一种生态友好的抗菌涂层材料及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及抗菌涂层技术领域，具体涉及一种生态友好的抗菌涂层材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.海洋生物污损是指海洋生物在水下表面黏附，如粘附于船体、桥体以及海上平台等结构表面并使其受到腐蚀破坏、增加船舶航行能耗等的现象。海洋防污由于海域广袤、海洋生物多样性、海洋防污需绿色环保等原因已成为世界性难题。当前海洋防污面临的挑战有：静态防污，定期维护海洋工程结构表面显然会耗费大量人力物力；长效防污，延长防污材料的有效服役时间；生态友好防污，防污损的同时不应该对海洋生态系统造成破坏性的影响。海洋生物对海洋工程结构表面的污损主要有4个阶段，第一阶段：条件膜的形成阶段；第二阶段：细菌和硅藻等快速吸附阶段；第三阶段：早期微生物膜的成熟与发展阶段；第四阶段：大型污损生物幼虫的定向附着与生长阶段。而防污涂层的设计理念主要是在海洋污损早期阶段抑制条件膜和细菌等微生物的初始附着，如抑制海洋细菌等附着形成生物膜。
3.目前，常用的海洋防污方法主要有：电解海水生成次氯酸盐法、电解重金属法、导电涂膜法、人工或机械清除法、涂覆防污涂层法、采用防污材料制作结构物等。其中，在船舶等海洋工程结构表面涂覆防污涂料来抑制海洋微生物附着是迄今为止最方便、经济、有效的策略之一。传统防污涂料，如含有机锡涂料，其特点是广谱性强并且能够长效抑制海洋污损生物的粘附与生长，但同时也会破环海洋生态系统，给海洋生物带来严重危害。2003年，国际海事组织(imo)禁止在新造船舶上使用有机锡类涂料，并于2008年全面禁止使用此类涂料。因此，环境友好型海洋用防污涂料的开发和利用已经成为未来海洋防污涂料工业发展的主要方向。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种生态友好的抗菌涂层材料及其制备方法和应用，以降低涂层材料对生态环境造成的污染。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
6.一种生态友好的抗菌涂层材料，其中，所述抗菌涂层材料包括相互混合的基体材料和红树植物提取物，所述红树植物提取物的成分包括鞣质化合物、萜类化合物、醛类化合物和有机酸类化合物。
7.优选地，所述抗菌涂层材料中，所述红树植物提取物的质量含量为10％～30％。
8.优选地，所述基体材料为树脂材料。
9.优选地，所述基体材料为软质环氧树脂。
10.本发明的另一方面是提供一种如上所述的生态友好的抗菌涂层材料的制备方法，所述制备方法包括：
11.从红树植物中提取获得包含有鞣质化合物、萜类化合物、醛类化合物和有机酸类
化合物成分的红树植物提取物；
12.将所述红树植物提取物与基体材料混合，制备获得所述抗菌涂层材料。
13.具体地，所述从红树植物中提取获得所述红树植物提取物包括以下步骤：
14.s11、将所述红树植物依次经过干燥、粉碎、过筛，获得提取原料；
15.s12、将所述提取原料浸入提取溶剂中并进行超声处理，获得浸出液；
16.s13、将所述浸出液静置后取上清液进行离心处理，获得提取液；
17.s14、加热去除所述提取液中的提取溶剂然后进行冷冻干燥处理，获得所述红树植物提取物。
18.具体地，所述步骤s11中，所述红树植物选自该植物的根、茎、叶、枝、皮、花或果实中的一种或多种，其中，将粉碎后的红树植物过60目以上的筛网，获得所述提取原料；和/或，所述步骤s12中，所述提取溶剂为有机溶剂和水的混合溶液，所述提取原料与所述提取溶剂的固液比为1:(10～25)；和/或，所述步骤s14中，在水浴环境中旋蒸加热去除所述提取液中的提取溶剂。
19.具体地，将步骤s14中去除提取溶剂后获得的产物作为提取原料，返回步骤s12，再次进行步骤s12至s14的操作2～4次，获得所述红树植物提取物。
20.本发明还提供了如上所述的生态友好的抗菌涂层材料在防污涂层或防腐涂层中的应用。
21.具体地，所述防污涂层或防腐涂层是应用于海洋环境中。
