还原氧化石墨烯对全棉无纺布的抗菌整理研究

张勇

（安徽职业技术学院 纺织服装分院，安徽 合肥 230011）

全棉无纺布手感柔软、吸湿性好、与皮肤亲和力强、无刺激、不产生静电、不吸附灰尘细菌、表面不掉毛，非常适合应用于医疗卫生领域. 氧化石墨烯是石墨烯的衍生物，具有抗紫外线、抗静电、导电、良好的生物相容性等诸多优良性能. 氧化石墨烯作为抗菌整理剂在纺织领域的应用研究不够深入[1-3]，更遑论利用氧化石墨烯对全棉无纺布进行抗菌整理的研究. 本研究首次将氧化石墨烯整理在全棉无纺布上，再经NaBH4还原，考察无纺布表面形态的变化，深入分析整理工艺对其抗菌性能的影响，并对整理工艺参数进行优化，探讨其抗菌性能以及水洗后的抗菌稳定性，以期对抗菌功能无纺布的生产起到指导作用.

1 实验

1.1 实验材料与仪器

1）实验材料：全棉无纺布（单位面积质量40 g/m2，山东华业无纺布有限公司），石墨粉（300目，辽阳宏图碳制品有限公司）；硫酸(质量分数98% )、硝酸钠、高锰酸钾、过氧化氢(质量分数30%)、盐酸、硼氢化钠，以上试剂均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；金黄色葡萄球菌、大肠埃希菌（北京华工科创生物技术公司），蛋白胨、牛肉膏、琼脂粉（山东玉宝生物科技股份有限公司）.

2）实验仪器：SHZ-A型水浴恒温振荡器（上海精密仪器仪表公司），DF-101S型恒温磁力搅拌器（天津市予华仪器科技公司），SXG-025精密恒温干燥箱(昆山松鑫电子)，H-1850离心机（昆山东旺精密仪器公司），YQ-1008A超声波清洗机（上海易净超声波仪器公司），S4800扫描电子显微镜（日本日立公司），MJ-160B-II型霉菌培养箱（上海跃进医疗器械厂），LDZM-80KCS-III高压蒸汽灭菌器（上海申安医疗器械厂）.

1.2 整理样品的制备

1.2.1 氧化石墨烯的制备

氧化石墨烯采用改良后的 Hummers 法制备[4]. 将69 mL浓硫酸和1.5 g硝酸钠加入到三口瓶中，放置在冰水浴中冷却至0℃后入3 g石墨粉，同时不断搅拌，充分混合均匀后，多次少量缓慢加入9 g高锰酸钾，持续搅拌反应60 min，在此过程中温度控制不超过20℃. 然后再加热到45℃，搅拌反应60 min，加入138 mL蒸馏水保温15 min，再加热到98℃，搅拌反应60 min，再加入双氧水直至没有气泡产生. 静置12 h，用稀盐酸和去离子水进行多次离心洗涤，再放到60℃干燥箱干燥24 h，得到氧化石墨烯.

1.2.2 全棉无纺布的抗菌整理

1）无纺布预处理. 无纺布裁剪成10 mm× 10 mm试样后浸泡在1 mol/L的氢氧化钠溶液中，以去除全棉无纺布中的腊质、油脂、杂质等；70℃超声30 min后取出，用离子水反复冲洗后烘干. 2）无纺布的氧化石墨烯整理. 将氧化石墨烯加入去离子水超声60 min，配制成一定浓度的氧化石墨烯溶液；将预处理后的无纺布浸泡在氧化石墨烯溶液一定时间后取出，再放到60℃干燥箱烘干. 3）氧化石墨烯整理无纺布的还原. 将经过氧化石墨烯整理后的全棉无纺布浸泡在 NaBH4溶液中，60 min后取出，去离子水反复清洗后，放入100℃干燥箱烘干.

1.3 测试方法

1.3.1 抗菌性能测试

研究对象为全棉无纺布，考虑其多应用在一次性医疗用品中，故按GB/T 20944.3—2008《纺织品抗菌性能的评价第3部分：振荡法》对试样进行抗菌性能测试[5]. 测试采用金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌作为指示菌. 先用高压蒸汽锅对全棉无纺布高温高压灭菌备用，再将细菌悬浮液稀释到3× 105cfu/mL 备用. 无菌条件下，将140 mL灭菌肉汤加入到锥形瓶，随后再将10 mL细菌悬浮液加入，摇晃均匀后再将5 mm× 5 mm全棉无纺布加入振荡器里以150 r/min的转速震荡. 25℃温度下培养18 h；从锥形瓶取出1 mL试液和9 mL肉汤加入到试管中，10倍稀释后取1 mL菌液置于一次性培养皿中，再将配好的营养琼脂培养基放入培养皿，每个试样菌液用 3个培养皿培养. 所有的培养皿都放入培养箱进行细菌培养. 37℃温度下培养48 h，取出后选择菌落数量在30～300 cfu/mL的培养皿观测记录菌落. 用下式计算活菌浓度：

式中，K为每个试样锥形瓶内的活菌浓度（cfu/mL）；Z为平行培养皿菌落的平均值（cfu/mL），R为稀释倍数.

