抗菌紗線的研究進(jìn)展

鄧 通，廖世豪，黃鑫鑫，王 瑄，沈蘭萍，陳 鵬

(1.西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048； 2.浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315211；3.中國(guó)科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波 315211； 4.廣東工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，廣東 廣州 510006)

紡織品作為緊貼人體的防護(hù)材料，其特殊的孔隙結(jié)構(gòu)能夠吸收人體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的汗液，從而為微生物的滋生、繁衍提供了有利條件，給人體健康造成危害。新冠肺炎席卷全國(guó)，人們的健康防護(hù)意識(shí)顯著提高，對(duì)紡織品的需求不再局限于舒適性，而更注重紡織品的功能抗菌性[1-2]。抗菌功能紗線是指具有抑菌或殺菌作用的功能性紗線?？咕喚€制備方法可分為以下4類(lèi)：①將天然抗菌纖維制備成紗線；②將具有抗菌成分的原料加入紡絲液，經(jīng)紡絲法制備出抗菌合成纖維，再將其加工成抗菌紗線；③抗菌纖維與非抗菌纖維混紡而成的紗線；④采用抗菌劑對(duì)紗線進(jìn)行后整理，得到抗菌紗線[3]。經(jīng)過(guò)后整理的抗菌紗線存在一定缺陷，如抗菌性能不穩(wěn)定、持久性差、部分抗菌劑中可能含有會(huì)對(duì)人體造成損害的成分等，而采用抗菌纖維制備的抗菌紗線，具有良好的抗菌穩(wěn)定性[4]。因此，本文從抗菌纖維、紡紗方式和抗菌效能等方面對(duì)抗菌纖維制備的抗菌紗線進(jìn)行分析綜述，以期為抗菌紗線的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供參考。

1 抗菌纖維

纖維是紗線的前身，不管是將本質(zhì)抗菌的天然纖維直接紡紗，還是將抗菌材料加入紡絲液中制得的合成纖維，都可作為抗菌紗線的紡紗材料。

1.1 天然系抗菌纖維

常見(jiàn)的天然系抗菌纖維有麻纖維(如工業(yè)大麻纖維、羅布麻纖維、苧麻纖維等)、海藻纖維、殼聚糖纖維、竹原纖維、竹漿纖維等。

麻纖維、竹原纖維的抑菌率均在90%以上，擁有較好的抗菌性能。羅布麻纖維含有黃酮類(lèi)物質(zhì)，具有很強(qiáng)的生理和藥理活性，對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌等有抑菌作用[5]。趙雪靜等[6]對(duì)工業(yè)大麻織物微觀結(jié)構(gòu)和抗菌性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)工業(yè)大麻纖維的中腔和其表面的孔洞相連，纖維內(nèi)部含有大量氧氣，使厭氧病菌、微生物生存繁衍受到限制，從而抑制微生物的生長(zhǎng)，工業(yè)大麻織物對(duì)大腸桿菌的抑菌率為98.82%，且經(jīng)50次洗滌后抑菌率仍在90%以上。

海藻纖維中含有微量的乳酸和海藻酸鹽，這些物質(zhì)具有抗菌止血的功效，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上常用于敷料紡織品的開(kāi)發(fā),但海藻纖維存在強(qiáng)力低、抗菌性能較差的問(wèn)題[7-8]。

殼聚糖具有廣譜抗菌、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。帶有正電荷的殼聚糖能夠與細(xì)菌表面的負(fù)電荷物質(zhì)發(fā)生靜電吸引作用，極大地改變胞膜的滲透性，致使細(xì)胞內(nèi)的重要物質(zhì)泄露，從而殺死細(xì)菌微生物；同時(shí)帶正電荷的殼聚糖能抑制微生物細(xì)胞內(nèi)的DNA轉(zhuǎn)變?yōu)镽NA，阻礙DNA的轉(zhuǎn)錄，使得細(xì)菌無(wú)法正常進(jìn)行新陳代謝，從而起到抑菌作用[9-11]。

竹原纖維具有中空結(jié)構(gòu)，能快速吸收與蒸發(fā)內(nèi)部水分，破壞細(xì)菌微生物的生存環(huán)境，同時(shí)竹原纖維細(xì)胞壁上含有天然抗菌物質(zhì)“竹醌”，從而使其具有天然抗菌功能[12-13]。竹漿纖維是一種將竹片制成漿，然后將漿做成漿粕，再經(jīng)濕法紡絲制成纖維，純竹漿面料對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抑菌率均在99%以上，具有較好的抗菌性能[14]。

