导湿排汗涤纶针织物的抗菌亲水整理

陈永邦， 黄 成， 阎克路， 叶敬平

(1. 东华大学 化学化工与生物工程学院， 上海 201620； 2. 东华大学 国家染整工程技术研究中心， 上海 201620；3. 福建百宏聚纤科技实业有限公司， 福建 晋江 362200)

涤纶作为一种重要的化学纤维，具有较多优异的性能，应用广泛，其使用量在合成纤维中占比最大[1]，但由于其亲水性差，容易产生静电以及滋生细菌，阻碍了其进一步的应用。此外，导湿排汗纤维作为涤纶的一种特殊纤维，由于异形的纤维结构，使其可以利用毛细管作用而获得良好的吸水性，因此导湿排汗涤纶常用在服装、清洁用纺织品等领域[2]。虽然异形结构在一定程度上改善了涤纶的缺点，但由于其较大的比表面积和优良的吸附性能也为微生物滋生提供了更好的条件。为了改善这一状况，可利用抗菌剂对吸湿排汗织物进行抗菌整理使其获得抗菌性，但是由于涤纶表面活性基团少，抗菌剂可与涤纶发生结合的部位是有限的[3-4]，因此，在后整理方法中赋予其持久的抗菌能力是具有挑战性的。

3-(三甲氧基硅烷基)丙基二甲基十八烷基氯化铵(AEM 5700)是典型的有机硅季铵盐类抗菌剂，其结构中的甲基硅氧烷可水解形成硅羟基结构，一部分硅羟基与涤纶上的羟基或羧基结合，另外一部分可以脱水缩合形成Si-O-Si重复链段而贴附在纤维表面。此外，其结构中的季铵盐部分具有杀菌的作用，其作用机制是：细菌细胞表面带负电，会被季铵盐中的氮正离子所吸附，而其十八个碳的烷基链结构可以深入到细胞膜内干扰细菌细胞的正常生命活动，导致细菌死亡[5]。经认证，AEM5700对人体的安全性较高[6]。为了提高织物的亲水性和导湿排汗功能，可选用亲水整理剂SE与AEM 5700进行复配，从而提高其服用性能。

本文利用市售抗菌剂AEM 5700对导湿排汗涤纶长丝织造的针织物进行抗菌整理，并复配亲水整理剂提高织物的亲水性，通过研究不同整理工艺对涤纶织物抗菌性、亲水性的影响，获得较为理想的整理工艺，从而为异形纤维涤纶织物的工业化抗菌亲水整理做一个初步的探究。

1 试验部分

1.1 材料与仪器

织物：导湿排汗涤纶针织物(涤纶长丝织造而成，规格：83 dtex/72 f，BLCOOL，福建百宏聚纤科技实业有限公司)。

药品：金黄色葡萄球菌(ATCC 6538，南京便诊生物科技有限公司)，抗菌剂AEM 5700(上海康必达科技有限公司)，胰蛋白胨(生化试剂，英国OXOID公司)，酵母提取物(生化试剂，英国OXOID公司)，琼脂粉(生化试剂，国药集团化学试剂有限公司)，磷酸氢二钠(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)，磷酸二氢钾(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)，氯化钠(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)，亲水整理剂SE(北京洁尔爽高科技有限公司)。

仪器：DZF-6050型真空干燥箱(上海精宏设备有限公司)，LDZX-30FBS型立式蒸汽灭菌锅(上海申安医疗器械厂)，ZHWY-200H型恒温培养振荡器、ZHJH-C1112B型超净工作台(上海智城分析仪器制造有限公司)，GHP-9080型恒温培养箱(上海一恒科学仪器有限公司)，DHE65002型高温汽蒸焙烘两用机(瑞士Mathis 公司)，P-A1型均匀轧车(台湾 Rapid 公司)，Nicolet 6700型傅里叶红外光谱仪(美国Thermo Fisher公司)，DSA30型接触角分析仪(德国KRÜSS公司)，WASHTEC-P型织物水洗牢度测试仪(英国ROACHES公司)，YG(B) 871型毛细管效应测试仪(温州大荣纺织仪器有限公司)，STA449F3型同步热分析仪(德国Netzsch Geraetebau Gmbh公司)，M290型液态水动态传递性能测试仪(美国ADL ATLAS公司)，Datacolor650型测色配色仪(美国Datacolor公司)，PhabrOmeter3型织物风格仪(美国Nu Cybbertek公司)。

