抗菌納米纖維素在Lyocell/粘膠混紡紗線及織物抗菌整理應用

余曉珊， 邱婷婷， 鄭迪力， 石 泰， 盧麒麟*

抗菌納米纖維素在Lyocell/粘膠混紡紗線及織物抗菌整理應用

余曉珊1， 邱婷婷1， 鄭迪力1， 石 泰2， 盧麒麟1*

（1. 閩江學院 服裝與藝術工程學院，福建 福州 350108；2. 福建賽隆科技有限公司，福建 莆田 351254）

為賦予Lyocell/粘膠混紡紗線及其織物抗菌性，通過浸漬和浸軋使紗線和織物與抗菌納米纖維素結合，制得Lyocell/粘膠混紡抗菌紗線及抗菌織物。制得的抗菌紗線及抗菌織物對金黃色葡萄球菌及大腸桿菌抑菌率均達到98%以上，通過浸軋整理的織物抗菌性能及耐洗性均優于浸漬整理的織物?？咕砗蟮目椢锘爻甭首兓淮?，力學性能有所提高，紗線表面毛羽減少，抱合緊密。

抗菌整理；抗菌納米纖維素；Lyocell/粘膠混紡紗線；日光驅動

納米纖維素具有天然纖維素可再生、可生物降解等特性，而且纖維素來源廣泛，具有低成本、可再生、無毒、無污染、易于改性等優點[1]，為形成功能性復合材料提供了可能。納米纖維素本身有較多的羥基，自身會發生團聚現象，一般在水溶液中保存。纖維素纖維表面也有羥基，能夠與納米纖維素的羥基形成氫鍵而結合[2-3]。

目前Lyocell纖維的抗菌整理劑有納米銀抗菌劑、殼聚糖抗菌劑等。納米銀抗菌劑抑菌率高且殺菌速度快，但是對人體具有潛在危害，而且對環境會造成一定的污染；殼聚糖抗菌劑抑菌效果好，但是殺菌速度慢，且制備工藝復雜。本研究所采用的3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐（BTDA）是通過日光驅動，對環境無污染且殺菌速度快，且制備方法簡單，不會對環境造成污染[4]。

本文將抗菌納米纖維素用作整理劑[5-6]，該整理劑與紗線結合力好，可以提升紗線的力學性能，且活性相較于其他抗菌劑也更好，可以重復使用。通過浸漬、浸軋的方式與纖維素纖維紡織品結合，獲得具有抗菌性能的抗菌紗線及抗菌織物[7-8]。并對整理工藝進行探討，探討了不同工藝對纖維素纖維紡織品結構和性能的影響。

1 實驗

1.1 材料

抗菌納米纖維素懸濁液（固含量：10%），實驗室自制[9]；3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐（BTDA，分析純），上海麥克林生化科技有限公司；納米纖維素（TSOH-CNC，固含量：1.26%），實驗室自制；PPA（P2O5≥85%），阿達瑪斯貝塔（上海）化學試劑有限公司；Lyocell/粘膠混紡紗線，福建億來實業有限公司。

1.2 儀器

LXC-252SC 12G電腦橫編織機，江蘇金龍科技股份有限公司；YG(B)086縷紗測長儀，溫州市大榮紡織儀器有限公司；YG063全自動單紗強力儀，泉州市美邦儀器有限公司；YMPO-OS-42手搖小軋車，紹興市元茂機電設備有限公司；DHG-9075A電熱鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司自動；R-3自動定型烘干機，廈門瑞比精密機械有限公司。

1.3 抗菌納米纖維的制備

參考文獻[9]制備抗菌納米纖維素，將納米纖維素與3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐（BTDA）結合，以二氧六環為溶劑，聚磷酸為催化劑，制備最佳 條件為10 g納米纖維素、0.3 g BTDA、20 mL二氧六環、0.2 g 聚磷酸（PPA）、反應溫度為140℃、反應時間為240 min。反應機理如圖1所示。

圖1 抗菌納米纖維素制備原理

1.4 整理工藝

1）浸漬法制備抗菌紗線

稱取一定量抗菌納米纖維素懸濁液于燒杯中，將燒杯放在50℃水浴鍋中，待燒杯內溫度升至50℃放入紗線浸漬60 min，帶液率保持在80%，放入60℃烘箱烘干，在120℃下焙烘5 min，獲得抗菌紗線。