1.2 共混抗菌纖維

制備共混抗菌纖維常見(jiàn)的方法有熔融紡絲法[15]、濕法紡絲法[16]和靜電紡絲法[17]等。盛平厚等[18]采用熔融共混法，制備了不同含量納米銅粉改性聚對(duì)苯二甲酸丁二酯(PBT)抗菌復(fù)合材料，當(dāng)納米銅粉的含量在0.5%時(shí)，制備的纖維具有良好的抗菌性能和力學(xué)性能，抑菌率高于99%，斷裂強(qiáng)度為3.15 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率為 28.9%。Huang等[19]采用濕法紡絲法，在紡絲液中添加具有抗菌功能的川芎(LC)提取物，制備具有抗菌功能的丙烯酸纖維，其抑菌率為98.83%，但共混纖維的斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率略有降低。

市場(chǎng)上主流的共混抗菌纖維有聚乳酸基抗菌纖維[20]、金屬基納米抗菌纖維[21]、聚丙烯腈基抗菌纖維[22]等，這類(lèi)抗菌纖維都有較好的抗菌性能，特別是聚乳酸基抗菌纖維因其原料價(jià)格便宜、可生物降解性而得到廣泛使用。聚乳酸(PLA)源于玉米、木薯等植物資源，在工業(yè)堆肥條件下可完全降解為水和二氧化碳，具有良好的生物可降解性、生物相容性，廣泛應(yīng)用于手術(shù)縫合線和紡織品等領(lǐng)域[23]。將聚乳酸與其他抗菌材料共混制備的聚乳酸基抗菌纖維，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值[24]。王偉華[25]以Ag和Zn不同價(jià)態(tài)的金屬離子作為摻雜劑，制備了具有抗菌性能的納米氧化鎂粉體，并與聚乳酸共混，采用靜電紡絲法制備了氧化鎂/聚乳酸納米纖維，結(jié)果表明摻雜Ag、Zn粒子，提高了氧化鎂/聚乳酸納米纖維的抗菌性能。Li等[26]將PLA和丁酸戊酸脂(PHBV)共混經(jīng)熔融紡絲制備出具有高效的抗菌性能的PLA/PHBV纖維。PLA/PHBV纖維中抗菌成分聚羥基丁酸酯能夠破壞細(xì)菌等微生物的細(xì)胞壁和病毒的胞膜，致使代謝失衡，從而抑制細(xì)菌滋生和滅活病毒，達(dá)到抗菌抗病毒效果；同時(shí)PLA/PHBV纖維具有生物可降解性、良好的可紡性與舒適性能[27-28]。

2 抗菌混紡紗線

抗菌混紡紗線結(jié)合抗菌纖維和其他纖維混紡制得兼具抗菌和織造性能的紗線?；旒彆r(shí)紗線的混紡比、紡紗方式和紗線結(jié)構(gòu)均會(huì)影響最終混紡紗線的抗菌性能。

2.1 紗線混紡比

目前，市場(chǎng)上抗菌混紡紗線的抗菌性依賴(lài)抗菌纖維本身的占比。通常增加抗菌纖維的占比。能有效增強(qiáng)紗線的抗菌性能，然而盲目地增加抗菌纖維的占比，會(huì)使紗線的力學(xué)性能和服用性能降低。如何在不損失力學(xué)、服用性能的情況下，最大限度地增強(qiáng)紗線的抗菌性能，需要對(duì)紗線不同混紡比進(jìn)行測(cè)試探究。