1.2 实验方法

1.2.1AEM5700样品的制备

1)30 ℃烘干样品：取10 g AEM 5700整理剂，滴加0.5 g去离子水，将溶液进行30 ℃低温旋蒸，除去溶剂，剩余油状液体转移至小烧杯中，置于真空烘箱(30 ℃，-0.1 MPa)中24 h烘干。

2)100 ℃烘干样品：取10 g AEM 5700溶液于小烧杯中，加入10 g去离子水，然后直接放于100 ℃烘箱中烘干24 h。

1.2.2涤纶织物的整理工艺

工艺1：对原布进行碱减量处理，浴比为1∶20，NaOH 1.5%，恒温水浴振荡(100 ℃， 30 min)，冷水搓洗，晾干。

工艺2：用AEM 5700单独对织物的抗菌整理，AEM 5700 2.0%，二浸二轧(轧余率为140%)，烘干，焙烘，冷水搓洗，晾干。

工艺3：抗菌亲水复合整理，AEM 5700 2.0%，亲水整理剂SE 10%，二浸二轧(轧余率为140%)，烘干(80 ℃，3 min)，焙烘(160 ℃，1 min)，冷水搓洗，晾干。

1.3 抗菌性能测试

织物抗菌性定量测试分为吸收法和振荡法，振荡法更适用于体现AEM 5700的抗菌性[7]，因此，参照GB/T 20944.3—2008 《纺织品 抗菌性能的评价 第3部分：振荡法》进行测试。剪取0.75 g织物(剪碎至5 mm×5 mm)放入250 mL烧瓶中，加入70 mL缓冲溶液和5 mL菌液(金黄色葡萄球菌，细菌浓度在2.5×105～3.0×105CFU/mL)，旋好瓶塞后放入恒温振荡器中，在37 ℃条件下振荡0.5 h或18 h。然后以10倍稀释法系列稀释至合适倍数，用移液枪取100 μL滴在培养基上，37 ℃恒温恒湿培养18 h，记录菌落数量。以原布为对照样，按照下式计算其抑菌率：

R=[(N1-N2)/N1]×100%

式中：N1为培养一定时间后对照样的菌落数量；N2为培养一定时间后试样的菌落数量。

1.4 织物水洗牢度测试

采用GB/T 12490—2014 《纺织品 色牢度试验 耐家庭和商业洗涤色牢度》中的A1M测试条件，剪取10 cm×10 cm(毛效测试布剪取3.3 cm×30 cm)大小的织物，用ECE无磷标准洗衣粉，水温为40 ℃，洗涤剂质量分数为0.2%，150 mL溶液，钢珠10粒，洗涤45 min，取出试样后用40 ℃温水充分洗涤，执行1次上述洗涤循环相当于5次普通家庭机洗。

1.5 热性能测试

采用STA449F3型同步热分析仪对样品进行测试，将1.2.1中2种样品压碎，取(3±0.5)mg样品放入氧化坩埚。在氮气保护下从25 ℃升温至600 ℃，升温速率为10 K/min。

1.6 红外光谱测试

采用Nicolet 6700型傅里叶红外光谱仪对1.2.1中的样品应用ATR附件进行测试，测试波数范围为4 000～500 cm-1，并用红外软件对其进行归一化处理。

1.7 织物毛效测试

剪取织物大小为2.5 cm×30 cm，溶液质量分数为0.15%的重铬酸钾溶液，先在织物底端1 cm处划线，并夹上2 g的夹子，将织物垂直悬挂在横架上，记录30 min后液体上升的高度。

