導濕排汗滌綸針織物的抗菌親水整理

陳永邦， 黃 成， 閻克路， 葉敬平

(1. 東華大學 化學化工與生物工程學院， 上海 201620； 2. 東華大學 國家染整工程技術研究中心， 上海 201620；3. 福建百宏聚纖科技實業(yè)有限公司， 福建 晉江 362200)

滌綸作為一種重要的化學纖維，具有較多優(yōu)異的性能，應用廣泛，其使用量在合成纖維中占比最大[1]，但由于其親水性差，容易產生靜電以及滋生細菌，阻礙了其進一步的應用。此外，導濕排汗纖維作為滌綸的一種特殊纖維，由于異形的纖維結構，使其可以利用毛細管作用而獲得良好的吸水性，因此導濕排汗滌綸常用在服裝、清潔用紡織品等領域[2]。雖然異形結構在一定程度上改善了滌綸的缺點，但由于其較大的比表面積和優(yōu)良的吸附性能也為微生物滋生提供了更好的條件。為了改善這一狀況，可利用抗菌劑對吸濕排汗織物進行抗菌整理使其獲得抗菌性，但是由于滌綸表面活性基團少，抗菌劑可與滌綸發(fā)生結合的部位是有限的[3-4]，因此，在后整理方法中賦予其持久的抗菌能力是具有挑戰(zhàn)性的。

3-(三甲氧基硅烷基)丙基二甲基十八烷基氯化銨(AEM 5700)是典型的有機硅季銨鹽類抗菌劑，其結構中的甲基硅氧烷可水解形成硅羥基結構，一部分硅羥基與滌綸上的羥基或羧基結合，另外一部分可以脫水縮合形成Si-O-Si重復鏈段而貼附在纖維表面。此外，其結構中的季銨鹽部分具有殺菌的作用，其作用機制是：細菌細胞表面帶負電，會被季銨鹽中的氮正離子所吸附，而其十八個碳的烷基鏈結構可以深入到細胞膜內干擾細菌細胞的正常生命活動，導致細菌死亡[5]。經認證，AEM5700對人體的安全性較高[6]。為了提高織物的親水性和導濕排汗功能，可選用親水整理劑SE與AEM 5700進行復配，從而提高其服用性能。

本文利用市售抗菌劑AEM 5700對導濕排汗滌綸長絲織造的針織物進行抗菌整理，并復配親水整理劑提高織物的親水性，通過研究不同整理工藝對滌綸織物抗菌性、親水性的影響，獲得較為理想的整理工藝，從而為異形纖維滌綸織物的工業(yè)化抗菌親水整理做一個初步的探究。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器

織物：導濕排汗滌綸針織物(滌綸長絲織造而成，規(guī)格：83 dtex/72 f，BLCOOL，福建百宏聚纖科技實業(yè)有限公司)。

藥品：金黃色葡萄球菌(ATCC 6538，南京便診生物科技有限公司)，抗菌劑AEM 5700(上?？当剡_科技有限公司)，胰蛋白胨(生化試劑，英國OXOID公司)，酵母提取物(生化試劑，英國OXOID公司)，瓊脂粉(生化試劑，國藥集團化學試劑有限公司)，磷酸氫二鈉(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)，磷酸二氫鉀(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)，氯化鈉(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)，親水整理劑SE(北京潔爾爽高科技有限公司)。

儀器：DZF-6050型真空干燥箱(上海精宏設備有限公司)，LDZX-30FBS型立式蒸汽滅菌鍋(上海申安醫(yī)療器械廠)，ZHWY-200H型恒溫培養(yǎng)振蕩器、ZHJH-C1112B型超凈工作臺(上海智城分析儀器制造有限公司)，GHP-9080型恒溫培養(yǎng)箱(上海一恒科學儀器有限公司)，DHE65002型高溫汽蒸焙烘兩用機(瑞士Mathis 公司)，P-A1型均勻軋車(臺灣 Rapid 公司)，Nicolet 6700型傅里葉紅外光譜儀(美國Thermo Fisher公司)，DSA30型接觸角分析儀(德國KRüSS公司)，WASHTEC-P型織物水洗牢度測試儀(英國ROACHES公司)，YG(B) 871型毛細管效應測試儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)，STA449F3型同步熱分析儀(德國Netzsch Geraetebau Gmbh公司)，M290型液態(tài)水動態(tài)傳遞性能測試儀(美國ADL ATLAS公司)，Datacolor650型測色配色儀(美國Datacolor公司)，PhabrOmeter3型織物風格儀(美國Nu Cybbertek公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1AEM5700樣品的制備