如表1不同混紡比下的抗菌紗線所示，王維亞[29]采用甲殼素/棉(70/30)混紡，開(kāi)發(fā)的甲殼素/棉混紡紗線具有抗菌作用，對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌率在30.0%以上，但存在強(qiáng)力與抗菌性能較低的問(wèn)題。倪玉婷[30]將甲殼素與納米銀抗菌滌綸進(jìn)行混紡，探索不同混紡比下的成紗工藝，并對(duì)不同混紡比紗線的力學(xué)性能進(jìn)行分析比較，當(dāng)抗菌滌綸與甲殼素混紡比為70/30時(shí)，斷裂強(qiáng)度最大，為32.969 cN/tex，變異系數(shù)(CV)為8.33%，對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌率為88.7%，有良好的抗菌性。蔣國(guó)華等[31]采用苧麻纖維與殼聚糖纖維混紡制備抗菌紗線，當(dāng)殼聚糖含量為45%時(shí)，對(duì)金黃色葡萄球菌有89.7%的抑菌率，具有抗菌除臭與良好的舒適性。張一平等[32]測(cè)試大麻纖維及其混紡產(chǎn)品的抗菌性，結(jié)果表明純大麻纖維對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率為98.6%和94.7%，當(dāng)采用大麻/棉(55/45)制備混紡紗時(shí)，紗線僅對(duì)大腸桿菌有抗菌性，其抑菌率為97.8%。陳貴翠等[33]將甲殼素纖維/海藻纖維/桑皮纖維以40/30/30混紡比制備的抗菌紗線具有良好的舒適性，對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有70.0%以上的抑菌率，適合做抗菌醫(yī)用與防護(hù)紡織品。

表1 不同混紡比下的抗菌紗線

趙勝男等[34]采用竹漿/石墨烯(85/15)混紡紗開(kāi)發(fā)抗菌面料，面料具有良好的抗菌性、尺寸穩(wěn)定性和色牢度，對(duì)大腸桿菌抑菌率高達(dá)98.0%。杜梅等[35]對(duì)不同混紡比下薄荷粘膠/棉混紡紗的抗菌性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明采用薄荷粘膠/棉(30/70)混紡紗的抗菌性能最好，對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率在80.0%以上。Liu等[36]采用PLA/PHBV纖維與棉纖維混紡制備紗線，當(dāng)PLA/PHBV纖維的占比為96%時(shí)，對(duì)金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌率在90.0%以上，具有較好的抑菌效果。秦瀟璇等[37]采用PLA纖維與PLA/PHBV長(zhǎng)絲開(kāi)發(fā)了一種生物質(zhì)抗菌復(fù)合紗線，該紗線在18 h內(nèi)抑菌率在97.0%以上，具有較好的抗菌性。

2.2 紡紗方式

抗菌紗線的紡紗方式除傳統(tǒng)的環(huán)錠紡?fù)?，還有賽絡(luò)紡、轉(zhuǎn)杯紡等。賽絡(luò)紡是環(huán)錠紡紗技術(shù)的新發(fā)展，在環(huán)錠紡紗機(jī)上把2根粗紗平行喂入細(xì)紗牽伸區(qū)，經(jīng)初步加捻后再匯聚并進(jìn)一步加捻形成紗線。由于紗條在輸出前羅拉后有一個(gè)匯聚環(huán)節(jié)，能夠有效提高抗菌紗線的斷裂強(qiáng)力，并通過(guò)改善成紗條干，減少毛羽，增強(qiáng)抗菌紗線的抗菌性能，但條干和細(xì)節(jié)易惡化[38]。轉(zhuǎn)杯紡是與環(huán)錠紡?fù)耆煌某杉喎椒?，具有紡紗工序短、使用原料廣泛等優(yōu)勢(shì)，但由于大多數(shù)抗菌纖維長(zhǎng)度整齊度差，細(xì)度不勻率高(如大麻纖維)，轉(zhuǎn)杯紡紡出的抗菌紗線強(qiáng)力低、毛羽多、耐磨性差，包覆在紗線表面的抗菌纖維易受到損傷與丟失，使紗線力學(xué)性能和抗菌性能降低[39]。

Jiang等[40]在抗菌納米纖維/棉復(fù)合紗的生產(chǎn)中，利用環(huán)錠紡使納米纖維被相鄰的棉纖維緊密鎖定，納米纖維同時(shí)分布在紗線表面與內(nèi)部，夠能承受傳統(tǒng)紡織工藝中的磨損，對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑制率分別為92.58%和88.27%，有良好的抗菌性能。安曉龍等[41]對(duì)羊毛、羊絨在染色后處理階段進(jìn)行抗菌處理，并采用賽絡(luò)集聚紡紡紗工藝制備抗菌羊毛/羊絨混紡紗線，有效地減少毛羽產(chǎn)生，改善了成紗條干，提高單紗強(qiáng)力。紗線經(jīng)過(guò)15次洗滌后，對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌率為85.7%、89.6%和96.6%。張曉慧等[42]利用轉(zhuǎn)杯紡工藝紡制桑皮纖維混紡紗，通過(guò)選擇合理的工藝參數(shù)，使桑皮纖維混紡紗具有良好的抗菌性能，對(duì)大腸桿菌的抑菌率為75.9%，但紗線斷裂強(qiáng)度較低。

