銅離子抗菌棉/精梳棉混紡紗線的制備及其性能研究

李 瑋，馬水章，夏兆鵬，范 杰

（1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.深圳市中盛麗達(dá)科技有限公司，廣東 深圳 518000）

棉纖維具有優(yōu)異的吸濕性和柔軟性，由棉纖維做成的織物親膚、透氣、吸濕，是受消費(fèi)者喜愛的服裝面料[1]。但棉織物為天然有機(jī)質(zhì)纖維，在服用過程中易滋生細(xì)菌[2]，不利于人體健康。因此，具有抗菌功能的棉織物逐漸受到人們的青睞[3]。棉纖維的抗菌性能通常借助功能性整理獲得?？咕鷦┑姆N類繁多，大致可以分為無機(jī)抗菌劑、有機(jī)抗菌劑、復(fù)合抗菌劑[4]。與有機(jī)抗菌劑相比，無機(jī)（銀、銅、鋅）抗菌劑具有耐熱性好（＞600℃），抗菌譜廣，有效抗菌期長，毒性低，不產(chǎn)生耐藥性，安全性高的特點(diǎn)[5-6]。近年來，銅粒子及銅離子抗菌劑因具有低毒性、廣譜抗菌性以及較銀系抗菌劑的廉價(jià)性引起了人們的廣泛關(guān)注[7]。田艷紅和王建坤等[8]采用不同摩爾比的NaOH（氫氧化納）和CuSO4（硫酸銅）溶液制備了3 種不同濃度的銅離子抗菌整理劑，研究認(rèn)為當(dāng)兩種物質(zhì)的摩爾比為1∶1 時(shí)，制備的含銅溶液對棉織物的絡(luò)合能力高，織物的勻染性好，斷裂強(qiáng)力波動(dòng)及損傷最小，抑菌帶寬度最寬。Fontenot Krystal R 等[9]對分散在棉織物上的銅納米顆粒的穩(wěn)定性和抗菌性進(jìn)行了評估，實(shí)驗(yàn)表明抗壞血酸能夠使銅納米顆粒與棉纖維結(jié)合穩(wěn)固，同時(shí)可以防止銅納米顆粒的氧化，該銅納米顆粒整理后的棉織物對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有有效的抗菌活性，抑制率為99%。Chang Hoon Han 和Byung Gil Min[10]借助超聲波在水中通過聲化學(xué)過程將大量的銅納米顆粒（Cu-NPs）沉積在棉織物上，制備了具有超疏水和抗菌性能的棉織物。以上研究表明含有銅粒子或銅離子的無機(jī)抗菌劑作為一種更為安全的無機(jī)抗菌劑在抗菌紡織品整理領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到關(guān)注。

康普棉是一種具有優(yōu)異抗菌性能的商用銅離子抗菌棉并進(jìn)行了商標(biāo)注冊。其制備過程為首先通過堿性改性預(yù)處理，再將銅離子交聯(lián)到棉纖維上。本文對康普棉的結(jié)構(gòu)及其與精梳棉混紡的成紗性能及抗菌性進(jìn)行研究，以探究康普棉/精梳棉紡紗的最佳成紗工藝參數(shù)及混紡紗達(dá)到抗菌效果的纖維混紡比例，為康普棉混紡抗菌紗線的生產(chǎn)提供參考。

1 抗菌棉形貌及性能

1.1 纖維形貌

采用臺式掃描電子顯微鏡（Phenom XL，Phenom-World，荷蘭）對抗菌棉和精梳棉表面形貌進(jìn)行觀察，如圖1 所示。SEM 圖像表明精梳棉纖維呈扁平帶狀，沿纖維長度方向呈天然轉(zhuǎn)曲形貌，且形態(tài)扁平，如圖1（a）所示；而經(jīng)過銅離子抗菌處理后的康普抗菌棉，纖維的天然轉(zhuǎn)曲減少，纖維形態(tài)較處理前略圓潤，如圖1（b）所示，表明銅離子改性使纖維產(chǎn)生類似絲光處理后的棉纖維表面形貌。

圖1 普通精梳棉纖維（a）和抗菌棉纖維（b）的SEM 圖像

1.2 纖維的表面元素分析

采用X 射線光電子能譜儀（NEXSA，Thermo Fisher，美國）對纖維進(jìn)行表面元素含量的定性及定量分析，結(jié)果如圖2 所示。圖譜表明普通精梳棉纖維中的二價(jià)Cu 元素含量僅有0.05%，而抗菌棉纖維二價(jià)Cu 元素含量可達(dá)0.67%，抗菌棉的銅離子含量較普通精梳棉增加了13.4 倍。此外，抗菌處理后的纖維表面C 元素的含量增大，而O 元素和N 元素的含量減少。