1)30 ℃烘干樣品：取10 g AEM 5700整理劑，滴加0.5 g去離子水，將溶液進行30 ℃低溫旋蒸，除去溶劑，剩余油狀液體轉移至小燒杯中，置于真空烘箱(30 ℃，-0.1 MPa)中24 h烘干。

2)100 ℃烘干樣品：取10 g AEM 5700溶液于小燒杯中，加入10 g去離子水，然后直接放于100 ℃烘箱中烘干24 h。

1.2.2滌綸織物的整理工藝

工藝1：對原布進行堿減量處理，浴比為1∶20，NaOH 1.5%，恒溫水浴振蕩(100 ℃， 30 min)，冷水搓洗，晾干。

工藝2：用AEM 5700單獨對織物的抗菌整理，AEM 5700 2.0%，二浸二軋(軋余率為140%)，烘干，焙烘，冷水搓洗，晾干。

工藝3：抗菌親水復合整理，AEM 5700 2.0%，親水整理劑SE 10%，二浸二軋(軋余率為140%)，烘干(80 ℃，3 min)，焙烘(160 ℃，1 min)，冷水搓洗，晾干。

1.3 抗菌性能測試

織物抗菌性定量測試分為吸收法和振蕩法，振蕩法更適用于體現(xiàn)AEM 5700的抗菌性[7]，因此，參照GB/T 20944.3—2008 《紡織品 抗菌性能的評價 第3部分：振蕩法》進行測試。剪取0.75 g織物(剪碎至5 mm×5 mm)放入250 mL燒瓶中，加入70 mL緩沖溶液和5 mL菌液(金黃色葡萄球菌，細菌濃度在2.5×105～3.0×105CFU/mL)，旋好瓶塞后放入恒溫振蕩器中，在37 ℃條件下振蕩0.5 h或18 h。然后以10倍稀釋法系列稀釋至合適倍數，用移液槍取100 μL滴在培養(yǎng)基上，37 ℃恒溫恒濕培養(yǎng)18 h，記錄菌落數量。以原布為對照樣，按照下式計算其抑菌率：

R=[(N1-N2)/N1]×100%

式中：N1為培養(yǎng)一定時間后對照樣的菌落數量；N2為培養(yǎng)一定時間后試樣的菌落數量。

1.4 織物水洗牢度測試

采用GB/T 12490—2014 《紡織品 色牢度試驗 耐家庭和商業(yè)洗滌色牢度》中的A1M測試條件，剪取10 cm×10 cm(毛效測試布剪取3.3 cm×30 cm)大小的織物，用ECE無磷標準洗衣粉，水溫為40 ℃，洗滌劑質量分數為0.2%，150 mL溶液，鋼珠10粒，洗滌45 min，取出試樣后用40 ℃溫水充分洗滌，執(zhí)行1次上述洗滌循環(huán)相當于5次普通家庭機洗。

1.5 熱性能測試

采用STA449F3型同步熱分析儀對樣品進行測試，將1.2.1中2種樣品壓碎，取(3±0.5)mg樣品放入氧化坩堝。在氮氣保護下從25 ℃升溫至600 ℃，升溫速率為10 K/min。

1.6 紅外光譜測試

采用Nicolet 6700型傅里葉紅外光譜儀對1.2.1中的樣品應用ATR附件進行測試，測試波數范圍為4 000～500 cm-1，并用紅外軟件對其進行歸一化處理。

1.7 織物毛效測試

剪取織物大小為2.5 cm×30 cm，溶液質量分數為0.15%的重鉻酸鉀溶液，先在織物底端1 cm處劃線，并夾上2 g的夾子，將織物垂直懸掛在橫架上，記錄30 min后液體上升的高度。

1.8 織物表面接觸角測試

采用DSA30接觸角分析儀測試整理后織物的接觸角。待測樣品在恒溫(25±2)℃和恒濕(65±1)%條件下放置24 h后剪成2 cm×5 cm的片狀，平鋪于載玻片上，將3 μL蒸餾水滴在織物表面，待10 s后測試其接觸角，1個樣品測5次，結果取其平均值。

1.9 織物的液態(tài)水動態(tài)傳遞性能測試

參考AATCC 195—2009 《紡織品的液態(tài)水動態(tài)傳遞性能》對織物進行測試，并利用測試所得的液態(tài)水動態(tài)傳遞綜合指數(OMMC)對其導濕排汗性能進行評價[8]。根據織物的吸收速率、最大潤濕半徑、潤濕時間、擴散速度、單向傳遞指數等參數，儀器會對織物的吸濕和干燥性能進行評價并分類：1為防水類織物，2為疏水類織物，3為慢吸濕慢干燥類織物，4為快吸濕慢干燥類織物，5為快吸濕快干燥類織物，6為水滲透類織物，7為水分管理類織物。