2）織物制備

將Lyocell/粘膠混紡紗線與制得的抗菌紗線用電腦橫編織織造成織物，組織圖案為雙羅紋，獲得Lyocell/粘膠混紡針織物及抗菌針織物[10]。

3）浸軋法制備抗菌織物

稱取一定量抗菌納米纖維素懸濁液，取一定量Lyocell/粘膠混紡針織物，用小軋車浸軋，一浸一軋，軋余率80%，放入60℃烘箱烘干，在120℃下焙烘5 min，獲得抗菌針織物。實驗參數見表1。

表1 本文實驗參數

將實驗序號1-4的紗線在針織機上織造，獲得實驗序號3-1的抗菌針織物。

1.5 抗菌性能測試

1.5.1 原料與試劑

酵母浸粉（生物試劑）、瓊脂粉（生物試劑），南京全隆生物技術有限公司；蛋白胨（生物試劑），北京奧博星生物技術有限責任公司；氯化鈉（分析純，西隴科學股份有限公司）；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（SHBCC D18030）、大腸桿菌DH5α（SHBCC D24944），上海保藏生物技術中心。

1.5.2 設備與儀器

生物安全柜（BSC-1100ⅡA3-X，山東鑫貝西生物技術有限公司）；立式壓力蒸汽滅菌器（8XM-30R，上海博迅醫療生物儀器股份有限公司）；生物培養箱（JQ-SHP160，河北清潔環?？萍加邢薰荆?；恒溫震蕩器（THZ-98C，上海一恒科學儀器有限公司）；臺式高速離心機（SIGMA 3-15，曦瑪離心機（揚州）有限公司）。

1.5.3 日光驅動抗菌實驗

參考GB/T 20944.3-2008《紡織品抗菌性能的評價第3部分：振蕩法》進行實驗。取0.75 g待測抗菌紗線、對照組紗線、抗菌織物、對照組織物，錫紙包好后放于立式壓力蒸汽滅菌器進行滅菌，121℃下處理30 min，取出后放入裝有金黃色葡萄球菌及大腸桿菌的廣口瓶中，蓋好瓶塞，置于日光下照射240 min。涂布方法是稀釋涂布平板法，選擇較為合適的稀釋倍數進行涂布，將涂好的培養皿置于37℃的溫度下恒溫培養18～24 h后觀察，并計算抑菌率。抑菌率計算公式見式（1）。

1.5.4 光驅動殺菌實驗

稱取烘干后的對照組紗線、抗菌紗線、對照組織物、抗菌織物各0.75 g，放入裝有兩種細菌的廣口瓶中，置于日光下照射240 min，每隔60 min取廣口瓶中液體進行稀釋涂布，獲得抗菌紗線及織物隨光照時間抑菌情況。

1.5.5 耐洗性能測試

耐洗性能參考《BG/T 8629-2017紡織品試驗用家庭洗滌和干燥程序》進行測試。

1.6 抗菌紗線及織物性能表征

1.6.1 紗線細度

在20℃和65%RH的條件下，用縷紗機量取一定長度的紗線，放入電子天平中稱量，根據公式（2）計算紗線的細度。

式中：t為線密度，單位tex；k為纖維在公定回潮率下的重量，單位g；為纖維長度，單位m。

1.6.2 紗線回潮率

將紗線于105℃烘干后稱重，再于20℃和65%RH的條件下放置48 h，進行二次稱重，根據式（3）計算紗線的回潮率。

式中：為回潮率；a為紗線濕重，單位g；0為紗線干重，單位g。

1.6.3 紗線力學性能測試

在20℃、65%RH條件下，采用全自動單紗強力儀測試紗線斷裂強力、斷裂強度、斷裂伸長率等數據。紗線夾持距離為250 mm，拉伸速率為250 mm/min，對每組紗線進行20次測量，取平均值。

1.6.4 紗線及織物微觀形貌觀察（SEM）

采用TM4000Plus型掃描電子顯微鏡對纖維表面形貌特征進行觀察。

1.6.5 紗線及織物傅里葉變換紅外光譜測試（FT-IR）

采用傅里葉變換紅外光譜儀（IS50）對紗線及織物的結構特征進行分析。其中，紗線及織物均經烘干后，紗線扎緊成束，織物不作處理，進行制樣。

1.6.6 紗線及織物熱學性能測試（TG）

采用TP209F3型熱重分析儀，進行紗線及織物的熱性能分析。測試條件為，以N2作保護氣，保護氣流為20 mL/min，吹掃氣為30 mL/min，以10 K/min的升溫速率從20℃升溫至600℃。