1.8 织物表面接触角测试

采用DSA30接触角分析仪测试整理后织物的接触角。待测样品在恒温(25±2)℃和恒湿(65±1)%条件下放置24 h后剪成2 cm×5 cm的片状，平铺于载玻片上，将3 μL蒸馏水滴在织物表面，待10 s后测试其接触角，1个样品测5次，结果取其平均值。

1.9 织物的液态水动态传递性能测试

参考AATCC 195—2009 《纺织品的液态水动态传递性能》对织物进行测试，并利用测试所得的液态水动态传递综合指数(OMMC)对其导湿排汗性能进行评价[8]。根据织物的吸收速率、最大润湿半径、润湿时间、扩散速度、单向传递指数等参数，仪器会对织物的吸湿和干燥性能进行评价并分类：1为防水类织物，2为疏水类织物，3为慢吸湿慢干燥类织物，4为快吸湿慢干燥类织物，5为快吸湿快干燥类织物，6为水渗透类织物，7为水分管理类织物。

1.10 织物风格测试

采用PhabrOmeter3型织物风格测试仪对织物风格进行测试，利用柔软度和平滑度评价其手感。用取样刀将待测织物切成100 cm2的圆形(取5个样)，在恒温(25±2)℃和恒湿(65±1)%环境中放置24 h，测试织物质量和厚度，取得平均数后输入至测试软件中，利用仪器对织物风格进行测试。

1.11 织物白度测试

用Datacolor650型测色配色仪对织物白度进行测试，选用大孔径，将织物折叠2次(4层)，然后测试其白度。

2 结果与讨论

2.1 AEM 5700的性能分析

图1示出不同温度处理后AEM5700的红外谱图。可看出，a、b样品在920 cm-1处(Si—OH中的Si—O伸缩振动峰)都有吸收峰。表明a、b样品上都还有Si—OH结构。对比a、b样品在3 233 cm-1处的宽峰(主要受样品吸附水和硅羟基共同的影响)，可发现，b样品的峰强明显高于a样品，说明b样品中的Si—OH结构多于a样品[9]，这是因为只经旋蒸和低温烘干的过程，大部分AEM 5700未发生脱水缩合反应，其表面的硅羟基成分多，使得样品吸附的水分也多。从图中1 129～1 035 cm-1区间的峰可看出，样品b为单峰，而样品a有2个峰，这是因为此区间为Si—O—Si链段的吸收峰，当硅氧烷结构的分子链变长后，会导致峰的分裂现象[9]，而a样品在100 ℃烘干时，其分子间脱水缩合反应程度较高，其硅氧烷结构的分子链长度高于b样品。

图1 AEM 5700的红外谱图Fig.1 FTIR spectra of AEM 5700

图2示出100 ℃烘干和30 ℃低温烘干的AEM 5700样品的热重分析曲线。可看出，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铵脱水缩合生成的聚合物在160～170 ℃之间开始产生质量损失，因此其焙烘温度不宜高于160 ℃。还可看出，在120～160 ℃之间升温时，在150～160 ℃之间出现了1个质量损失速率的峰值(图2(b)中虚线部分)，若只考虑AEM 5700自身的脱水缩合反应，可推测其最佳的焙烘温度在150～160 ℃之间[10]。

图2 AEM 5700的热重分析Fig.2 TG-DTG analysis of AEM 5700 sample. (a)Thermogravimetric analysis; (b)Derivative thermogravimetric analysis

2.2 焙烘温度分析

焙烘温度对于AEM5700在织物表面的成膜存在重要影响。由热重分析可知，AEM5700的处理温度不宜高于160 ℃，因此，160 ℃以下，探究焙烘温度对整理效果的影响。图3示出焙烘温度对织物抑菌率及接触角的影响。可看出，烘焙温度在120～160 ℃之间升高时，整理后织物抑菌率的总体趋势随焙烘温度的升高而升高，这主要是因为AEM 5700结构中的Si—O—CH3水解后形成Si—OH，在加热条件下可发生脱水缩合，从而在织物表面固着。在相同的焙烘时间下，焙烘温度的升高使抗菌剂更好地滞留在织物表面，从而使抗菌性也提高，因此，焙烘温度可选择为160 ℃。同时，发现织物的接触角与抑菌率成正相关，这是由于AEM 5700脱水缩合后形成了Si—O—Si定向排列结构，使其本身含有的十八烷基疏水长链在织物表面聚集，从而提高了织物的拒水性[10]，所以随着焙烘温度升高，AEM 5700固着越多，织物的接触角就越大。

