将抗菌涂料推向未来的一站式解决方案

作者 James Rapley，产品开发工程师，Microban ® International公司，北卡罗莱那州，夏洛特市

2019冠状病毒疾病的流行，使微生物和清洁成为人们的关注焦点，抗菌涂料比以往任何时候都更受到重视。然而，为该行业带来新的创新也具有挑战，需要不断开发新的工具和程序，并使它们可以无缝、无形地融入到现有涂料体系中。

微生物无处不在。这些微小的生物体，包括细菌、霉菌、真菌、藻类和病毒，可以在不同的环境中快速繁殖，使它们在自然界中难以控制。它们经常出现在不受欢迎的地方（图1），在那里它们会导致疾病、食品变质、表面污渍、难闻的气味，并因污染或降解而缩短产品寿命。

有许多方法都是专门设计的，用于减少微生物的生长和传播的，其中许多是针对特定环境量身定制的。然而，需要注意的是，标准的清洁产品，甚至是表面消毒剂，一旦干燥，其残留活性通常是有限的，尤其是在每天重复使用的高接触物品上，如台面和手机等。此外，并非所有的杀菌剂都具广谱性，可以针对所有类型的微生物。

应对这些挑战的一种方法是实施终身通用的预防措施，这些措施永远不会磨损，并能抑制污染物的生长，以帮助表面保持长期的清洁度。这类抗菌技术可以在制造时嵌入到某些产品中，或者以表面附着的抗菌涂层的形式添加，作为一种屏障，使该技术能够有效地攻击和减少微生物种群和数量。这种“随时开机”的保护为24小时清洁产品提供了完美的补充，旨在于日常清洁过程中杀死99.9%的表面细菌。这有助于在住宅、医疗和专业环境中更长时间地保持表面清洁。24/7全天候产品保护和24小时清洁产品的联合使用起到了不可或缺的作用，形成了一个全面的预防措施体系，以帮助改善整体环境清洁度。

未来之路

从2021年到2028年，全球抗菌涂料行业预计将以13%的复合速度增长 ，这在很大程度上是由于COVID-19大流行引发了对该技术应用于涂料的兴趣。这场疫情让消费者更加意识到，不仅在家庭和工作场所，而且在对清洁至关重要的学校和医院等建筑中，都需要使用抗菌功能。现在64%的成年人愿意花更多的钱购买内置抗菌保护功能的产品 2 ，涂料开发者敏锐地意识到，总有一天，消费者会期望这成为标准，就像安全气囊已成为现代汽车的标准一样。涂料中的抗菌能力将很快成为建筑行业对建筑规范的一种期望，而不仅是一种“拥有也很好”的东西。随着世界从COVID-19疫情中复苏，那些在这项技术中具有前瞻性的公司将会受益，作为市场领导者脱颖而出，并保持领先地位。

为世界开发交钥匙解决方案

企业开始认识到，需要实施一种快速且经济高效的整体方案，以帮助在给定的时间内加快成功产品的开发。在全球范围内，研究人员和工程师都在努力创新，以推动其公司的持续成功。在涂料行业，这导致了新的或改进的工艺的发展，如混合、热固化和UV固化工艺，以及从纺织品填充和浸渍到粉末和喷涂的应用方法的发展。这些实践使开发人员能够开创出新的配方，将具有抗菌保护等特性的助剂添加到一系列不同的产品中，从而扩大了涂料的应用范围。

研发和开发只是在涂层应用中建立抗菌功能的一部分。同样重要的是，评估在安全和适用法规方面所采取方法的短期和长期后果。在各种监管环境中进行可能相当具有挑战性，因为公司通常需要大量的支持，以明确确保避免任何代价高昂的违规行为或产品虚假声明。市场上的每一种抗菌涂料从生产和测试到营销和分销，都必须遵守多个地区的所有相关法规，以保护制造商和消费者。由于每个司法管辖区对抗菌剂的处理方式不同，使这一情况变得更加复杂；有些地区将其作为化学物质进行监管，另一些地方则将其作为农药或生物灭杀添加剂进行监管。

