抗菌纤维素纤维的制备及性能研究

张劲松，许梦玉，李 娜，周 勇，吴德群，2

(1.东华大学 纺织学院，上海201620；2.东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室，上海201620)

纤维素是自然界储量最为丰富的一种天然高分子资源，它具有聚合度高、分子取向性好、化学稳定性较强等特点。本课题主要采用莱赛尔纤维进行研究。莱赛尔纤维是一种绿色的纺织服装面料，它不仅具有天然纤维棉花所具有的舒适性、手感好、易染色等特点，还具有传统粘胶纤维所不具备的环保优点[1～2]。但纺织品本身为疏松多孔的结构，人体分泌的汗液及油脂极易粘附在纺织品的表面，而纤维素纤维亲水性好，从而使得纤维素织物更易成为细菌繁殖和生长的温床。细菌在纺织品上繁殖并可能通过人体皮肤、呼吸道、消化道等对人体的健康造成危害。同时，大量细菌和霉菌的繁殖也会使得纺织品表面产生菌斑，形成黑色或黄色的斑点，严重损害纺织品的美感。

纺织品所使用的抗菌剂应该要满足以下需求:(1)具有良好的抗菌效果；(2)织物进行多次洗涤后仍具有良好的抗菌能力；(3)抗菌剂不会影响纺织品的机械强度、颜色、光泽等其他物理化学性质；(4)抗菌剂不能对人体本身造成伤害；(5)抗菌剂可以与其他整理剂配合使用，即不影响纺织品的其他后整理过程；(6)抗菌剂最好能够成本低廉、工艺简单。根据抗菌剂的化学组成可以将抗菌剂分为无机抗菌剂和有机抗菌剂两种。常见的无机抗菌剂一般为Ag＋、Zn2＋、Cu2＋等金属阳离子的无机化合物或金属纳米颗粒。无机抗菌剂具有良好耐热性、作用周期长、不易产生抗药性等优点[3]。但Ag NPs也在面临着环境和人类健康问题，游离的纳米银离子可能会引起紫癜，同时对人的内脏呼吸道等产生一定损伤[4]。有机抗菌剂一般是通过氧化作用、静电吸附作用和长烷基链对细胞膜的作用中的一种或几种来杀死细菌。季铵盐是两性表面活性剂，其抗菌作用主要是通过静电吸附作用，将细菌吸入其内部空隙中，造成细菌生物膜起皱，同时其长链烷基也可以刺入细菌体内，此外季铵盐还具有影响DNA转录的功能[5－7]。因此，采用季铵盐类的抗菌剂可以赋予织物抗菌性能，满足人体健康要求。

1 实验部分

1.1 实验原料

莱赛尔纤维(38mm，1.33dtex)、无水乙醇(99.7%，国药集团化学试剂有限公司)、十二烷基二甲基叔胺(97%，上海泰坦科技有限公司)、3－氯－1－丙醇(98%，上海泰坦科技股份有限公司)、乙酸乙酯(99.5%，上海泰坦科技股份有限公司)、三羟甲基丙烷－三[3－(2－甲基氮丙啶基)丙酸酯](95%，上海麦克林生化科技有限公司)、N－甲基吗啉－N－氧化物50%水溶液(NMMO，国药集团化学试剂有限公司)、二甲基亚砜(NMSO，99.5%，国药集团化学试剂有限公司)。

1.2 抗菌剂的制备

将10mL的十二烷基二甲基叔胺和2.8mL的3－氯－1－丙醇(摩尔比1.1∶1)投入到三口烧瓶中，并加入50mL的乙醇作为溶剂在80℃下反应20h[8]。反应结束后通过旋转蒸发仪除去溶剂，待产物冷却后，若产物仍为液体，则在110℃下减压蒸馏除去未反应的3－氯－1－丙醇，待产物冷却后得到固体。在产物中加入少量乙醇使其溶解，再加入乙醚或乙酸乙酯进行重结晶，得到白色固体产物。

图1 抗菌剂的合成路线

1.3 抗菌抗原纤化纤维素纤维的制备

采用去离子水配置10g/L的三羟甲基丙烷—三[3－(2－甲基氮丙啶基)丙酸酯]溶液，再加入2g莱赛尔纤维，在60℃下反应3分钟后[9]，再加入制备的季铵醇抗菌剂，反应3分钟后，烘干后得到抗菌纤维素纤维。

图2 抗菌纤维素纤维的制备

1.4 结构与性能测试

1.4.1 化学结构

采用Antaris II傅立叶变换近红外光谱仪(赛默飞)、AVANCE IIITM HD 600MHz全数字化核磁共振谱仪(Bruker)和UPLC G2－XS Qtof高分辨质谱(Waters)对化学结构进行表征。