22.本发明实施例中提供的生态友好的抗菌涂层材料，其中的抗菌有效成分提取自天然红树植物之中，该成分不会对生态环境产生破坏性影响，其具有抗菌效果良好并且环境友好的优点，降低了涂层材料对生态环境造成的污染。另外，所述抗菌涂层材料的制备方法工艺简单，成本低，易产业化实施，具有广泛的适用性。
附图说明
23.图1是本发明实施例1中的红树植物提取物的抗菌性能测试的结果图示；
24.图2是本发明实施例2中的红树植物提取物所含成分的对应市售产品的抗菌性能测试的结果图示；
25.图3是本发明实施例5中的涂层样品的抗菌性能测试的结果图示。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
27.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
28.本发明实施例首先提供了一种生态友好的抗菌涂层材料，其中，所述抗菌涂层材料包括相互混合的基体材料和红树植物提取物，所述红树植物提取物的成分包括鞣质化合物、萜类化合物、醛类化合物和有机酸类化合物。所述红树植物提取物所包含的鞣质化合
物、萜类化合物、醛类化合物和有机酸类化合物等成分，具有优异的抗菌性能。
29.如上所述的抗菌涂层材料，其中的抗菌有效成分提取自天然红树植物之中，该成分不会对生态环境产生破坏性影响，其具有抗菌效果良好并且环境友好的优点，降低了涂层材料对生态环境造成的污染。
30.其中，所述抗菌涂层材料中，所述红树植物提取物的质量含量为10％～30％，例如是10％、15％、18％、20％、25％或30％。
31.其中，所述基体材料为树脂材料，例如是硬质环氧树脂或软质环氧树脂，优选为软质环氧树脂。采用软质基体，在制备形成涂层后，可以使得涂层内的有效成分能够连续有效地析出，可以延长涂层的服役时间和增强服役效果。
32.本发明实施例还提供了如上所述的生态友好的抗菌涂层材料的制备方法，所述制备方法包括：从红树植物中提取获得包含有鞣质化合物、萜类化合物、醛类化合物和有机酸类化合物成分的红树植物提取物；将所述红树植物提取物与基体材料混合，制备获得所述抗菌涂层材料。
33.在一些技术方案中，所述从红树植物中提取获得所述红树植物提取物包括以下步骤：
34.s11、将所述红树植物依次经过干燥、粉碎、过筛，获得提取原料。
35.其中，所述红树植物选自该植物的根、茎、叶、枝、皮、花或果实中的一种或多种。优选的方案中，所述红树植物具体是红树树皮。
36.其中，将所述红树植物进行干燥处理，主要是去除水分，干燥处理的温度和时间根据实际需要设定。例如干燥温度可以设置为40℃～60℃的范围内，干燥时间可以是设置为12h～72h的范围内。
37.其中，粉碎和过筛主要是使得后续更好地浸出红树植物中的有效成分。在优选的方案中，将粉碎后的红树植物过60目以上的筛网，获得所述提取原料。
38.s12、将所述提取原料浸入提取溶剂中并进行超声处理，获得浸出液。
39.其中，所述提取溶剂优选为有机溶剂和水的混合溶液，例如是丙酮和水的混合溶液或者是乙醇和水的混合溶液。在一个具体的方案中，所述提取溶剂具体是丙酮的体积浓度为70％的丙酮和水的混合溶液。
40.其中，所述提取原料与所述提取溶剂的固液比优选为1:(10～25)，更为优选的是1:20。
41.其中，将所述提取原料浸入提取溶剂中搅拌混合均匀之后，对混合浆料超声处理一定的时间后搅拌1h以上，再继续对混合浆料超声处理一定的时间，超声处理完成后静置。
42.s13、将所述浸出液静置后取上清液进行离心处理，获得提取液。
43.s14、加热去除所述提取液中的提取溶剂然后进行冷冻干燥处理，获得所述红树植物提取物。
44.在一个具体的方案中，在水浴环境中通过旋蒸的方式加热去除所述提取液中的提取溶剂。
45.在优选的方案中，将步骤s14中去除提取溶剂后获得的产物作为提取原料，返回步骤s12，再次进行步骤s12至s14的操作2～4次，即，整个提取工艺过程中，步骤s12浸出工艺、步骤s13离心处理工艺以及步骤s14的去除溶剂工艺重复进行3