抑菌率公式如下：

式中，B为对照样中的平均活菌浓度；A为加入抗菌整理全棉无纺布后锥形瓶中的平均活菌浓度.

1.3.2 抗菌水洗稳定性测试

为了测试整理后全棉无纺布的抗菌水洗稳定性，将整理后的试样浸泡在皂片水溶液中振荡洗涤10 min，取出反复用清水冲洗干净并挤干水. 水洗条件为浴比 :1 50，洗涤温度40℃，皂片溶液质量浓度为2 g/L[6-7]. 如此重复n次表示试样被水洗n次，水洗若干次的烘干试样即可进行抗菌性能测试.

2 结果与讨论

2.1 全棉无纺布氧化石墨烯整理前后的表面形貌

利用S4800扫描电子显微镜（SEM）观察氧化石墨烯、全棉无纺布整理前后的形貌特征. 图1-a是没有处理过的无纺布，从图中可以看出棉纤维表面并不光滑，有皱纹. 从图 1-b可以看出氧化石墨烯呈片状结构，片层有明显褶皱且边缘卷曲，片层之间因相互作用而互相扭绕. 因为氧化石墨烯导电性比石墨烯差，所以SEM图不是很清晰. 从图1-c、图1-d可以看出，无纺布被氧化石墨烯整理后，已经有片状的氧化石墨烯覆盖在棉纤维表面使得纤维表面变得光滑. 由于含氧官能团的引入，氧化石墨烯具有良好的分散性、水溶性和更强的反应活性，而棉纤维中也含有大量的亲水基团，所以整理时，氧化石墨烯可以更加均匀地分布在棉纤维表面，二者结合也更为紧密.

图1 全棉无纺布氧化石墨烯整理前后表面形貌的SEM表征

2.2 单因素对抗菌性能的影响

选取NaBH4浓度、氧化石墨烯浓度、浸渍时间、浸渍温度等整理工艺参数，分别探讨其对全棉无纺布抗菌性能的影响.

2.2.1 NaBH4浓度对抗菌性能的影响

在氧化石墨烯浓度5 g/L、浸渍时间60 min、浸渍温度95℃工艺条件下，还原剂NaBH4不同浓度对全棉无纺布抗菌性能的影响如图2所示.

图2 NaBH4浓度对抗菌性能的影响

从图2可以看出，经过氧化石墨烯溶液整理但没有经过NaBH4还原的全棉无纺布试样具有不显著的抑菌效果；经过还原的全棉无纺布试样随着还原剂NaBH4浓度增加，抗菌性能不断加强. 这是因为NaBH4可以将氧化石墨烯中碳原子层间的含氧官能团，如羧基、环氧基和羟基有效去除而形成还原氧化石墨烯. 还原氧化石墨烯抗菌性能比氧化石墨烯有大幅提高，一是还原氧化石墨烯锐度得到了增强，增加了对细菌的接触切割作用；二是还原氧化石墨层数变少、比表面积增加，可以吸附结合更多细菌病毒表面的磷脂分子，从而破坏细胞膜结构使细菌死亡；三是还原氧化石墨烯电荷传导能力增强，细菌表面电荷被传导，破坏了细胞膜的生理活动和功能，造成细菌代谢紊乱或细菌死亡. 所以随着还原氧化石墨烯的增多，抗菌性能不断增强.

当NaBH4浓度增加到2.5 g/L时，因试样中的氧化石墨烯已被全部还原，所以NaBH4浓度再增加，抗菌性不再增强. 在文后其他单因素讨论中，为了保证试样中负载的氧化石墨烯都能够被NaBH4还原，选择NaBH4浓度为3 g/L.

2.2.2 氧化石墨烯浓度对抗菌性能的影响

在NaBH4浓度3 g/L、浸渍时间30 min、浸渍温度95℃工艺条件下，氧化石墨烯不同浓度对全棉无纺布抗菌性能的影响如图3所示.

从图3可以看出，随着氧化石墨烯浓度的增加，刚开始时全棉无纺布的抗菌性能在不断增强；当氧化石墨烯浓度达到4 g/L时，无纺布的抑菌率已达到95%以上；当浓度再增加时，无纺布抗菌性能几乎没有发生变化. 这是因为当氧化石墨烯浓度超过4 g/L时，棉纤维与氧化石墨烯的结合已接近饱和，抗菌性能无法再增强.