2.3 紗線結(jié)構(gòu)

在抗菌紗線結(jié)構(gòu)中，外觀形態(tài)的均勻性、內(nèi)在組成質(zhì)量和分布的連續(xù)性、纖維間相互作用的穩(wěn)定性都十分重要?？咕旒徏喼谐Ｒ?jiàn)的紗線結(jié)構(gòu)如包覆紗、包芯紗等，由于其特有的結(jié)構(gòu)方式，使紗線既具備芯絲的特性，又可以通過(guò)利用外包纖維的特性，改良其服用舒適性，用來(lái)解決芯紗強(qiáng)力不足、耐磨性差的問(wèn)題[43]。

在抗菌混紡紗中，抗菌纖維置于外層，增加抗菌纖維與細(xì)菌的接觸面積，從而增強(qiáng)紗線的抗菌效能，但紗線的抗菌持久性差。將抗菌纖維作為芯絲的紗線結(jié)構(gòu)，能有效增強(qiáng)紗線抗菌耐久性。周朝鋼等[44]在負(fù)離子纖維/抗菌丙綸包覆紗的紡制中，將竹漿纖維、負(fù)離子纖維、棉纖維(30/40/30)混紡作為包覆紗的外包纖維，抗菌丙綸作為芯絲制備包覆率為47.5%的包覆紗，具有更為持久的抗菌性以及更好的舒適性能。郭宇微[45]將改性粘膠纖維和改性滌綸混紡作為外包短纖維，抗菌滌綸長(zhǎng)絲為芯絲，石墨烯改性滌綸為外包長(zhǎng)絲，制備的抗菌保暖包芯包覆紗具有高效且持久的抗菌性，紗線表面包有規(guī)則的長(zhǎng)絲，紗線不易解體和相對(duì)滑移，提高了紗線的耐磨性。王鍵等[46]在殼聚糖/棉混紡紗中為保證其抗菌性，利用環(huán)錠紡紗加捻三角區(qū)內(nèi)內(nèi)外層纖維的轉(zhuǎn)移規(guī)律，使較短粗的殼聚糖纖維向紗線的外層移動(dòng)，而較為細(xì)長(zhǎng)的棉纖維向紗線內(nèi)部轉(zhuǎn)移，增加混紡紗的抗菌效能，但抗菌的持久性差，僅能持續(xù)8～10 h。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著社會(huì)物質(zhì)生活水平的提高，紡織品朝著舒適性和功能性發(fā)展。對(duì)于人體穿著的抗菌紡織品，其核心在于紗線的抗菌性能需要具備高效性、安全性以及耐久性；紗線在具有良好抗菌性能的同時(shí)，應(yīng)滿(mǎn)足人體需求的舒適性和力學(xué)性能。通過(guò)后整理得到的抗菌紡織品，雖然具有良好的抗菌性能，但抗菌劑會(huì)抑制皮膚表面對(duì)人體有益的微生物，長(zhǎng)此以往會(huì)對(duì)人體健康造成損害。

抗菌纖維雖然具有良好的抗菌性，但其吸濕、透氣性較低，制備的抗菌紗線其力學(xué)性、服用性較差，可采用特殊的紗線結(jié)構(gòu)(包纏紗、包芯紗)或開(kāi)發(fā)兼具舒適性和高效、持久抗菌性的纖維。本文對(duì)抗菌紗線進(jìn)行綜述分析發(fā)現(xiàn)，目前我國(guó)尚未建立統(tǒng)一、公認(rèn)的抗菌效能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；抗菌混紡紗的紡紗方式、紗線結(jié)構(gòu)較為單一；制備的抗菌紗線強(qiáng)力較低?？咕喚€未來(lái)應(yīng)使用具有良好力學(xué)性能的新型高效抗菌纖維；應(yīng)探索新型的紡紗方式、紗線結(jié)構(gòu)，使抗菌紗線朝著抗菌性、安全性、耐久性、功能性及舒適性等各方面均衡的方向發(fā)展。