抗菌塑料在冰箱上的应用研究.pdf

捍 卫 生 活 品 质 推 动 产 业 升 级交流与探讨109轻工标准与质量2023 年第 4 期抗菌塑料在冰箱上的应用研究江峰1 孔美阳2 严桃1 曹衡1（1.长虹美菱股份有限公司，安徽合肥 230601；2.中国家用电器研究院，北京 100037）摘要：新冠疫情过后，人们对于抗菌材料的使用需求越来越强烈，冰箱产品材料抗菌已成为市场趋势与卖点，现主要介绍冰箱塑料抗菌剂选择与验证应用情况。从验证结果来看，冰箱常用塑料选择无机锌银抗菌剂且以抗菌色母方式添加，具有安全性高，材料性能影响较小等优点；同时添加 0.3%无机锌银抗菌剂至 PS 与 PP 基材中，及添加 0.5%无机锌银抗菌剂至 ABS 基材中，抗菌率均达到 99.9%。关键词：冰箱；塑料；抗菌 中图分类号：TM925.21 文献标志码：A DOI：10.19541/ki.issn 1004-4108.2023.04.028新冠疫情过后，人们越来越重视健康与安全，具有抗菌消毒功能的产品热销；从北京中怡康市场研究20202021 年大家电市场发展趋势分析调研报告来看，健康品质以及智能体验是未来购买家电更为看重的方向。冰箱作为人们家用使用最频繁的家电产品，其健康功能也成为消费者购买时最关注的核心，带有消毒杀菌功能的冰箱成为大家青睐的对象。对于冰箱产品来说，冰箱产品塑料零部件众多，且市场上出现很多塑料功能件实现了抗菌效果，大大满足了用户的抗菌需求。为此，本文从冰箱的塑料抗菌剂的选择、添加比例与性能进行系列的验证与分析。1 抗菌塑料冰箱作为低温储存食物的家电产品，食物储存在冰箱内部，其内饰材料的抗菌研究已成为越来越多冰箱设计者的研究对象；分析来看，冰箱内饰件主要由不同材质的塑料件组成，塑料材质组成如 GPPS、HIPS、ABS、改性 PP 或 PVC 等，如图1 所示。原理上说，塑料抗菌就是在塑料基材中添加一定的抗菌剂1，或者在基材分子结构上通过接枝等化学反应所得抗菌功能团，从而让塑料制件具有抗菌性能。本文针对内饰件主要塑料基材 GPPS、HIPS、ABS、改性 PP 进行抗菌剂的选择、抗菌等相关性能进行研究与验证。2 冰箱塑料抗菌需求本文从冰箱的使用场景、功能需求以及产品抗菌等要求，分析并归纳出冰箱塑料的抗菌要求：安全性、气味、均匀性、耐热、抗菌能力、抗菌时效与制件性能影响，具体如图 2 所示；针对上述冰箱塑料的抗菌要求本文会在抗菌剂的选择、工艺选图 1 冰箱内饰常用塑料图 2 冰箱塑料抗菌要求捍 卫 生 活 品 质 推 动 产 业 升 级交流与探讨110轻工标准与质量2023 年第 4 期择、抗菌性能与制件性能等方面进行验证及研究工作。3 抗菌剂选择国内抗菌剂发展2迅速，主要由四种类别组成，主要分为天然抗菌剂、有机抗菌剂、无机抗菌剂与高分子抗菌剂；每种抗菌剂的制备方式与原理均不相同，其中天然抗菌剂主要从植物或动物外壳中提取处理得到，如柠檬叶、薄荷的提取物和壳聚糖等，有机抗菌剂大部分均为化学合成，主要由季铵盐类、酚类、有机金属类、噻唑类等组成，无机抗菌剂主要以银、铜、锌等金属离子和金属氧化物以及一些纳米载体材料组成为主，高分子抗菌剂又叫复合抗菌剂，是把抗菌功能团结构通过接枝等反应引入基材高分子长链上，如胍类高分子抗菌剂。不同的抗菌剂抗菌原理、时效性、安全性与耐热等特点均不一样，本文通过不同抗菌剂的选择研究，为冰箱塑料抗菌研究选择合适的抗菌剂，如表 1 所示。表 1 不同抗菌剂的性能对比性能天然抗菌剂高分子抗菌剂有机抗菌剂无机抗菌剂技术成熟度成熟刚起步成熟成熟抗菌能力较强强强强抗菌时效性极短长短长气味性有味无味有味无味耐热性差不易分解加热易分解不易分解污染性好好差好安全性安全安全毒安全通过以上不同抗菌剂的制备或性能研究，首选抗菌剂为高分子抗菌剂与无机抗菌剂。其中高分子抗菌剂选择聚六亚甲基胍盐酸盐，无机抗菌剂分别选择氧化锌晶须、无机载铜与无机载锌银；这里我们选择塑料基材 PP，针对不同的抗菌剂类型设计了不同的抗菌方案并制备成抗菌样件，从制件外观来看，无机载锌银抗菌制件表面外观均匀且光滑，因此抗菌剂方案更优选为无机载锌银抗菌体系，不同的抗菌方案如表 2 所示。