有顏色，將影響產品的美觀，鋅有一定的抗菌性，但其抗菌強度僅為銀離子的1/1000。因此，銀離子抗菌劑在無機抗菌劑中占有主導地位。銀離子類抗菌劑是最常用的抗菌劑，呈白色細粉末狀，耐熱溫度可達1300°c以上。銀離子類抗菌劑的載體有磷酸鋯、沸石、陶瓷、活性炭等。有時為了提高協同作用，再添加一些銅離子、鋅離子。此外還有氧化鋅、氧化銅、磷酸二氫銨、碳酸鋰等無機抗菌劑。二、有機抗菌劑有機抗菌劑的主要品種有香草醛或乙基香草醛類化合物，常用于聚乙烯類食品包裝膜中，起抗菌作用。另外還有酰基苯胺類、咪唑類、噻唑類、異噻唑酮衍生物、季銨鹽類、雙呱類、酚類等。目前有機抗菌劑的安全性尚在研究中。一般來說有機抗菌劑耐熱性差些，容易水解，有效期短。三、天然抗菌劑天然抗菌劑主要來自天然植物的提取，如甲殼素、芥末、蓖麻油、山葵等，使用簡便，但抗菌作用有限，耐熱性較差，殺菌率低，不能廣譜長效使用且數量很少。以上對抗菌劑的分析可以看出，現有抗菌材料主要使用無機抗菌劑和少量有機抗菌劑，在殺死細菌和霉菌的同時，會產生許多副作用。例如，某些抗菌劑的長期使用會促使細菌和霉菌產生抗藥性，從而最終使抗菌劑失去效果；長期接觸抗菌劑對人體也會產生危害，尤其是嬰幼兒如果長期接觸含有抗菌劑的抗菌材料，其毒副作用危害更大。大量使用抗菌劑對環境造成嚴重污染，例如在船舶防霉抗菌涂料中曾經大量使用的三丁基錫在海洋中的富集嚴重破壞了大批海灣附近海域的生態系統，造成惡劣后果。正因為化學抗菌劑的這些問題，人們開始研究通過其他途徑實現防霉抗菌作用，其中一項對鯊魚皮鱗片顯微結構的研究成果催生了一個嶄新的通過物理作用實現防霉抗菌效果的技術。人們很早就注意到鯊魚是極少數海洋大型生物沒有體表生物附著物的。對鯊魚皮鱗片的電子顯微鏡分析表明其菱形鱗片表面具有平行排列的微米尺度的棱狀凸起結構。這些二級結構的拓撲形貌一方面增大了鯊魚皮的憎水性，降低了細菌和霉菌的附著力，令一方面限制了細胞在表面的繁殖和擴張，從而阻止了生物膜的形成。受鯊魚皮鱗片二級結構的啟發，具有微米尺度結構的粗糙表面被研究開發出來并在一些材料上面實現了不涉及任何化學試劑的純粹物理作用防霉抗菌功能。
發明內容
本發明的目的之一是開發出一種基于鯊魚皮鱗片二級結構的具有仿生微米級表面拓撲形貌的防霉抗菌材料。本發明的另外一個目的是上述材料的制備方法。本發明解決技術問題的技術方案為一種具有仿生微米結構表面的防霉抗菌材料這種材料包括表面材料、基質，及壓印在表面材料上的拓撲形貌。所述的表面材料中包含至少一種聚合物。所述的基質包括但不限于金屬，陶瓷，玻璃，聚合物以及復合材料。所述表面和基質可以是同一種材料。所述的聚合物包括但不限于聚烯烴，聚苯乙烯，聚丙烯樹脂，聚氨酯，聚碳酸酯，聚氯乙烯，聚硅氧烷，熱塑性彈性體，橡膠，環氧樹脂及其共混物，以及含有金屬氧化物，碳納米管，碳纖維或玻璃纖維的聚合物復合材料。所述拓撲形貌由凸起或凹陷于該材料表面的重復圖案構成；該重復圖案中每個單元圖案由相鄰間隔O. 5 200微米的7個長徑比大于I的結構以及I個長徑比等于I的結構組成，更優化的相鄰間隔O. 5 100微米，最優化的相鄰間隔O. 5 10微米。該重復圖案在該材料表面的覆蓋率為20% 100%，更優化的表面覆蓋率為50% 100%，最優化的表面覆蓋率為80% 100%。分隔一個與其相鄰單元圖案的路徑，其平面垂直投影構成的抽象幾何圖形為內角均小于180°的平行六邊形，其中一條邊的邊長小其余五條邊的邊長。優化的單元圖案相鄰間隔為O. 5 10微米，最優化的為2微米。組成單元圖案的結構的長度和高度均小于200微米，更優化的長度和高度均小于100微米，最優化的長度和高度均小于20微米。