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5次，然后再进行冷冻干燥
处理，最终获得所述红树植物提取物。
46.本发明实施例还提供了如上所述的生态友好的抗菌涂层材料在防污涂层或防腐涂层中的应用。具体地，将所述的生态友好的抗菌涂层材料与溶剂调浆后在基体上涂布形成防污涂层或防腐涂层。特别优选地，所述防污涂层或防腐涂层是应用于海洋环境中。
47.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。其中，以下实施例中，所用的菌种类型为海洋型的铜绿假单胞菌，红树植物具选择为红树树皮。
48.实施例1：从红树植物中提取获得红树植物提取物
49.(1)干燥：从天然红树枝干剥取树皮，然后将所获得的树皮在40℃的烘箱中烘烤干燥48小时。
50.(2)粉碎过筛：将步骤(1)干燥后的树皮用粉碎机粉碎，重复两次，并将得到的粉末采用60目筛网过筛，获得粉末状的提取原料。
51.(3)浸取：配置70v/v％的丙酮/水混合液作为提取溶剂，然后将步骤(2)得到的粉末状提取原料与提取溶剂按料液比为1:20的比例混合均匀，然后对混合溶液超声20分钟后搅拌1小时，然后继续超声20分钟，之后静置15分钟。
52.(4)离心：取步骤(3)静置后的上清液进行离心处理，离心速率为4000转/分钟，离心10分钟，重复离心2次。
53.(5)旋蒸：将步骤(4)离心后的上清液收集起来装入圆底烧瓶中，于40℃水浴中旋蒸9小时，除去丙酮和水。
54.(6)将步骤(5)去除提取溶剂后获得的产物作为提取原料，返回步骤(3)，再次进行步骤(3)至步骤(5)的浸取、离心和旋蒸的工艺过程，如此重复，总共进行3次浸取、离心和旋蒸的工艺过程。
55.(7)冷冻干燥：在完成第3次旋蒸处理后，将所得物置于
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80℃冰箱中冷冻5小时，然后置于冷冻干燥机中48小时，去除水分，制备获得所述红树植物提取物。所述红树植物提取物的成分中包括有鞣质化合物、萜类化合物、醛类化合物和有机酸类化合物。
56.实施例2：红树植物提取物的抗菌性能测试
57.(1)分别配制2216e液体培养基和固体培养基，灭菌后备用。
58.(2)取一份2ml的2216e液体培养基作为对照组；取另一份2ml的2216e液体培养基并加入0.5g实施例1获得的红树植物提取物(me粉末)作为实验组，实验组液体培养基中红树植物提取物的浓度为0.25g/ml。将复苏后的铜绿假单胞菌液分别取10ul接种到对照组液体培养基和实验组液体培养基中，过夜培养。
59.(3)取步骤(2)中过夜培养后的对照组菌液和实验组菌液各10ul，梯度稀释105倍，取稀释后的两组菌液各100ul分别涂布在步骤(1)制备的固体培养基上，然后置于细菌培养箱中24小时。
60.(4)计算对照组和实验组对应的固体培养基平板上的菌落数并拍照记录，分析红树有效成分的抗菌性能，结果如图1所示，图1中，对照组总共生长了1919个菌落，而实验组(me粉末)只生长了8个菌落。
61.基于以上的实验结果可以说明：红树植物提取物具有很好的抗菌性能，能够有效的抑制海洋型铜绿假单胞菌的生长繁殖。
62.实施例3：红树植物提取物的各个成分的抗菌性能验证
63.红树植物提取物的成分包含有鞣质化合物、萜类化合物、醛类化合物、有机酸类化合物等，为了确定红树提取物中起作用的有效成分，分别购买上述几类成分对应的纯成分，并进行抗菌实验测试，其中，鞣质化合物对应的纯成分为单宁酸，萜类化合物对应的纯成分为三萜皂苷，醛类化合物对应的纯成分为香兰素，有机酸类化合物对应的纯成分为咖啡酸。
64.有效成分的抗菌实验包括以下步骤：
65.(1)分别配制2216e液体培养基和固体培养基，灭菌后备用。
66.(2)取第一份2ml的2216e液体培养基作为对照组；取第二份2ml的2216e液体培养基并加入0.5g单宁酸；取第三份2ml的2216e液体培养基并加入0.5g三萜皂苷；取第四份2ml的2216e液体培养基并加入0.5g香兰素；取第五份2ml的2216e液体培养基并加入0.5g咖啡酸。