4 抗菌剂添加工艺冰箱塑料均为固体，且冰箱用改性塑料实现方式为大宗原材料和改性粒料制备而成，且塑料件通过添加一定比例的色母粒子改性实现不同的外观颜色；本文从抗菌剂类型、工艺方式、设备操作、抗菌均匀性、成本等方面研究考虑，详情如表 3 所示，选择确定的优化路线为粉体抗菌剂与色母改性料一起造粒形成抗菌改性色母，并通过一定比例添加与塑料基材充分机械混合注塑或挤出等工艺制备成相应的塑料制件，该添加工艺的优势不仅保证了混合均匀，工艺操作简单便捷，还控制了成本。表 3 不同抗菌剂添加方式对比抗菌剂类别液体抗菌剂粉体抗菌剂抗菌改性色母添加方式混料时喷淋加入制样加入制样加入设备操作需要增加喷淋装置机械混合机械混合均匀性均匀粉体分散性差混合均匀成本高低低工艺难易度难难简单5 抗菌性能测试本抗菌测试验证选择载锌银抗菌剂色母粒，通过在不同的塑料基材中添加不同比例的抗菌母粒验证各个不同基材的抗菌效果对比。5.1 试验方法按照GB 21551.2-2010 家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能 抗菌材料的特殊要求中附录 A 贴膜法进行测试。5.2 试验样品试验样块为（502）mm（502）mm，厚度不大于5 mm。5.3 试验菌种为保证抗菌测试结果的有效性和认可广泛性，以及抗菌实验的可重现性，抗菌测试选用的菌种为国标要求的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。表 2 塑料抗菌方案方案 抗菌方案 1抗菌方案 2抗菌方案 3抗菌方案 4类别高分子抗菌剂无机抗菌剂无机抗菌剂无机抗菌剂抗菌剂聚六亚甲基胍盐酸盐氧化锌晶须无机载铜无机载锌银抗菌剂份数8%2%0.5%0.5%打样效果样件制作不均匀表面不光滑外观偏黄外观均匀，光滑捍 卫 生 活 品 质 推 动 产 业 升 级交流与探讨111轻工标准与质量2023 年第 4 期5.4 试验测试针对 ABS、GPPS、HIPS 与 PPTV20 材料，本文选用不同比例的抗菌剂添加，通过对比测试可知，如图 3 所示，ABS基材中添加 0.5%抗菌剂，对于大肠杆菌与金黄色葡萄球菌具有很强的抗菌性，抗菌率超过 99.9%；如图 4 所示，GPPS、HIPS 与 PPTV20 基材中添加 0.3%或 0.5%抗菌剂，对于大肠杆菌与金黄色葡萄球菌均具有很强的抗菌性，抗菌率也均超过 99.9%。图 3 ABS 不同抗菌剂比例的抗菌测试图 4 GPPS/HIPS/PPTV20 不同抗菌剂比例的抗菌测试6 抗菌塑料性能测试从塑料抗菌来看，塑料抗菌率提升主要是通过抗菌剂添加比例提升获得，但是抗菌剂的添加也不是越多越好，添加比例过多直接影响到塑料部件的材料性能，适合的抗菌比例的添加，不仅关系到塑料的抗菌率，还保证了塑料材料的常规性能。对于塑料来说，材料性能主要由弯曲性能、拉伸性能与冲击性能表征，本文也从抗菌塑料几个主要性能上验证抗菌剂添加比例对于塑料材料性能的影响。结合以上不同塑料基材的抗菌剂选择，本文选用合适的无机载锌银抗菌剂添加至 GPPS、HIPS、PPTV20、ABS 基材中，并制备成相应的测试样块，前后对比数据如表 4 7 所示。从添加抗菌剂的前后数据来看，对于基材 GPPS、HIPS与 PPTV20 来说，抗菌剂添加 0.3%，基材的主要几个力学性能变化较小，变化率绝对值均小于 5%，说明该比例的抗菌剂对于制件材料性能影响较小；对于基材 ABS 来说，抗菌剂添加 0.5%，基材的主要几个力学性能变化较小，变化表 4 GPPS 力学性能对比测试数据性能类别指标无抗菌剂0.3%抗菌剂变化率（%）弯曲性能最大弯曲强度（MPa）91.80 91.54-0.28 弯曲弹性模量（MPa）4 012.51 4 062.45 1.24 拉伸性能拉伸强度（MPa）51.25 51.60 0.69 断裂伸长率（%）6.81 6.60-3.16 冲击抗冲击（kJ/m2）4.04 