本發明的制造方法為卷對卷紫外壓印。首先將聚合物薄膜卷材安裝于卷對卷紫外壓印機的放卷輥中；聚合物薄膜厚度為12 1000微米，更優化厚度為12 500微米，最優化厚度為12 250微米；用該卷對卷紫外壓印機的涂布裝置將紫外光固化膠均勻涂布在聚合物薄膜上形成I 250微米厚度的涂層，該涂層更優化厚度為2 100微米，該涂層最優化厚度為2 50微米；用該卷對卷紫外壓印機的加熱裝置加熱該聚合物薄膜使該涂層表面平整均勻；用該卷對卷紫外壓印機的紫外預固化裝置使該涂層部分固化；
用該卷對卷紫外壓印機的壓輥對該涂層進行壓印，將預先印制到版輥上的表面形貌壓印至該涂層上；版輥上的子版材料包括但不限于鎳，鋁等金屬；用該卷對卷紫外壓印機的紫外固化裝置使該涂層表面形貌固化；用該卷對卷紫外壓印機的冷卻輥使該聚合物薄膜冷卻，使表面形貌完全固化。本發明的制造方法為卷對卷熱壓印。首先將聚合物薄膜卷材安裝于卷對卷熱壓印機放卷輥中；該聚合物薄膜厚度為12 1000微米，更優化厚度為12 500微米，最優化厚度為12 250微米；用該卷對卷熱壓印機的加熱輥加熱使該聚合物薄膜溫度上升至其玻璃化轉變溫度以下10 50 °C，更優化溫度范圍為其玻璃化轉變溫度10 30°C以下，最優化溫度范圍為其玻璃化轉變溫度10 20 °C ;用該卷對卷熱壓印機的壓輥對該聚合物薄膜進行壓印，將預先印制到版輥上的表面形貌壓印至該涂層上；該版輥上的材料包括但不限于鎳，鋁等金屬；用該卷對卷熱壓印機的冷卻輥使該聚合物薄膜冷卻，使表面形貌完全固化。本發明與現有技術相比，實驗室進行的對多種細胞如大腸桿菌，金色葡萄球菌，耐萬古霉素腸球菌，銅綠假單胞菌，石莼孢子的測試顯示本發明的材料能夠阻止細菌在表面的定植和附著。相對于光滑表面的空白對照樣品，本發明可以降低85% 99%的細菌定植和附著，具有極強的防霉抗菌功能。
圖1是本發明FTD-6微米級表面拓撲形貌的大面積重復圖案放大示意圖。圖2是本發明FTD-6微米級表面拓撲形貌的重復單元圖案放大示意圖，將其與相鄰重復單元圖案分隔開的路徑形成幾何圖形上的平行六邊形。圖3是本發明FTD-6凸出的橫截面示意圖。圖4為本發明FTD-6凹下的橫截面的示意圖。圖5是二種微米級表面拓撲形貌的重復單兀圖案放大意圖。圖6是具有不同結構間距的本發明FTD-6微米級表面拓撲形貌的重復單元圖案放大示意7是卷對卷紫外壓印機的示意圖。在圖7中，I為放卷棍、2為涂布裝置、3為加熱裝置、4為預固化紫外裝置、5為版棍、6為壓棍、7為紫外強固裝置、8為冷卻棍、9為收卷棍。圖8是卷對卷熱壓印機的示意圖。在圖8中，21為放卷輥、22為加熱輥、23為壓輥、24為版輥25為冷卻輥、26為收卷輥。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作詳細的說明。實施例1 :制版將本發明的表面拓撲形貌轉印到凸版鎳制母版上，然后通過電鍍的方法制得5張凹版子版用于壓印。該子版幅寬880毫米，長330毫米，通過鎖定裝置張緊在版輥表面。該子版每張可壓制3萬米PET聚酯防霉抗菌薄膜。紫外壓印材料25微米厚度的 PET 聚酯薄膜，DYMAX Ultra Light-Welcf 4-20638低粘度紫外光固化膠，其粘度為65 cpSo工藝流程及參數如圖7所示將一卷5000米長，幅寬I米的25微米厚PET聚酯薄膜安置于放卷輥I上，穿過圖示路徑連接于收卷輥9上。調節加熱裝置3使加熱通道內溫度達到70 ± I ° C，調節冷卻輥8的制冷功率，保持輥面溫度為10 ° C以下；調節紫外預固化裝置4和紫外強固化裝置7的功率至預先設定值。