2 結果與討論

2.1 纖維抗菌性能分析

2.1.1 不同工藝纖維抗菌性能分析

圖2為不同制備工藝下Lyocell纖維抑菌率曲線。圖3為其對應的抗菌效果圖。

圖2 不同制備工藝下抗菌紗線及織物抑菌率曲線

a. 金黃色葡萄球菌；b. 大腸桿菌

由圖2可以看出，隨著抗菌納米纖維素懸濁液中抗菌納米纖維素濃度的提高，浸漬之后的抗菌紗線對金黃色葡萄球菌及大腸桿菌的抑菌率在不斷提高。浸漬在抗菌納米纖維素濃度為10 g/L的抗菌紗線其抑菌率較低，對兩種菌的抑菌率分別為73.3%與26.41%。這是由于其抗菌納米纖維素濃度較低，在烘干、焙烘過程中會產生一定的損耗，且抗菌納米纖維素附著不牢固，導致起到抗菌效果的抗菌納米纖維素較少。故選擇最佳浸漬條件的抗菌納米纖維素懸濁液對Lyocell/粘膠混紡紗線進行浸漬獲得抗菌紗線，即100 g/L濃度的抗菌納米纖維素懸濁液。從圖2中也可看出，此時抑菌率最高，對兩種菌的抑菌率分別為99.81%與99.02%。后續對該抗菌紗線進行織造，獲得浸漬抗菌織物，經過針織機織造后，其抑菌率基本沒有減少，分別為99.27%與97.55%。

先將Lyocell/粘膠混紡紗線經相同工藝織造成織物，再經濃度為100 g/L的抗菌納米纖維素懸濁液一浸一軋后，該浸軋抗菌織物抑菌率同浸漬抗菌織物的相比更高，對兩種菌的抑菌率分別達到99.94%與99.9%。

2.1.2 光照時間對抗菌性能的影響

圖4為實驗序號為2-1及3-1的抗菌織物隨光照時間變化的抑菌率曲線。圖5為其對應的抗菌效果圖。

a. 金黃色葡萄球菌；b. 大腸桿菌

由圖4可以看出隨著光照時間的增加，抑菌率提高，光照180 min時，浸漬與浸軋抗菌織物對金黃色葡萄球菌抑菌率同為99.58%達到最高；光照240 min，浸漬與浸軋抗菌織物對大腸桿菌抑菌率分別為98.95%和99.74%達到最高。說明浸軋后的織物抗菌性優于浸漬抗菌織物，抗菌納米纖維素懸濁液經浸軋整理后與織物結合更加牢固。

2.1.3 耐洗性能測試

圖6為抗菌紗線及織物在水洗后抑菌率的變化柱狀圖。

a. 金黃色葡萄球菌；b. 大腸桿菌

由圖6可以看出，水洗之后，兩種織物的抑菌率均有減小。水洗通過外力的作用使織物表面部分抗菌納米纖維素被洗去，導致其抑菌率降低。浸漬抗菌織物耐水洗性較差，浸軋整理能夠使抗菌納米纖維素更為牢固地結合在織物上，水洗之后仍有較高的抗菌性[11]。

2.2 紗線基本物理性能分析

紗線細度、回潮率、力學性能數據見表2。

表2 紗線細度、回潮率、力學性能

浸漬抗菌納米纖維素后，紗線密度提高，但回潮率未出現明顯變化，由于納米纖維素本身也是纖維素，其吸放濕性能相近，故影響不大。但隨著納米纖維素懸濁液濃度的增加，紗線的力學性能得到一定提升，但效果不太明顯。當抗菌納米纖維素濃度為100 g/L時，紗線的斷裂強度、斷裂伸長率達到最大值，力學性能得到一定提升。

2.3 微觀形貌分析

圖7為抗菌紗線與抗菌織物及對照組的SEM圖。

由圖7可以看出，未浸漬納米纖維素懸濁液的紗線表面毛羽較多，但單根纖維表面光滑，而實驗序號1-4的抗菌紗線毛羽較少，單根纖維表面會有抗菌納米纖維素附著。

由圖7可以看出直接由Lyocell/粘膠混紡紗線制備的織物其表面形貌與對應紗線一致，單根纖維上較為光滑。而浸漬抗菌納米纖維素懸濁液之后的紗線制備的織物其表面同其對應的紗線一致，部分納米纖維素吸附在其表面。經浸軋之后的抗菌織物表面附著的抗菌納米纖維素更多，部分團聚形成薄膜狀物質。

