PVP/ZnO 納米顆粒的制備及其整理棉織物的染色性能及抗菌性能

白坤舉

（鶴壁職業技術學院，河南鶴壁 458030）

棉織物是最常見的天然纖維織物之一，具有柔軟透氣、吸濕性能優良、保暖性能好等特點，用作服裝面料深受人們的喜愛［1-2］。但棉織物存在活性染料染色反應不完全等問題，一方面導致染料的利用率低，另一方面也導致染料廢水中活性染料的濃度較高，增加了印染廢水的處理難度［3-4］。此外，由于棉織物疏松多孔、親水性好，有利于細菌生長繁殖，不僅會存在異味，還可能通過皮膚微創傷口感染人體，危害人體健康［5-7］。聚乙烯吡咯烷酮（PVP）具有良好的溶解性、生物相容性、低毒性、高表面活性和穩定性，與其他化合物有良好的復配能力，能明顯提高織物的染色性能，廣泛應用于印染行業［8-9］。納米氧化鋅（ZnO）具有無毒抗菌性能，化學穩定性好，在制備功能織物方面具有廣闊的應用前景［10］。

本研究以兩步法制備PVP/ZnO 整理棉織物，研究了PVP/ZnO整理對棉織物活性染料染色上染率、K/S值及色牢度的影響，并探討了PVP/ZnO 整理棉織物的抗菌性能。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

試劑：棉織物（180 g/m2，廣州佛岡順亞紡織染整有限公司），聚乙烯吡咯烷酮（分析純，南京瑞澤化工有限公司），淀粉、檸檬酸三鈉、硝酸鋅、乙酸、氫氧化鈉（分析純，國藥集團化學試劑有限公司），金黃色葡萄球菌、大腸桿菌（廣州環凱微生物有限公司），去離子水（實驗室自制）。

儀器：X′pert pro 型X 射線衍射儀（XRD），KLAS-RF 型恒溫水浴鍋，VERTEX 70 傅里葉紅外光譜儀（FT-IR），Perkin Elmer Lambda 35 紫外-可見分光光度計（UV-Vis），FEI Nova Nano SEM 450 掃描電鏡（SEM），Datacolor 650 測色配色儀，101-A2 型電熱鼓風干燥箱，Y571N 型摩擦牢度儀。

1.2 PVP/ZnO 納米顆粒的制備

將5 g 硝酸鋅加入到100 mL 質量分數為2%的淀粉溶液中，持續攪拌30 min，逐滴加入5 mL 0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液，攪拌2 h 后離心過濾，用去離子水清洗3 次，在85 ℃烘箱中烘12 h，得到ZnO 納米顆粒。將ZnO 納米顆粒加入到100 mL PVP 溶液中，室溫下攪拌1 h 并超聲處理30 min，使ZnO 納米顆粒均勻分散在溶液中。

1.3 PVP/ZnO 整理棉織物的制備

將棉織物浸沒于2%的PVP 溶液中，取出后在80 ℃下干燥10 min，再在45 ℃熱水中清洗兩次，自然晾干。分別用活性紅B-3BF、活性黃B-4RFN 和活性藍B-2GLN 對PVP 整理棉織物和未整理棉織物進行染色，染色工藝為：染料3%，檸檬酸三鈉60 g/L，碳酸鈉10 g/L，浴比1∶20，pH=11，染色溫度70 ℃，染色時間150 min。染色結束后清洗棉織物并用乙酸中和，隨后用冷水清洗干凈。將染色棉織物在PVP/ZnO 溶液中浸泡30 min，再放入軋布機中擠壓，于80 ℃烘箱中干燥30 min，將烘箱升溫到120 ℃保溫10 min，取出后自然風干，得到PVP/ZnO 整理棉織物。

1.4 測試

上染率：利用紫外-可見分光光度計測試染色前后溶液的吸光度，計算上染率=(1-A1/A0)×100%，其中，A0、A1分別為染色前后溶液的吸光度。

K/S值：用測色配色儀測定，在棉織物的中心和邊緣位置分別測試5次，取平均值。

色牢度：耐皂洗色牢度參照GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗耐皂洗色牢度》進行測試；耐摩擦色牢度參照GB/T 3920—2008《紡織品色牢度試驗耐摩擦色牢度》進行測試；耐日曬色牢度參照GB/T 8427—2008《紡織品 色牢度試驗 耐人造光色牢度：氙弧》進行測試。

抗菌性能：將棉織物裁切為2 cm×2 cm，加入到約含1×106CFU/mL 金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的培養基中，置于搖床中37 ℃培育24 h，采用十倍稀釋法進行稀釋，取1 mL 菌液均勻涂布在營養瓊脂表面，測量活菌數量，測3 次，取平均值。抑菌率=(1-A/C)×100%，其中，C為未整理棉織物的菌落數，A為整理棉織物的菌落數。