1.10 織物風格測試

采用PhabrOmeter3型織物風格測試儀對織物風格進行測試，利用柔軟度和平滑度評價其手感。用取樣刀將待測織物切成100 cm2的圓形(取5個樣)，在恒溫(25±2)℃和恒濕(65±1)%環(huán)境中放置24 h，測試織物質量和厚度，取得平均數后輸入至測試軟件中，利用儀器對織物風格進行測試。

1.11 織物白度測試

用Datacolor650型測色配色儀對織物白度進行測試，選用大孔徑，將織物折疊2次(4層)，然后測試其白度。

2 結果與討論

2.1 AEM 5700的性能分析

圖1示出不同溫度處理后AEM5700的紅外譜圖?？煽闯觯琣、b樣品在920 cm-1處(Si—OH中的Si—O伸縮振動峰)都有吸收峰。表明a、b樣品上都還有Si—OH結構。對比a、b樣品在3 233 cm-1處的寬峰(主要受樣品吸附水和硅羥基共同的影響)，可發(fā)現(xiàn)，b樣品的峰強明顯高于a樣品，說明b樣品中的Si—OH結構多于a樣品[9]，這是因為只經旋蒸和低溫烘干的過程，大部分AEM 5700未發(fā)生脫水縮合反應，其表面的硅羥基成分多，使得樣品吸附的水分也多。從圖中1 129～1 035 cm-1區(qū)間的峰可看出，樣品b為單峰，而樣品a有2個峰，這是因為此區(qū)間為Si—O—Si鏈段的吸收峰，當硅氧烷結構的分子鏈變長后，會導致峰的分裂現(xiàn)象[9]，而a樣品在100 ℃烘干時，其分子間脫水縮合反應程度較高，其硅氧烷結構的分子鏈長度高于b樣品。

圖1 AEM 5700的紅外譜圖Fig.1 FTIR spectra of AEM 5700

圖2示出100 ℃烘干和30 ℃低溫烘干的AEM 5700樣品的熱重分析曲線?？煽闯?，AEM 5700中的有效成分3-(三甲氧基硅烷基)丙基二甲基十八烷基氯化銨脫水縮合生成的聚合物在160～170 ℃之間開始產生質量損失，因此其焙烘溫度不宜高于160 ℃。還可看出，在120～160 ℃之間升溫時，在150～160 ℃之間出現(xiàn)了1個質量損失速率的峰值(圖2(b)中虛線部分)，若只考慮AEM 5700自身的脫水縮合反應，可推測其最佳的焙烘溫度在150～160 ℃之間[10]。

圖2 AEM 5700的熱重分析Fig.2 TG-DTG analysis of AEM 5700 sample. (a)Thermogravimetric analysis; (b)Derivative thermogravimetric analysis

2.2 焙烘溫度分析

焙烘溫度對于AEM5700在織物表面的成膜存在重要影響。由熱重分析可知，AEM5700的處理溫度不宜高于160 ℃，因此，160 ℃以下，探究焙烘溫度對整理效果的影響。圖3示出焙烘溫度對織物抑菌率及接觸角的影響?？煽闯觯姹簻囟仍?20～160 ℃之間升高時，整理后織物抑菌率的總體趨勢隨焙烘溫度的升高而升高，這主要是因為AEM 5700結構中的Si—O—CH3水解后形成Si—OH，在加熱條件下可發(fā)生脫水縮合，從而在織物表面固著。在相同的焙烘時間下，焙烘溫度的升高使抗菌劑更好地滯留在織物表面，從而使抗菌性也提高，因此，焙烘溫度可選擇為160 ℃。同時，發(fā)現(xiàn)織物的接觸角與抑菌率成正相關，這是由于AEM 5700脫水縮合后形成了Si—O—Si定向排列結構，使其本身含有的十八烷基疏水長鏈在織物表面聚集，從而提高了織物的拒水性[10]，所以隨著焙烘溫度升高，AEM 5700固著越多，織物的接觸角就越大。

注：烘干溫度為100 ℃； 烘干時間為2.5 min；焙烘時間為1 min； 振蕩法振蕩時間為0.5 h。圖3 不同焙烘溫度對織物抑菌率及接觸角的影響Fig.3 Influence of different curing temperatures on bacteriostatic rate and contact angle of fabric