圖2 普通精梳棉纖維（a）和抗菌棉纖維（b）XPS 圖譜

1.3 抗菌棉纖維性能分析

采用HVI 法對抗菌棉和未經(jīng)抗菌處理的普通精梳棉纖維進(jìn)行纖維基本性能測試，所得兩種棉纖維的性能測試結(jié)果如表1 所示，表1 表明，與普通精梳棉相比銅離子抗菌整理后棉纖維的長度變化不大，斷裂強(qiáng)力略有下降，馬克隆值下降，表明抗菌處理后纖維的力學(xué)性能略有損失且纖維的細(xì)度有所下降。

表1 抗菌棉和普通精梳棉纖維的性能參數(shù)

2 混紡紗線工藝流程

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了抗菌棉與普通精梳棉纖維混紡比為0%～100%的11 個(gè)試樣，并按照以下工序逐一進(jìn)行紡紗。

2.1 開松

使用小型和毛機(jī)（XFH，天津嘉誠機(jī)電設(shè)備有限公司）進(jìn)行原料開松。每個(gè)試樣的梳棉總質(zhì)量為200g，由于紡紗所用的精梳棉和抗菌棉的纖維長度整齊度好，所含雜質(zhì)較少，所以開松時(shí)遵循“多松少打，均勻混和”的原則，在保證開松均勻的情況下盡量減小對纖維的損傷，混紡比低時(shí)進(jìn)行一次開松即可，隨著抗菌棉混紡比例的增加，需要進(jìn)行兩到三次開松。

2.2 梳理

使用小型數(shù)字梳棉機(jī)（DSCa-01，天津嘉誠機(jī)電設(shè)備有限公司）對開松后的抗菌棉/精梳棉的混合纖維進(jìn)行梳理。采取“輕定量，低速度”原則，將每個(gè)試樣分為8 份（每份25g），分別進(jìn)行梳理成網(wǎng)，為了確保棉網(wǎng)均勻，將所得的每個(gè)棉網(wǎng)在經(jīng)過第一次梳理后，進(jìn)行橫向的二次梳理。

2.3 并條

使用小型數(shù)字并條機(jī)（DSDr-01，天津嘉誠機(jī)電設(shè)備有限公司）進(jìn)行并條工藝。梳棉機(jī)所輸出的棉網(wǎng)長度為0.75m，重量25g，因此棉網(wǎng)的定量為33.33g/m，設(shè)定生條的干定量為27g/5m，最終得到熟條的干定量為20g/5m。設(shè)計(jì)并條工藝參數(shù)如表2 所示。

表2 并條工藝參數(shù)

2.4 粗紗

使用小型數(shù)字粗紗機(jī)（DSRo-01，天津嘉誠機(jī)電設(shè)備有限公司）進(jìn)行粗紗工序。粗紗工藝參數(shù)如表3 所示。

表3 粗紗工藝參數(shù)

2.5 細(xì)紗

使用小型數(shù)字式細(xì)紗機(jī)（DSSp-01，天津嘉誠機(jī)電設(shè)備有限公司）進(jìn)行細(xì)紗工序。捻縮率設(shè)置為2%,最終紡得的細(xì)紗為18.22tex，具體工藝參數(shù)如表4 所示。

表4 細(xì)紗工藝參數(shù)

3 紗線性能測試

3.1 紗線強(qiáng)伸性

使用電子單紗強(qiáng)力儀（YG061，萊州市電子儀器有限公司），以GB/T 3916-2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定》為測試標(biāo)準(zhǔn)，測試不同比例混紡紗線的強(qiáng)力，設(shè)置強(qiáng)力儀試驗(yàn)隔距500mm，拉伸速度500mm/min，預(yù)加張力4cN，測試數(shù)量50 根，紗線的線密度為18.2tex，測得混紡紗的斷裂強(qiáng)力取平均值。紗線斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長率與混紡比的關(guān)系如圖3 所示。圖3（a）表明隨著銅離子抗菌棉混紡比例的增加，混紡紗線的斷裂強(qiáng)度呈下降趨勢，最高13.95cN/tex，最低12.29cN/tex；隨著抗菌棉混紡比例的增加，混紡紗線的斷裂伸長率呈緩慢上升趨勢，最低4.99%，最高6.10%。分析原因是一方面由于銅離子抗菌處理過程中棉纖維在堿性環(huán)境中存在減量，斷裂強(qiáng)力下降，因此，隨著抗菌棉含量增多，混紡紗線強(qiáng)力下降；另一方面由于堿性環(huán)境抗菌整理過程中棉纖維發(fā)生類似絲光處理的變化，纖維縱向天然轉(zhuǎn)曲結(jié)構(gòu)略有下降，纖維之間的摩擦力減小，抱合力下降，纖維之間更易產(chǎn)生滑移，相互作用能力減弱。因此，混紡紗強(qiáng)力隨著抗菌棉含量增加有所下降，同時(shí)斷裂伸長率有小幅度上升。