当前涂层技术和工艺的关键考虑因素

一旦安全和监管合规性得到保证，就可以开始寻找将抗菌剂纳入生产过程的方法。实现这一目标的一种方法是简单地在工艺中添加抗菌剂，但这也有很多挑战，包括材料的形式和外观，以及操作处理等（图2）。

粉末或预分散抗菌剂通常对水分敏感，容易结块，这限制了它们的保质期和储存寿命。随着时间的推移，分散体有沉淀的趋势（图3），从而减少了生产过程中可用的活性成分的数量。然而，一旦粉末或分散体被添加到涂层中，可通过高剪切混合，然后持续搅拌来解决这一问题。同样，如果添加剂在混合物中过于饱和，聚集和沉降可能会导致不良的涂层外观，缩短涂层的寿命。在薄涂层或高光泽涂层中，这可能是一个更大的挑战。

另一个更复杂的问题在于，生产现场搅拌机容量的可用性可能意味着这些搅拌步骤的效率不如预期，最终会导致材料的浪费和不符合监管机构的要求等不利结果，这将给公司带来非常高的成本支出。相比之下，使用更易于储存和处理、保质期更长的全集成抗菌剂，将使生产过程更加稳健，也可以使不同成分的混合更快、更便宜，而且是一种相对简单的方法，可以很容易地使用已经在现场的普通工业级搅拌器（图4），适应更标准化的工作流程。

确保相容性

一旦确定了生产工艺，人们的注意力就会转向为特定应用选择最合适的抗菌化学物质。必须充分了解每种技术的特性，以及它们与混合物其他成分的潜在相容性（图5）。在概述和创建允许开发人员在不进行任何猜测的情况下快速做出决策的程序和工具之前，需要询问相关体系类型和化学性质等关键问题。

许多抗菌技术是基于金属的——主要是银或锌。因此，带电离子或分散剂对整个体系的电化学影响是一个重要的影响因素。在条件可以调整的情况下，必须使用与特定成分和特定应用方法相容的抗菌剂。当在水性体系而非溶剂型体系使用时，这可能更具挑战性。例如，错误的电荷可能会导致水性体系的不稳定，但对溶剂型体系不产生影响，解决这一问题的努力正在进行。

粘度、pH值和耐久性等技术参数必须与消费者对款式、颜色和饰面的需求相平衡。对涂料工艺而言，这已经是一个精细调整和复杂的过程了，而更多技术的加入进一步增加了其复杂性。与溶剂型产品相比，水性体系在接受系列成分方面本身就不那么强大，也不那么有效，因此必须考虑完全不同的约束条件。还必须仔细考虑其他提供额外性能效果的成分，如耐磨性、耐光照或抗紫外线稳定性等。

除了这些技术参数外，粉末涂料还面临着独特的工艺挑战，需要谨慎选择抗菌剂。要确保加入的抗菌剂有效，高加工温度、紫外线照射和添加顺序都是必须考虑的因素，同时也要保证其对涂层饰面或机械性能不产生负面影响。

展望未来

展望未来，整个行业的目标是建立一个广泛的交钥匙抗菌表面解决方案，可以无缝、无形地添加到任何涂层中。涂料制造商将受益于有效工具和工艺的发展，以克服当前的生产挑战，从而能够在不影响最终产品所需美观性和性能的情况下纳入抗菌解决方案。目前正在进行的新抗菌处理的研究中，有很大一部分集中在如何将其结合在不同的化学体系上，以应用于更多样化的基材，如织物、金属、乙烯基和木器等。在COVID-19疫情期间，这些抗菌产品已经被用于手机外壳的有机硅涂料、屏幕保护膜的透明涂层、瓷砖的釉面涂料、门五金的粉末涂料、地板的水性涂料、金属的溶剂型涂料和用于高光泽面漆的聚氨酯涂料等等。几乎可以肯定的是，在短短几年内，在涂料中加入抗菌剂将成为人们的一种期望，而不是一个额外的可选功能。

参考资料

¹ Grand View Research.(2021).Global Antimicrobial Coatings Market Size Report,2021-2028.Available at:www.grandviewre-search.com/industry-analysis/antimicrobial-coatings-market
² Multi-sponsor surveys.(2020).Antibacterial Products Study

本文收录在《PCI中文版》杂志2022年2、3月刊中