2.2.3 浸渍时间对抗菌性能的影响

在NaBH4浓度3 g/L、氧化石墨烯浓度3.5 g/L、浸渍温度95℃工艺条件下，整理浸渍时间对全棉无纺布抗菌性能的影响如图4所示.

从图 4可以看出，随着浸渍时间的增加，全棉无纺布抗菌性能也随之提高，当浸渍时间为40 min时，无纺布对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌抑制率达到95%左右，并逐渐稳定. 这是因为氧化石墨烯与无纺布的结合需要一定的时间，随着时间的增加，抗菌性能增强. 但当无纺布中棉纤维吸附的氧化石墨烯达到饱和时，抗菌性能也就稳定下来了.

图3 氧化石墨烯浓度对抗菌性能的影响

图4 浸渍时间对抗菌性能的影响

2.2.4 浸渍温度对抗菌性能的影响

在NaBH4浓度3 g/L、氧化石墨烯浓度3.5 g/L，浸渍时间为30 min工艺条件下，整理浸渍温度对全棉无纺布抗菌性能的影响如图5所示.

从图 5可以看出，随着浸渍温度的升高，全棉无纺布的抗菌性能在不断增强，在85℃，抗菌性能达到稳定. 这是因为温度升高，分子的活动能力就强，氧化石墨烯和棉纤维结合的数量就多，因而抗菌性能增强. 当温度超过95℃时，抗菌性能有所下降，这是因为温度过高氧化石墨烯在棉纤维表面的溶解状态发生了变化.

2.3 抗菌整理工艺优化

从图 2～5可以看出，还原氧化石墨烯对金黄色葡萄球菌的抑菌效果比对大肠埃希菌效果略好（差异程度不大），整理工艺对两种细菌的影响变化趋势是一致的. 因而在优化工艺时仅选用金黄色葡萄球菌进行抗菌测试.

因为还原氧化石墨烯比氧化石墨烯具有更显著的抗菌效果，为了优化出最佳的氧化石墨烯浓度、浸渍时间、浸渍温度工艺参数，本文选择NaBH4浓度3 g/L，以保证全棉无纺布试样中负载的氧化石墨烯全部被还原. 选取氧化石墨烯浓度、浸渍时间、浸渍温度3个因子，每个因子取3个水平进行正交试验设计，具体见表1.

表1 抗菌整理工艺参数

采用L9（34）表来设计试验，正交试验设计及抑菌率测试结果如表2所示，采用极差法分析优化整理工艺条件.

表2 正交试验设计及计算结果

其中，Ki—该因子第i水平的试验指标值之和；ki—该因子第i水平的平均试验指标值；R—极差，某因子中平均试验指标最大值与最小值之差，R值越大，则该因子对所考察指标的影响越大.

通过正交试验数据还可看出，这三项整理工艺参数对全棉无纺布抗菌效果的影响趋势与单因素试验结果一致. 因子A（氧化石墨烯浓度）对应的极差最大，对全棉无纺布抗菌性能影响最为显著；其次是C因子（浸渍温度），影响最小的是B因子（浸渍时间）. 由表2可知9号抗菌效果最好，其对应因子水平为A3B3C2，即最佳工艺参数为氧化石墨烯浓度4.5 g/L、浸渍时间50 min、浸渍温度85℃.

2.4 抗菌水洗稳定性

为了评价整理后全棉无纺布的抗菌持久性，采用优化的工艺参数对无纺布进行抗菌整理，整理后进行水洗. 分别测试水洗5、10、15、20次之后无纺布的抗菌效果，结果如表3所示.

表3 全棉无纺布抗菌水洗稳定性 %

从表 3可以看出，随着水洗次数的增加，全棉无纺布抗菌效果在不断下降. 在水洗过程中还原氧化石墨烯会从无纺布中少量脱落；水洗 20次后，抑菌率仍大于抗菌织物标准要求的 70%的抑菌率. 说明全棉无纺布用于医疗卫生领域完全满足用途要求.

3 结论

通过还原氧化石墨烯对全棉无纺布进行抗菌整理，得到的还原氧化石墨烯比氧化石墨烯具有更强的抗菌性能，整理工艺参数中氧化石墨烯浓度对抗菌性能影响最大，整理后的全棉无纺布具有优良的抗菌性和抗菌稳定性. 本研究对抗菌功能无纺布的生产能起到指导作用，并可使全棉无纺布在医疗卫生领域的应用范围进一步拓宽.