2.3 焙烘時間分析

焙烘時間對于整理效果也存在一定的影響，在相同的焙烘溫度下，探究不同焙烘時間的影響，結果如圖4所示。在焙烘時間小于或等于1 min時，整理后織物的抑菌率隨焙烘時間延長而升高，而焙烘時間大于1 min時，抑菌率和接觸角的變化較小。這是因為在160 ℃條件下，1 min的焙烘時間足以使AEM 5 700發(fā)生反應，再延長時間，也不會繼續(xù)提高AEM 5700與纖維結合的量，因此，焙烘時間可選擇為1 min。

注：振蕩法振蕩時間為0.5 h。圖4 不同焙烘時間對織物抑菌率及接觸角的影響Fig.4 Influence of different curing time on bacteriostatic rate and contact angle of fabric

2.4 烘干溫度分析

在焙烘溫度為160 ℃，焙烘時間為1 min的條件下，探究不同烘干溫度的影響，結果如圖5所示。可看出，在烘干溫度達到80 ℃以后，整理后織物的抑菌率開始隨溫度的升高而下降。這是因為AEM 5700水解產生的Si—OH在80 ℃條件下便可發(fā)生縮聚，所以如果烘干溫度在80 ℃以上時，由于織物帶液率較大，存在部分抗菌劑分子在滯留于織物表面的整理液中進行縮合，而未貼覆在織物表面進行縮合，從而導致一部分縮合后的抗菌聚合物在整理后的冷水洗步驟中被洗脫，抑菌率和接觸角隨之降低，因此，為了達到較好的整理效果，烘干溫度可選擇80 ℃。

注：振蕩法振蕩時間為0.5 h。圖5 不同烘干溫度對織物抑菌率及接觸角的影響Fig.5 Influence of different drying temperatures on bacteriostatic rate and contact angle of fabric

2.5 AEM 5700耐洗性分析

在最佳熱處理工藝條件下對織物進行整理，然后對其耐洗性進行測試，結果如圖6所示。整理后織物的抑菌率和接觸角隨洗滌次數的增多而降低，這是因為洗滌作用對AEM 5700形成的抗菌膜具有破壞作用[11]，但也可發(fā)現(xiàn)織物在10次洗滌后依然具有93.40%的抑菌率，具有較強的抑菌效果。這是因為AEM 5700脫水形成了牢固的覆膜，穩(wěn)定性較好[9]。

注：振蕩法振蕩時間為18 h。圖6 AEM 5700整理后織物抑菌率的耐久性Fig.6 Durability of fabric′s antibacterial property after being treated with AEM 5700

2.6 復配整理后織物的性能分析

為改善AEM 5700整理后的親水性下降問題，選用10%的親水整理劑SE與AEM 5700進行復配，并在不同機洗次數后對其抑菌率、毛效、吸濕排汗性能進行測試，結果如表1所示。由表1和圖6可知，對比AEM 5700單獨整理后織物抗菌性的耐久性，經復配整理后織物抗菌性的耐久性明顯降低，在1次機洗后就開始下降，且10次機洗后下降至43.86%，這可是因為與親水劑SE復配整理時，親水整理劑分子一定程度上占據了抗菌劑與纖維的結合位點，從而使固著在織物表面的抗菌劑減少，致使AEM 5700的成膜性受到影響，導致AEM 5700的牢度下降。從整理后的毛效可知，織物的親水性得到了提升。比較OMMC數值可知，原織物的OMMC值為0.515 2，具有導濕排汗性能，經AEM 5700單獨整理后降到0，經過加入親水劑與AEM 5700復合整理后織物的OMMC值上升為0.710 2，且洗滌10次后的OMMC值仍比原織物高，導濕排汗性能得到提高。

表1 復配整理織物不同洗滌次數后的性能對比Tab.1 Performance changes of fabrics after washing for different cycles

注：振蕩法振蕩時間為18 h，整理處方見1.2.2節(jié)。

2.7 織物的白度和織物風格變化分析

為考察復合整理對織物白度和手感的影響，對整理后的織物和原布進行白度和織物風格測試，結果如表2所示。可看出，復合整理織物的白度、柔軟度以及平滑度與原布相差不大，說明復合整理對織物的白度以及手感影響較小。

表2 復配整理織物的白度及織物風格Tab.2 Fabric style and whiteness of treated fabric

3 結 論

用AEM 5700對導濕排汗聚酯針織物進行抗菌整理的最佳熱處理工藝為：80 ℃下烘至干燥，160 ℃下焙烘1 min。經AEM 5700單獨整理的織物具有優(yōu)異耐洗性，但是親水性下降。復配親水劑SE可改善織物親水性下降的情況，經復合整理后的織物在5次機洗(相當于普通家庭25次洗滌)后抑菌率仍有70.18%，且織物的導濕排汗性能得到較大的提升，織物的白度和手感未發(fā)現(xiàn)明顯下降。

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