抗菌及抗红外线加工对尼龙棉混纺织物数字印花色彩性及机能性的影响

王权泉,吴唯纶,王士威

(中国文化大学 工学院，台湾 台北 11114)

0 引 言

90年代以来,数位印花技术应用于纺织领域后,给传统印花产业带来较大影响。数位印花不用再经过制版、版型的限制,并且图像可以任意修改。数位印花是将图片传至计算机再输出喷印至纺织物上,几乎所有的高分辨率影像与渐层图案都可喷印,将影像与图案以更细腻、更真实的效果呈现在各式各样的纺织品上。同时,数位印花亦可满足客制化、小量、多样的生产市场,且图案或影像若妥善存放至档案内,还可重复再现。数位印花相较于传统印花,在制作过程中占地面积小、降低环境污染、噪音污染及耗能耗水等问题,是既环保又节能的绿色生产,也是纺织领域的未来发展趋势[1-5]。

迷彩在现代军事领域扮演重要角色,敌方无论在日夜均不易侦测、辨识及定位部队之装备与行动位置。迷彩服能达到维护部队安全及易于发动袭击之功效。由于先进国家采用各种不同的电子侦测装备,以可见光到近红外线之光谱范围扫描获取多种不同波段的图像目标,进而有效地侦测军事伪装以达到重创之目的,因此现行部队服装与装备必须具有抗近红外线效能,以防止被侦测为目标[6-10]。

部队经过多日训练及在草丛中作战,军事服装在天气潮湿、闷热以及无法每日换洗的状况下,可能会生长出细菌、霉菌等。因此，添加抗菌剂用来防止菌类的滋润生长，可以避免土兵受伤感染[14]。

二氯苯氧氯酚具有抑菌作用,通过抑制脂肪酸合成中的酶防止微生物在低浓度下生长。另一方面,二氯苯氧氯酚具有杀菌作用,通过破坏细菌膜的稳定性而直接以较高浓度杀死微生物[15]。

本文对尼龙/棉混纺织物经过数位印花喷印后,添加抗近红外线剂、PU树脂、抗菌剂进行后处理加工，探讨织物性能及色彩性。

1 理 论

1.1 喷墨印花理论

电压式喷墨机台是在喷嘴中装上压电材料,当压电材料接收到喷墨信号时,压电材料会膨胀变形,挤压墨水使墨滴从喷头中喷出形成微滴推出喷印在织物上[1],见图1。

图 1 电压式喷墨示意图Fig.1 Schematic diagram of voltage inkjet

1.2 CIE L*a*b*色彩空间理论

CIEL*a*b*(CIELAB)是惯常用来描述人眼可见的所有颜色的最完备的色彩模型,是 由国际照明委员会提出的。L,a和b后面的 星号(*)是全名的一部分,表示L*,a*和b*不同于L,a和b。 因为红/绿和 黄/蓝对立通道是被计算为锥状细胞响应的，类似孟塞尔值变换的差异,CIELAB是Adams色彩值(Chromatic Value)空间。+a表示红色,-a表示绿色,+b表示黄色,-b表示蓝色,颜色的明度由L来表示。 依据色相、彩度、明度的变化,有系统的排列 组合成一个立体形状之色彩结构,称之为色立体[2-6],见图2。

图 2 CIE L*a*b*色度空间示意图Fig.2 Diagram of CIE L*a*b* chromaticity space

1.3 近红外线理论

近红外线波长范围约为700 nm到2 500 nm 之间, 而遮蔽近红外线的方法主要有分为反射型遮蔽与吸收型遮蔽。 反射型遮蔽主要是改变外部发出的近红外光的反射角度, 使得近红外线侦测器无法接受到原光的光源而达到遮蔽的效果。 吸收型的近红外线遮蔽主要是将向外部发散出的近红外光以吸收的方式接受,避免光源反射出去而被侦测器接收到。 此类型的近红外线遮蔽可以应用于国防军事方面, 例如反侦察、 军事伪装等[11-13]。

1.4 抗菌理论

二氯苯氧氯酚,先是吸附于细菌细胞壁上,进而穿透细胞壁,与细胞质中的脂质、蛋白质反应,分子接近细菌膜,由二氯苯氧氯酚引起的振动分子交替键旋转波动会破坏细胞膜。对膜的破坏包括增加分子脂质运动,破坏脂质链之间的凡德瓦尔力吸引力,增加脂质链运动,降低脂质黏度及脂质膜密度。随着浓度增加到杀菌效果,细菌膜的泄漏发生,细胞内成分的损失导致细胞代谢中断和水解酶导致细胞死亡[15]，见图3～4。