調節收卷速度至50米/分鐘，放下涂布裝置2開始涂布紫外光固化膠，調節涂層厚度，在收卷輥9處取樣測試涂膜厚度，使其保持在5微米。待機器運行穩定后，放下輥版5，提升壓版輥6，調節兩者間形成的壓力至預設值。在收卷輥9處取 樣，置于光學顯微鏡下觀察表面拓撲形貌質量。符合質量要求后保持所有參數設置，直至該卷PET聚酯薄膜壓印完畢。將收卷輥9上的成品PET聚酯防霉抗菌薄膜卷材取下包裝。FTD-6、SK-6，EL-6三種表面拓撲形貌單元圖案如圖5所示，其中EL-6為等長度凸起結構組成的形貌單元圖案。本實施例中所有形貌均為表面棒狀凸起結構，其圖案單元三維尺寸如下表所示 )
權利要求
1.一種具有仿生微米結構表面的防霉抗菌材料，其特征在于 所述的材料包括表面、基質，及壓印在表面材料上的拓撲形貌； 所述材料的表面材料中包含至少一種聚合物； 所述拓撲形貌由凸起或凹陷于該材料表面的重復圖案構成；該重復圖案中每個單元圖案由相鄰間隔O.1 10微米的7個長徑比大于I的結構以及I個長徑比等于I的結構組成。
2.根據權利要求1所述的一種具有仿生微米結構表面的防霉抗菌材料，其特征在于 所述的基質包括但不限于金屬，陶瓷，玻璃，聚合物以及復合材料。
3.根據權利要求1所述的一種具有仿生微米結構表面的防霉抗菌材料，其特征在于 所述的聚合物包括但不限于聚烯烴，聚苯乙烯，聚丙烯樹脂，聚氨酯，聚碳酸酯，聚氯乙烯，聚硅氧烷，熱塑性彈性體，橡膠，環氧樹脂及其共混物，以及含有金屬氧化物，碳納米管，碳纖維或玻璃纖維的聚合物復合材料。
4.根據權利要求1所述的一種具有仿生微米結構表面的防霉抗菌材料，其特征在于 所述的拓撲形貌由凸起或凹陷于該材料表面的重復圖案構成，該重復圖案在該材料表面的覆蓋率為20% 100%，更優化的表面覆蓋率為50% 100%，最優化的表面覆蓋率為80% 100%ο
5.根據權利要求1所述的一種具有仿生微米結構表面的防霉抗菌材料，其特征在于 分隔一個單元圖案與其相鄰單元圖案的路徑，其平面垂直投影構成的抽象幾何圖形為內角均小于180°的平行六邊形，其中一條邊的邊長小其余五條邊的邊長。
6.根據權利要求1所述的一種具有仿生微米結構表面的防霉抗菌材料，其特征在于 相鄰單元圖案間隔O. 5 10微米，優選的為2微米。
7.根據權利要求1所述的一種具有仿生微米結構表面的防霉抗菌材料，其特征在于 組成單元圖案的結構的長度和高度均小于200微米，更優化的長度和高度均小于100微米，最優化的長度和高度均小于20微米。
8.根據權利要求1所述的料，其特征在于 所述表面和基質為同一種材料。
9.權利要求1-8的一種具有仿生微米結構表面的防霉抗菌材料的制造方法為卷對卷紫外壓印方法。
10.權利要求1-8的一種具有仿生微米結構表面的防霉抗菌材料的制造方法為卷對卷熱壓印方法。
全文摘要
本發明公開了一種具有仿生微米結構表面的防霉抗菌材料，所述的材料包括表面、基質，及壓印在表面材料上的拓撲形貌；所述材料的表面材料中包含至少一種聚合物；本發明與現有技術相比，實驗室進行的對多種細胞如大腸桿菌，金色葡萄球菌，耐萬古霉素腸球菌，銅綠假單胞菌，石莼孢子的測試顯示本發明的材料能夠阻止細菌在表面的定植和附著，相對于光滑表面的空白對照樣品，本發明可以降低85%～99% 的細菌定植和附著，具有極強的防霉抗菌功能。
文檔編號B81B1/00GK103043595SQ201210539338
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月14日 優先權日2012年12月14日
發明者于曉勇 申請人:于曉勇