3.98-1.49 表 5 HIPS 力学性能对比测试数据性能类别指标无抗菌剂0.3%抗菌剂变化率（%）弯曲性能最大弯曲强度（MPa）49.58 47.85-3.49 弯曲弹性模量（MPa）2 528.52 2 503.34-1.00 拉伸性能拉伸强度（MPa）31.87 32.59 2.27 断裂伸长率（%）70.13 68.17-2.79 冲击抗冲击（kJ/m2）9.89 9.59-3.03 表 6 PPTV2O 力学性能对比测试数据性能类别指标无抗菌剂0.3%抗菌剂变化率（%）弯曲性能最大弯曲强度（MPa）35.22 36.97 4.97 弯曲弹性模量（MPa）1 860.85 1 883.42 1.21 拉伸性能拉伸强度（MPa）23.48 23.57 0.36 断裂伸长率（%）31.05 30.33-2.32 冲击抗冲击（kJ/m2）4.62 4.46-3.46 下转第 129 页捍 卫 生 活 品 质 推 动 产 业 升 级交流与探讨129轻工标准与质量2023 年第 4 期该燃气热水器每天消耗电能为：结果为 E=0.816 kWh。按产品设计寿命 8 年计算，每户家庭在产品使用寿命范围内所消耗的电能为：E电总=0.8163658=2 382.72 kWh。结合相关排放因子计算得出，产品在使用阶段产生的碳排放为：VCO2使用=1 530.082.8+2 382.720.570 3=5 643.089 2 kgCO2e。综上，此燃气热水器在原材料阶段、生产阶段以及使用阶段共产生的碳排放为：VCO2 总=37.939 8+5 643.089 2=5 681.029 kgCO2e。产品使用阶段产生的碳排放在全生命周期总碳排放中的所占比例为：。5 结论由上述计算数据得出，此燃气热水器的生命周期中，产品使用阶段产生的碳排放占全生命周期总碳排放的 99.33%，其中的主要原因为产品消耗的主要能源为天然气，产生的碳排放量较大。因此，对于燃气热水器减碳，应从产品性能下手，深耕燃烧技术与换热技术，提高产品热效率、能效，从节能的角度开发、改善产品以降低产品使用阶段所消耗的燃料，从而减低产品使用阶段产生的碳排放。参考文献1 葛晓华,苏旭东,袁进,等.工业领域碳足迹研究进展 J.生态经济,2013(05):6.2 中国城市温室气体工作组.中国产品全生命周期温室气体排放系数库 DB/OL.http:/.3 中华人民共和国生态环境部.关于做好 20232025 年发电行业企业温室气体排放报告管理有关工作的通知 EB/OL.https:/ 张磊,陈超,梁万军.居民平均日热水用量研究与分析 J.给水排水,2006.32(09):4.率绝对值均小于 2%，说明该比例的抗菌剂对于制件材料性能影响较小。7 结束语 塑料抗菌剂及抗菌材料的研究，是国内近期兴起的一门热门学科，因此很多机理和作用原理尚待进一步研究和探索。可以肯定的是，随着人们生活水平的不断提高，环保、健康意识的增强，抗菌塑料会越来越受到人们的重视和欢迎，具有非常广阔的发展前景。人们将对塑料抗菌剂及抗菌塑料给予更多地关注，开发更多塑料抗菌剂新品种，拓展其应用领域和空间，让其更好地为人类身心健康服务。本文针对冰箱主要塑料基材的抗菌剂选择、工艺优化、抗菌测试与材料性能等方面做了一些研究验证工作，希望对从事家电塑料领域研究的相关技术人员有些许启发。参考文献1 宋洪泽,林勤保.抗菌塑料包装的应用及安全评估研究进展 J.包装工程,2019,40(17):63-71.2 张玉龙,李萍.塑料专用料品种与性能 M.北京:化学工业出版社,2010:145-152.表 7 ABS 力学性能对比测试数据性能类别指标无抗菌剂0.5%抗菌剂变化率（%）弯曲性能最大弯曲强度（MPa）69.74 68.76-1.41 弯曲弹性模量（MPa）3 110.07 3 103.00-0.23 拉伸性能拉伸强度（MPa）45.10 45.49 0.88 断裂伸长率（%）36.09 35.47-1.73 冲击抗冲击（kJ/m2）21.05 20.64-1.95 上接第 111 页