图 3 抗菌示意图Fig.3 Antibacterial diagram

图 4 二氯苯氧氯酚分子式结构图Fig.4 Molecular structure of dichlorop- henoxychlorophenol

2 实 验

2.1 材料

布种: 50%Nylon/50%Cotton(顺麟印染股份有限公司);红外线吸收剂:硅酸钙(第一化工,平均粒径51.59 μm);数位印花直喷机墨水(美国杜邦公司,崴至有限公司);前处理剂(水性，美国杜邦公司,崴至有限公司);杀菌剂(Chlorhexidine，三氯沙,学名:二氯苯氧氯酚,C12H7Cl3O2,全亚兴业);金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus，编号 ATC保存及研究中心);大肠杆菌(EscherichiacoliO157:H7，生物资源保存及研究中心);平面培养基(Plate Count Agar，22.5 g/L Merck KGaA,Darmstadt,德图);斜面培养基(Nutrient Agar，23 g/L Merck KGaA,Darmstadt,德图);培养液(Nutrient Broth，8 g/L Merck KGaA,Darmstadt,德图)。

2.2 仪器

直喷机(*TexJet PLUS Advanced,Polyprint公司);计算机软件(TexJet PLUS RIPv7,Polyprint公司);热转印机(E-CLAM50,崴至有限公司);压吸机(LABTEC model:P-A0 No.9292, LABTEC);红外线测温热像仪(S280,拓捷科技有限公司);无菌操作台(CLEAN BENCH,安帅工业股份有限公司);精密电子天平(Precisa-SB220,祥泰精机);扫描式电子显微镜(Scanning Electron Microscope,JSM-6510,日本电子株式会社);直立式垂直杀菌釜(温度控制于121 ℃,压力为10.3 kPa(1.5 psi),祥泰精机);恒温培养箱(温度可控制于-5～50 ℃,祥泰精机);分光测色仪(X-Rite Color PREMIER8000);摩擦试验2号型机台(QC-319,广铼仪器股份有限公司)。

2.3 实验方法

实验流程见图5。

图 5 实验流程Fig.5 Experimental process

2.3.1 数位喷墨印花 (1) Adobe Photoshop cc 2017计算机软件中进行图型设计;(2) 将前处理剂喷印在布样上,以热压机热压155 ℃,30 s。(3) 使用数位喷墨印花机喷印至布样上,以热压机热压155 ℃,120 s使布样固色。

2.3.2 实验参数 (1) 红外线吸收剂浓度:0.1%,0.5%,1%;(2) 抗菌剂浓度:0.1%,0.5%,1%;(3) 将布样浸渍于红外线吸收剂经过压吸机及烘干定型机(80 ℃,360 s);(4) 调配PU树脂加入超纯水,按照5%,10%,15%,20%的质量分数,将布样浸泡于PU树脂水溶液中经过压吸机及烘干定型机(80 ℃,360 s);(5) 将布样浸渍于抗菌剂经过压吸机及烘干定型机(80 ℃,360 s)。

2.3.3 耐洗染色坚牢度试验法 CNS1494 将布样与附布以100 mm×40 mm规格缝合,放入钢杯里,加入1 g肥皂粉和200 mL超纯水,将钢杯放入洗濯试验机,于50 ℃下洗涤30 min。

2.3.4 耐磨擦色牢度试验法 CNS1499 (1) 依据CNS1499干式摩擦: 将试片剪成22 cm×3 cm,固定于试验台上,施以2 N载重,在试片10 cm距离间,以往复10次/min速度作100次往复摩擦,即可评级。(2) 依据CNS1499湿式摩擦:将试片剪成22 cm×3 cm,固定于试验台上,摩擦用的白棉布为10 cm×10 cm且含水率达95%～100%,并施以2 N载重,在试片10 cm距离间,以往复30次/min速度作100次往复摩擦,将试片风干后即可评级。

2.3.5 抗菌率测试(改良AATCC100) (1) 将固态培养基于放试管中至凝固,取2～3颗菌株于斜面上画线植菌,放置恒温培养箱以35±2 ℃ 培养18～24 h后取出。(2) 将培植菌斜面培养基加入食盐水后摇晃均匀,于斜面培养基中取1 mL～9 mL的液态培养基行系列稀释,放置恒温培养箱以35±2 ℃培养18～24 h后取出。(3) 样本以2.8 cm×2.8 cm正反先照射UV光各30 min,再取样加入9 mL食盐水中,再取稀释培养之菌液1 mL,放置恒温培养箱以35±2 ℃培养18～24 h后取出。(4) 将培养好的样品菌液取1 mL加入9 mL食盐水中系列稀释5次后,分别从5支试管中取0.5 mL菌液放于培养皿,在培养皿中加入15～20 mL固态培养基,放置恒温培养箱以35±2 ℃培养18～24 h后取出,计算灭菌率。