圖3 混紡紗線斷裂強(qiáng)度（a）及斷裂伸長率（b）與混紡比的關(guān)系曲線

3.2 紗線條干均勻度

使用條干均勻度測試分析儀（CT200，陜西長嶺紡織機(jī)電科技有限公司），以GB/T 3292.1-2008《紡織品紗線條干不勻試驗(yàn)方法 第1 部分：電容法》為標(biāo)準(zhǔn)，測試不同比例混紡紗線的條干均勻度，設(shè)置測試速度200m/min，測試時(shí)間為1min，測量3 次，取平均值。混紡紗條干均勻度與混紡比的關(guān)系如圖4 所示。圖4 表明，隨著混紡紗線中抗菌棉比例上升，混紡紗線條干均勻度的變異系數(shù)始終在12%附近，波動(dòng)幅度較小，抗菌棉/精梳棉混紡紗線的條干均勻度較好，這是由于兩種纖維平均長度差異較小，且長度整齊度較好。

圖4 混紡紗線條干均勻度與混紡比的關(guān)系

3.3 紗線毛羽

使用紗線毛羽測試儀（YG172A，陜西長嶺紡織機(jī)電科技有限公司），以FZ/T 01086-2020《紡織品 紗線毛羽測定方法 投影計(jì)數(shù)法》為標(biāo)準(zhǔn)，測試不同比例混紡紗線的毛羽數(shù)量，設(shè)置測試長度15m，測試速度30m/min，記錄3mm 以上的紗線毛羽（有害毛羽）數(shù)量，測量10 次，取平均值?；旒徏喚€毛羽測試結(jié)果如圖5所示。圖5 表明，紗線毛羽的主體部分都為2mm 及以下的短小毛羽，隨著抗菌棉比例的提升毛羽數(shù)量逐漸增加，但對紗線的質(zhì)量影響并不大。3mm 以上紗線毛羽隨著混紡紗線中抗菌棉含量的增加而緩慢增加。其原因是棉纖維經(jīng)過抗菌整理后細(xì)度降低，在紗線線密度不變的情況下，紗線截面中的纖維含量增加，因此紗線表面形成毛羽的可能性增大。

圖5 紗線毛羽分布

3.4 紗線抗菌性

參照GB/T 20944.3-2008《紡織品抗菌性能的評價(jià)第3 部分：振蕩法》對混紡比例為0%～40%共5 個(gè)梯度的紗線對革蘭氏陰性菌大腸桿菌和革蘭氏陽性菌金黃葡萄球菌的抑菌性能進(jìn)行測試，抗菌效果如圖6 所示，所得抑菌率如表5 所示。由圖表可知，當(dāng)抗菌棉添加量為10%時(shí),對大腸桿菌抑菌率可達(dá)98.4%，對金黃葡萄球菌抑菌率可達(dá)99.6%，當(dāng)抗菌棉含量為30%時(shí)，對兩種菌種的抑菌率均可達(dá)到100%。

圖6 大腸桿菌（a）金黃葡萄球菌（b）抗菌效果圖

表5 大腸桿菌和金黃葡萄球菌抑菌率

抗菌測試的結(jié)果表明，混紡紗線在抗菌棉混紡比例超過10%的情況下，具有優(yōu)異的抗菌效果。

4 結(jié)語

本文對新型銅離子抗菌棉（康普棉）的形貌及基本性能進(jìn)行了研究，并對該抗菌棉與普通精梳棉混紡制備抗菌棉紗的可紡性及混紡紗線的抗菌性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，康普銅離子抗菌棉的纖維表面形貌具有絲光棉纖維的特征，纖維的天然卷曲形貌特征有所下降，銅離子改性處理使纖維的力學(xué)性能略有下降，纖維的細(xì)度降低。混紡紗線強(qiáng)度隨抗菌棉含量增加而降低，斷裂伸長率隨抗菌棉含量增加而增加；條干均勻度基本維持不變；毛羽指數(shù)隨抗菌棉含量增加而增加?；旒徏喚€對大腸桿菌和金黃葡萄球菌均表現(xiàn)出較高的抑菌率。當(dāng)抗菌棉添加量為10%時(shí),混紡紗線對大腸桿菌抑菌率可達(dá)98.4%，對金黃葡萄球菌抑菌率可達(dá)99.6%；當(dāng)抗菌棉含量為30%時(shí)，混紡紗線對兩種菌種的抑菌率均可達(dá)到100%。