2 結果與討論

2.1 表征

2.1.1 FT-IR

由圖1 可看出，PVP 整理棉織物在3 400 cm-1處存在寬特征峰，對應—OH 的伸縮振動，3 000～2 980 cm-1對應C—H 的伸縮振動，1 110、1 049 cm-1對應C—O—C 的伸縮振動，1 654 cm-1對應的伸縮振動，1 285 cm-1對應C—N 的伸縮振動，1 438 cm-1對應C—H 的面內和面外彎曲振動。PVP 整理棉織物結構中同時存在PVP 和棉織物的官能團，表明在PVP 和棉織物之間存在相互連接，PVP 成功附著在棉織物表面［11］。PVP/ZnO 整理棉織物的FT-IR 圖譜與PVP 整理棉織物基本相同，表明添加ZnO 后，PVP 整理棉織物的結構沒有發生改變。

圖1 未整理棉織物(a)、PVP 整理棉織物(b)和PVP/ZnO整理棉織物(c)的FT-IR 圖譜

2.1.2 XRD

由圖2可以看出，ZnO 納米顆粒的XRD 圖譜在2θ=31.8°、34.5°、36.3°、47.9°、56.8°、63.4°、66.2°、67.8°和68.8°處的衍射峰分別對應(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(200)、(112)和(201)晶面，表明ZnO 納米顆粒為六角纖鋅礦結構。PVP/ZnO 納米顆粒與ZnO 納米顆粒的衍射峰位置基本一致，表明添加PVP 未改變ZnO 的晶體結構。以(101)晶面作為參考，利用Debye-Scherrer 公式計算得到ZnO 納米顆粒的晶粒尺寸為29 nm。

圖2 ZnO 納米顆粒(a)和PVP/ZnO 納米顆粒(b)的XRD 圖譜

2.1.3 SEM

由圖3 可知，未整理棉織物表面呈現縱向的纖維結構，無其他物質存在；PVP 整理棉織物表面存在膨脹的塊狀結構；PVP/ZnO 整理棉織物表面呈現雜亂的網狀結構并有納米顆粒覆蓋。

圖3 未整理棉織物(a)、PVP 整理棉織物(b)、PVP/ZnO整理棉織物(c)的SEM 圖

2.1.4 元素分析

由圖4 可以看出，PVP/ZnO 整理棉織物表面存在N、Zn、O 3 種元素，表明PVP 和ZnO 納米顆粒成功附著在棉織物表面。

圖4 PVP/ZnO 整理棉織物的EDX 圖譜

2.2 棉織物的性能

2.2.1 染色性能

由表1 可看出，未整理棉織物對活性紅B-3BF、活性黃B-4RFN 和活性藍B-2GLN 的上染率分別為74.3%、72.1%和68.4%；PVP/ZnO 整理棉織物的上染率分別為85.6%、81.2%和82.4%，明顯高于未整理棉織物。這是由于在染色過程中，PVP/ZnO 可以作為染料分子與棉織物之間的黏接劑，大大增加了染料分子的利用率。PVP/ZnO 整理棉織物對活性紅B-3BF的上染率和K/S值高于對活性黃B-4RFN 和活性藍B-2GLN，并且活性染料染色的PVP/ZnO 整理棉織物K/S值均高于未整理棉織物，表明PVP/ZnO 能顯著提高棉織物的染色性能。

表1 PVP/ZnO 整理棉織物的上染率和K/S值

2.2.2 染色牢度

由表2 可知，PVP/ZnO 整理棉織物的耐摩擦色牢度和耐皂洗色牢度均高于未整理棉織物，耐日曬色牢度持平，說明PVP/ZnO 整理沒有降低棉織物的染色牢度。

表2 PVP/ZnO 整理棉織物的染色牢度

2.2.3 抗菌性能

由表3 可知，未整理棉織物的抑菌率均為0%，表明不具有抗菌性能。PVP 整理棉織物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均表現出一定的抗菌能力，隨著時間的延長，抑菌率逐漸升高，120 min 后對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率分別為56%和61%。ZnO 整理棉織物在120 min 后對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率分別為43%和38%，PVP/ZnO（5 mg/L）整理棉織物分別為78%和72%，PVP/ZnO（20 mg/L）整理棉織物在60 min 時對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率均達到100%。這是由于ZnO 可以造成細胞膜損傷，從而影響細菌的生長繁殖，達到抗菌效果。ZnO整理、PVP/ZnO 整理對金黃色葡萄球菌的抗菌效果整體優于大腸桿菌，這是由兩種細菌的細胞膜結構不同引起［12］。

表3 PVP/ZnO 整理棉織物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率

3 結論

以PVP 和Zn(NO3)2為原材料成功制備PVP/ZnO整理棉織物。PVP/ZnO 整理棉織物對活性紅B-3BF、活性黃B-4RFN 和活性藍B-2GLN 的上染率、K/S值均高于未整理棉織物，其中活性紅B-3BF 的染色性能相對最佳，上染率為85.6%，K/S值為1.36。PVP/ZnO（20 g/L）整理棉織物的抗菌性能相對最佳，60 min后對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率均達到100%。