(1)

2.3.6 抑菌圈测试(改良AATCC147) (1) 取菌株至10 mL液态培养基,放置恒温培养箱以35±2 ℃培养18～24 h后取出。(2) 将样本2.5 cm×5 cm正反各照UV光30 min。均匀摇晃含菌株之试管,行系列稀释3次并取第三管(10～3),以接种环沾取菌液放于15～20 mL固态培养基表面上画菌,贴上样本放置恒温培养箱以35±2 ℃培养18～24 h后取出。观察样本周围抑菌圈现象。

3 结果与讨论

3.1 扫描电镜分析

图6(a),(b),(c),(d)分别为尼龙/棉混纺织物原样及添加不同量红外线吸收剂的SEM图。由图6(a)得知，尼龙/棉混纺织物原布样在SEM观察下,纤维表面上并无红外线吸收剂附着。由图6(b)得知,后处理的尼龙/棉混纺织物经过水洗,纤维表面上仍少许附着红外线吸收剂,故证实本实验前处理于水洗布样仍具有红外线吸收剂存在。图6(c)、(d)得知当红外线吸收剂随着添加浓度越高会均匀散布在织物中。

(a)尼龙/棉混纺织物 (b)添加红外线吸收剂 原布样0.1%织物

(c) 添加红外线吸收剂 (d)添加红外线吸收剂 0.5%织物1%织物图 6 尼龙/棉混纺织物SEM图Fig.6 SEM of blended nylon/cotton fabric

3.2 红外光谱分析

透过FTIR鉴定添加红外线吸收剂其本身官能基是否产生变化，如图7所示。由图7得知，在波数1 000 cm-1～2 000 cm-1间存在明显吸收波峰,在1 250 cm-1,1 350 cm-1,1 750 cm-1有吸收峰,由此得知红外线吸收剂有吸收波长效果。

图 7 红外线吸收剂FTIR分析

3.3 热像仪分析

图8分别是以未添加与添加不同浓度0.1%,0.5%,1%,对尼龙/棉混纺织物经过热像仪测试,观测其是否具有吸收热源效果。在未添加的情况下(图(8(a)),布中间是释放热源,颜色越接近白,温度越高,反之,颜色越暗,温度就越低,表示遮蔽热能效果越好。由图8(b),(c),(d)可得知随着红外线吸收剂浓度越高,布面的颜色就越暗,代表吸收温度的效果为最良好。当吸收剂浓度调至1%时,可几乎吸收释放的热源,效果为最佳。

(a) 0% (b) 0.1%

(c) 0.5% (d) 1%图 8 不同浓度红外线吸收剂之热像Fig.8 Thermal image of different concentration of infrared absorbents

3.4 抗菌性分析

以革兰氏阴阳菌作为抗菌测试菌种,采用定量测试。菌株于5 d稀释后计算样本菌存活百分比,结果见表1。由表1可见,添加0.5%抗菌剂，抗菌率即可达88%以上,当抗菌剂浓度添加至1%时抗菌率皆可达96%以上。而本实验所使用的杀菌剂二氯苯氧氯酚,对于金黄色葡萄球菌(阳性菌)的抗菌率比大肠杆菌(阴性菌)更好。

表 1 杀菌剂浓度对尼龙/棉织物之抗菌性评估

3.5 抑菌性分析

测试结果见图9。由图9(a)得知，未添加抗菌剂,其菌落会生长至纤维表面上。图9(b)可以看出，添加0.1%抗菌剂,其菌落无法生长至纤维表层,针对金黄色葡萄球菌及大肠杆菌皆稍有效果。随着抗菌剂浓度提高,其抑菌圈效果愈明显,即达到稳定抗菌,0.5%时即有明显抑菌圈,浓度达到1%时具有稳定抑菌效果，见图9(c),(d)。

(a) 0%

(b) 0.1%

(c) 0.5%

(d) 1%图 9 不同浓度抗菌剂抑菌圈图Fig.9 Bacteriostatic circle diagram of different concentration of antibacterial agents

3.6 不同浓度红外线吸收剂对数位印花色彩三性比较

分别添加不同红外线吸收剂，质量分数各0.1%,0.5%,1%，于尼龙/棉混纺织物,将其ΔL,Δa,Δb及K/S值等外观力度节录至表2,比较红外线吸收剂及改变浓度对色彩值的影响。随着浓度渐渐上升，ΔL值明显上升,但影响度并不显著,且Δa,Δb显示，当浓度越高浅绿及深绿色色光偏蓝绿色光,灰色偏向黄绿色光，黑色色光偏向红蓝色光,表示整体颜色都比未添加红外线吸收剂的尼龙/棉织物布面色光还要浅。