注：烘干温度为100 ℃； 烘干时间为2.5 min；焙烘时间为1 min； 振荡法振荡时间为0.5 h。图3 不同焙烘温度对织物抑菌率及接触角的影响Fig.3 Influence of different curing temperatures on bacteriostatic rate and contact angle of fabric

2.3 焙烘时间分析

焙烘时间对于整理效果也存在一定的影响，在相同的焙烘温度下，探究不同焙烘时间的影响，结果如图4所示。在焙烘时间小于或等于1 min时，整理后织物的抑菌率随焙烘时间延长而升高，而焙烘时间大于1 min时，抑菌率和接触角的变化较小。这是因为在160 ℃条件下，1 min的焙烘时间足以使AEM 5 700发生反应，再延长时间，也不会继续提高AEM 5700与纤维结合的量，因此，焙烘时间可选择为1 min。

注：振荡法振荡时间为0.5 h。图4 不同焙烘时间对织物抑菌率及接触角的影响Fig.4 Influence of different curing time on bacteriostatic rate and contact angle of fabric

2.4 烘干温度分析

在焙烘温度为160 ℃，焙烘时间为1 min的条件下，探究不同烘干温度的影响，结果如图5所示。可看出，在烘干温度达到80 ℃以后，整理后织物的抑菌率开始随温度的升高而下降。这是因为AEM 5700水解产生的Si—OH在80 ℃条件下便可发生缩聚，所以如果烘干温度在80 ℃以上时，由于织物带液率较大，存在部分抗菌剂分子在滞留于织物表面的整理液中进行缩合，而未贴覆在织物表面进行缩合，从而导致一部分缩合后的抗菌聚合物在整理后的冷水洗步骤中被洗脱，抑菌率和接触角随之降低，因此，为了达到较好的整理效果，烘干温度可选择80 ℃。

注：振荡法振荡时间为0.5 h。图5 不同烘干温度对织物抑菌率及接触角的影响Fig.5 Influence of different drying temperatures on bacteriostatic rate and contact angle of fabric

2.5 AEM 5700耐洗性分析

在最佳热处理工艺条件下对织物进行整理，然后对其耐洗性进行测试，结果如图6所示。整理后织物的抑菌率和接触角随洗涤次数的增多而降低，这是因为洗涤作用对AEM 5700形成的抗菌膜具有破坏作用[11]，但也可发现织物在10次洗涤后依然具有93.40%的抑菌率，具有较强的抑菌效果。这是因为AEM 5700脱水形成了牢固的覆膜，稳定性较好[9]。

注：振荡法振荡时间为18 h。图6 AEM 5700整理后织物抑菌率的耐久性Fig.6 Durability of fabric′s antibacterial property after being treated with AEM 5700

2.6 复配整理后织物的性能分析

为改善AEM 5700整理后的亲水性下降问题，选用10%的亲水整理剂SE与AEM 5700进行复配，并在不同机洗次数后对其抑菌率、毛效、吸湿排汗性能进行测试，结果如表1所示。由表1和图6可知，对比AEM 5700单独整理后织物抗菌性的耐久性，经复配整理后织物抗菌性的耐久性明显降低，在1次机洗后就开始下降，且10次机洗后下降至43.86%，这可是因为与亲水剂SE复配整理时，亲水整理剂分子一定程度上占据了抗菌剂与纤维的结合位点，从而使固着在织物表面的抗菌剂减少，致使AEM 5700的成膜性受到影响，导致AEM 5700的牢度下降。从整理后的毛效可知，织物的亲水性得到了提升。比较OMMC数值可知，原织物的OMMC值为0.515 2，具有导湿排汗性能，经AEM 5700单独整理后降到0，经过加入亲水剂与AEM 5700复合整理后织物的OMMC值上升为0.710 2，且洗涤10次后的OMMC值仍比原织物高，导湿排汗性能得到提高。