2.4 化學基團分析

圖8 為未處理織物及兩種抗菌織物的FT-IR圖。

圖8 未處理織物及兩種抗菌織物的FT-IR圖

由圖8可知，1450 cm-1附近的吸收峰為纖維素飽和C-H彎曲振動吸收；1645 cm-1處的吸收峰為纖維素結構中H-O-H的伸縮振動，主要原因是纖維素吸水造成的；2900 cm-1和2865 cm-1兩處的吸收峰為纖維素結構中C-H伸縮振動吸收；3340 cm-1附近為-OH的吸收峰，纖維素有較多羥基，浸漬與浸軋后的抗菌織物由于表面附著納米纖維素，而納米纖維素尺寸相較普通纖維素尺寸變小，比表面積變大，其表面所暴露出來的羥基更多，而且該處的峰強度也變高，并發生一定位移[12]。

2.5 織物熱學性能分析

圖9 為未處理紗線及兩種抗菌織物的TG圖。

圖9 未處理紗線及兩種抗菌織物的TG圖

由圖9 可以看出，三者在0～100℃出現較小的質量損失，主要原因是紗線及織物結構中水分的揮發。Lyocell/粘膠混紡紗線其本質仍是纖維素，溫度繼續上升至280℃后失重明顯，主要原因仍是纖維素鏈斷裂，生成其他物質導致。在溫度達到370℃后，失重較為平緩，主要原因是纖維素斷裂生成的葡萄糖繼續分解導致。溫度繼續升高其失重基本不變，剩余為殘炭，質量殘余26.5%。由于抗菌納米纖維素本身與Lyocell/粘膠混紡紗線本質相似，均為纖維素，其熱學性能接近，但浸漬、浸軋后的抗菌納米纖維素含量仍然較少，在TG圖中未能發現更為明顯的區別。

3 結論

通過浸漬抗菌納米纖維素懸濁液獲得具有抗菌性能的Lyocell/粘膠混紡紗線，并通過針織機對未處理的紗線和抗菌紗線進行織造分別獲得雙羅紋組織的普通織物與浸漬抗菌織物。將普通織物浸軋后獲得浸軋抗菌織物。

1）浸漬后的紗線相比于未處理的紗線，回潮率變化不大，力學性能有所提高，浸漬后紗線表面毛羽減少，抱合緊密。

2）隨著抗菌納米纖維素濃度的提高，浸漬整理的抗菌紗線抗菌性能提高。通過浸軋抗菌納米纖維素懸濁液的織物抗菌性能相較于浸漬處理的織物抗菌性能更好，且經過水洗之后抗菌性影響較小。

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Antibacterial Nanocellulose in Lyocell/Viscose Blended Spinning

YU Xiaoshan1, QIU Tingting1, ZHENG Dili1, SHI Tai2, LU Qilin1*

（1. Clothiing and Design Faculty, Minjiang University, Fuzhou 350108, China; 2. Fujian Sailong Technology Co., Ltd., Putian 351254, China）

In order to endow Lyocell/Viscose blended yarns and fabrics with antibacterial properties, Lyocell/Viscose blended antibacterial yarns and fabrics were prepared by impregnating and padding the yarns and fabrics with antibacterial nanocellulose. The antibacterial rate of the prepared antibacterial yarn and antibacterial fabric against Staphylococcus aureus and Escherichia coli reached more than 98%. The antibacterial properties and washing resistance of the fabric treated by padding were better than those of the fabric treated by dipping. The moisture regain of the fabric after antibacterial finishing did not change much, the mechanical properties were improved, the hairiness on the yarn surface was reduced, and the cohesion was tight.

antibacterial finishing; antibacterial nanocellulose; Lyocell/viscose blended yarn; sunlight drive

2023-10-30

福建省科技創新重點項目（高校類）（2021G02011）；福建省自然科學基金面上項目（2021J011034）；國家自然科學基金項目（32301529）；閩江學院引進人才項目（MJY18010）。

余曉珊（2002～），女，本科生；研究方向：納米纖維素功能材料。

盧麒麟（1989～），男，副教授；研究方向：生物質纖維功能材料。qilinlu@mju.edu.cn

TS195.5

A

1004-8405(2023)04-0007-06

10.16561/j.cnki.xws.2023.04.05