3.7 不同浓度红外线吸收剂对数位印花色彩三性染着影响

图10为不同浓度红外线吸收剂浓度对尼龙/棉混纺织物的外观力度值。添加0.1%吸收剂后外观力度值有明显的下降，但是，在添加0.5%，1%吸收剂,外观力值曲线会趋于平稳状态。因此，添加完红外线吸收剂会稍微影响颜料对织物的着色率。

表 2 不同红外线收剂浓度对尼龙/棉混纺织物之色彩值

3.8 不同浓度抗菌剂对数位印花色彩三性比较

分别添加不同浓度(质量分数,下同)抗菌剂各 0.1%,0.5%,1%， 对尼龙/棉混纺织物, 将其 ΔL,Δa,Δb及外观力度节录至表3,比较抗菌剂及改变浓度对色彩值的影响。 随着浓度渐渐上升ΔL值明显上升,但影响度并不明显。Δa,Δb显示，当浓度越高浅绿及深绿色色光越来越偏蓝绿色光,灰色偏向黄绿色光，黑色色光愈来越偏向红蓝色光,表示相较于添加红外线吸剂及PU树脂后整体颜色色光浅而淡。

3.9 不同浓度抗菌剂对数位印花色彩三性染着影响

图11为不同浓度抗菌剂对尼龙/棉混纺织物的外观力度值的影响。在添加0.1%抗菌剂后外观力度值有明显的下降;在添加0.5%,1%抗菌剂,外观力度值曲线会趋于平稳状态。因此，添加完抗菌剂后会稍微影响颜料对织物的着色率。

图 11 不同浓度抗菌剂对数位印花色彩三性染着之曲线图

3.10 不同浓度树脂对色牢度影响

采用CNS1494耐水洗染色坚牢度标准做为检测项目,并分析各牢度级数差异，结果见表4。从表4可看出,当PU树脂后处理浓度提高,水洗牢度中样布的变褪色级数有明显得提升,但并不会对污染产生影响。说明PU树脂在后处理对于颜料固色是有明显的影响,且颜料并不容易吸附于纤维中,故对于试验附布并不会造成污染。

3.11 不同浓度树酯对色牢度影响

本实验是采用CNS1499干式摩擦及湿式摩擦牢度标准作为检测项目,并分析各牢度级数差异，结果见表5。从表5中可看出,随着PU树脂后处理的浓度提高,干摩擦及湿摩擦级数有明显的提升,干摩擦在样布的变褪色牢度较湿摩擦牢度高。由于使用颜料水性墨水,测试织物上含有水份,再经由强力摩擦,因而较容易将颜料残留于试验布上。

表 3 不同浓度抗菌剂对尼龙/棉混纺织物色彩值

表 4 不同浓度树脂后处理对水洗牢度影响

表 5 不同浓度树脂后处理对耐摩擦牢度影响

4 结 论

(1) 在原布与添加红外线吸收剂经由水洗后借SEM进行观察，可以得知添加红外线吸收剂经由水洗后吸收剂依旧附着于尼龙/棉织物上。随着添加比例越高，吸收剂颗粒分布均匀,随着比例增加，其残留颗粒在纤维中也较多,故添加1%后的水洗效果为最佳。

(2) 傅里叶红外线光谱仪和热像仪测试结果表明,添加红外线吸收剂对尼龙/棉织物皆有明显的吸收效果。光谱图上，在近红外线范围内有吸收波峰的存在,热像仪侦测下,遮蔽率随着浓度增加逐步提升，在1%时遮蔽率最佳。

(3) 抗菌剂浓度愈高抗菌效果愈好,抗菌率最高达98.6%，且抗菌剂对金黄色葡萄球菌的效果较大肠杆菌好。从抑菌圈可明显看出，在抗菌剂浓度1%时对金黄色葡萄球菌与大肠杆菌观察效果最好。

(4) 分别添加红外线吸收剂与抗菌剂后,对于尼龙/棉混纺织物,随着浓度升高,布面颜色越浅,未添加与添加药剂之间会稍微影响着色力,但随着浓度增大影响不显著。

(5) 提高后处理的PU树脂浓度,可提升牢度级数,且水洗牢度可提升2～3个级数,明显改善颜料水洗牢度问题。

鸣谢:本研究在实验期间承蒙顺麟股份有限公司及全亚兴业股份有限公司提供实验材料与仪器设备,中国文化大学阎培原同学、王律萤同学的帮助,使本研究得以顺利进行,在此致予最真诚的谢意。