表1 复配整理织物不同洗涤次数后的性能对比Tab.1 Performance changes of fabrics after washing for different cycles

注：振荡法振荡时间为18 h，整理处方见1.2.2节。

2.7 织物的白度和织物风格变化分析

为考察复合整理对织物白度和手感的影响，对整理后的织物和原布进行白度和织物风格测试，结果如表2所示。可看出，复合整理织物的白度、柔软度以及平滑度与原布相差不大，说明复合整理对织物的白度以及手感影响较小。

表2 复配整理织物的白度及织物风格Tab.2 Fabric style and whiteness of treated fabric

3 结 论

用AEM 5700对导湿排汗聚酯针织物进行抗菌整理的最佳热处理工艺为：80 ℃下烘至干燥，160 ℃下焙烘1 min。经AEM 5700单独整理的织物具有优异耐洗性，但是亲水性下降。复配亲水剂SE可改善织物亲水性下降的情况，经复合整理后的织物在5次机洗(相当于普通家庭25次洗涤)后抑菌率仍有70.18%，且织物的导湿排汗性能得到较大的提升，织物的白度和手感未发现明显下降。

参考文献：

[1] 代国亮, 肖红, 施楣梧. 涤纶表面亲水改性研究进展及其发展方向[J]. 纺织学报,2015,36(8):156-164.

DAI Guoliang, XIAO Hong, SHI Meiwu. Research progress and development direction of surface hydrophilic modification of polyester fiber[J]. Journal of Textile Research, 2015, 36(8): 156-164.

[2] 陈丽华. 十字形涤纶机织物的吸湿排汗性能[J]. 纺织学报, 2007, 28(7): 25-28.

CHEN Lihua. Moisture absorption and sweat transporta-tion properties of cross profile polyester woven fabrics[J]. Journal of Textile Research, 2007, 28(7):

25-28.

[3] 郑皓, 徐少俊, 杨晓霞, 等. 抗菌防霉剂的研究进展及其在纺织品中的应用[J]. 纺织学报, 2011, 32(11): 153-162.

ZHENG Hao, XU Shaojun, YANG Xiaoxia, et al. Progress of research on antimicrobial agents and their application to textiles[J]. Journal of Textile Research, 2011, 32(11): 153-162.

[4] SANGURAI G, RADHALAKSHMI Y, SUBRAMANIAM V. Effect of polyester cross-section on moisture management properties of knitted fabrics[J]. Int J Sci Eng Res, 2014, 5(3): 69-74.

[5] GAO Y, CRANSTON R. Recent advances in antimicrobial treatments of textiles[J]. Textile Research Journal, 2008, 78(1): 60-72.

[6] NAYAK R, PADHYE R. Antimicrobial Finishes for Textiles[M]. Cambridge: Woodhead Publishing, 2014: 361-386.

[7] ZANOAGA M, TANASA F. Antimicrobial reagents as functional finishing for textiles intended for biomedical applications: I: synthetic organic compounds[J]. Chemistry Journal of Moldova, 2014(9): 14-32.

[8] YAO B, LI Y, HU J, et al. An improved test method for characterizing the dynamic liquid moisture transfer in porous polymeric materials[J]. Polymer Testing, 2006, 25(5): 677-689.

[9] EL OLA S M A, KOTEK R, WHITE WC, et al. Unusual polymerization of 3-(trimethoxysilyl)-propyl-dimethyloc tadecyl ammonium chloride on PET substrates[J]. Polymer, 2004, 45(10): 3215-3225.

[10] WANG Y, ZHOU C, ZHANG Q, et al. Synthesis of fumed silica treated with organosilane and its effect on epoxy resin[J]. Polymer-Plastics Technology and Engineering, 2013, 52(2): 145-148.

[11] SUN G. Antimicrobial Textiles[M]. Cambridge: Woodhead Publishing, 2016: 319-336.