67.(3)分别取10ul铜绿假单胞菌液接种到以上步骤(2)的第一份至第五份液体培养基中，过夜培养。
68.(4)取步骤(3)中过夜培养后的第一份至第五份培养后的菌液各10ul，梯度稀释107倍，取稀释后的五份菌液各100ul分别涂布在步骤(1)制备的固体培养基上，然后置于细菌培养箱中24小时。
69.计算各份菌液对应的固体培养基平板上的菌落数并拍照记录，结果如图2所示，图2中，第一份(对照组)总共生长了282个菌落，第二份(单宁酸)只生长了9个菌落，第三份(三萜皂苷)只生长了8个菌落，第四份(香兰素)只生长了10个菌落，第五份(咖啡酸)只生长了5个菌落。
70.基于以上的实验结果可以说明：单宁酸、三萜皂苷、香兰素和咖啡酸等这些成分分别具有非常显著的抗菌性能，由此可以进一步说明，红树提取物中起抗菌作用的不是某一种成分，而是多种成分协同作用产生的结果。
71.实施例4：涂层材料以及涂层的制备
72.将实施例1中获得的红树植物提取物和不同硬度的环氧树脂混合得到抗菌涂层材料，涂层的制备包括以下步骤：
73.(1)将红树植物提取物用研钵研细备用。
74.(2)将研磨后的红树植物提取物(me)分别与硬质环氧树脂和软质环氧树脂混合，红树提取物的质量百分比是16.7％，搅拌均匀后倒入模具固化成型。作为对比，本实施例中还将纯的硬质环氧树脂和软质环氧树脂倒入模具固化成型，获得对比样品。
75.(3)基于以上步骤(2)得到以下涂层样品：
76.样品1：硬环氧样品，即涂层样品的材料只有硬质环氧树脂；
77.样品2：软环氧样品，即涂层样品的材料只有软质环氧树脂；
78.样品3：硬环氧/me样品，即涂层样品的材料为硬质环氧树脂与红树植物提取物的混合物；
79.样品4：软环氧/me样品，即涂层样品的材料为软质环氧树脂与红树植物提取物的混合物。
80.实施例5：涂层样品的抗菌性能测试
81.(1)分别配置2216e液体培养基和固体培养基，灭菌后备用。
82.(2)取10ul铜绿假单胞菌液接种到2216e液体培养基中，过夜培养。
83.(3)将实施例4制备的四个涂层样品的正反两面各照紫外灯3h，并将四个涂层样品放入6孔板中。
84.(4)将步骤(2)培养后的菌液滴加到步骤(3)6孔板中的空白板和四个涂层样品的表面，空白孔以及四个涂层样品的表面分别滴加50ul菌液，然后放入细菌培养箱中培养4小时。
85.(5)取步骤(4)中培养后的空白板和四个涂层样品，分别用950ul pbs缓冲液吹打表面获得培养后的菌液，将各个样品对应的菌液稀释107倍后，各取100ul分别涂布在步骤(1)制备的固体培养基上，然后置于细菌培养箱中24小时。
86.计算各个菌液对应的固体培养基平板上的菌落数并拍照记录，结果如图3所示。从图3可以看出，不管是硬环氧树脂还是软环氧树脂，都有一定的抑菌作用，菌落数从空白板样品(对照组)的868个降到硬环氧样品的602个和软环氧样品的73个，软环氧树脂的抑菌效果更显著，这可能是因为菌液更容易渗入软质环氧树脂，不利于细菌的增殖。
87.硬环氧树脂和软环氧树脂中加入红树提取物后，抗菌效果大大增强，硬环氧/me样品中生长了193个菌落，软环氧/me样品中仅生长了2个菌落。可能是因为硬环氧树脂结构致密，样品中的me无法渗出，起到抗菌作用的只有靠近表层的me；而软环氧树脂更有利于me的渗出，所以抗菌效果是最好的。
88.基于以上的实验结果可以说明：本发明实施例提供的抗菌涂层材料以及相应的抗菌涂层能够有效地抑制海洋型铜绿假单胞菌的生长繁殖，并且软质基体更加有利于抗菌有效成分连续有效地析出，可以延长抗菌涂层的服役时间并增强服役效果。
89.综上所述，本发明实施例中提供的生态友好的抗菌涂层材料，其中的抗菌有效成分提取自天然红树植物之中，该成分不会对生态环境产生破坏性影响，其具有抗菌效果良好并且环境友好的优点，降低了涂层材料对生态环境造成的污染。另外，所述抗菌涂层材料的制备方法工艺简单，成本低，易产业化实施，具有广泛的适用性。
90.以上所述仅是本技术的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。