1.4.2 接枝率的表征

通过质量变化来表征纤维的接枝率。为表征抗菌剂是否成功接枝到纤维素纤维上，可以采用XPS来检测氯原子是否存在。但为了排除抗菌剂物理吸附在纤维素纤维上的影响，采用经20mg的QAS12－OH和10g/L的三羟甲基丙烷－三[3－(2－甲基氮丙啶基)丙酸酯]溶液改性的莱赛尔纤维加入至100mL的50%NMMO水溶液中，再通过减压蒸馏使溶液含水率约为13%～20%后，在85℃持续加热搅拌4h，得到浓稠的液体，然后再加入NMSO调节液体的粘度，待其能够自由流动后，进行过滤，再向溶液中加入乙醇水溶液，此时液体中出现纤维素凝胶，再将凝胶烘干后得到样品。由于在制备过程中的十二烷基二甲基叔胺、QAS12－OH和三羟甲基丙烷－三[3－(2－甲基氮丙啶基)丙酸酯]均可以溶解在水、乙醇或NMSO中，因此存在少量的杂质溶在溶剂中而被除去。

1.4.3 最小抑菌浓度

最低抑菌浓度(MIC)是指在体外培养细菌18至24小时后能抑制培养基内病原菌生长的最低药物浓度，是测量抗菌药物的抗菌活性大小的一个指标。配制2560μg/mL的季铵醇抗菌液，取九支试管在第一只试管中加入1.6 mL的肉汤，在其余每只试管中分别加入1mL的肉汤。从配制的抗菌液中吸取0.4 mL加入1.6 mL肉汤的试管中，再从该试管中吸取1 mL加入第二只试管，再从第二只试管中吸取1 mL加入第三只试管，以此类推稀释至第七支试管，并从第七支试管中的吸取1mL丢弃，在第八只试管中加入1mL肉汤，在第九只试管中加入2mL肉汤。将试管灭菌后，向编号1－8的试管中加入1mL的菌液，因此1－7的试管抗菌液浓度分别为256μg/mL、128μg/mL、64μg/mL、32μg/mL、16μg/mL、8μg/mL、4μg/mL，第八只试管作为对照组，第九支试管作为空白组，将9支试管培养24小时后采用酶标仪测试光密度(OD)。菌液采用大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。抗菌剂抗菌率计算公式如下:

1.4.4 抗菌剂抗菌率定量测试

将培养好的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在PBS缓冲液中稀释，使细菌浓度约为(1～5)×108cfu/mL，再分别吸取0.5 mL的菌液加入6支4.5 mL的PBS缓冲液中，在其中3支试管中加入1mg的抗菌剂，此时抗菌剂浓度为200μg/mL，恒温震荡培养24h。分别从每只试管中取0.5 mL的菌液，加入装有4.5 mL的PBS缓冲液的试管中，震荡后在从该试管中吸取0.5 mL加入装有4.5 mL的PBS缓冲液的试管中，以此类推稀释七次，然后再从每只试管吸取0.5 mL加入15 mL琼脂培养皿中，每只试管制作3个培养皿，培养24h后，数出菌落数。菌落形成单位(cfu/mL)及抗菌率的计算方法如下:

1.4.5 抗菌纤维素纤维的抗菌性能测试

本文中所采用的的抗菌方法主要依据GB/T 20944.3－2008并稍作改变。其具体步骤为:依据标准规定方法配制菌液及琼脂培养基，将培养的细菌稀释至3CFU/mL～4×105CFU/mL。将0.75g的改性和未改性的纤维加入至锥形瓶中，并在锥形瓶中加入70mg的PBS缓冲液，然后加入5mL稀释过后的细菌培养液，在恒温振荡器中培养24h。之后再将锥形瓶中的菌液连续稀释7次，每次的稀释倍数为10，然后再从每次稀释的菌液中吸取1mL的菌液加入琼脂培养皿中，并加入15mL的琼脂并摇匀，待其凝固后放入生物恒温箱中培养18h～24h。然后对琼脂板上的菌落进行计数，并计算抗菌性能。

1.4.6 机械性能测试

采用单纤维强力仪测量纤维的机械性能，以比较纤维改性后机械性能的变化。纤维夹持距离为20mm，拉伸速度为20mm/min。

2 结果与分析

2.1 化学结构

2.1.1 FT－IR测试结果

十二烷基二甲基叔胺、3－氯－1－丙醇和QAS12－OH的红外光谱图如图3所示。在图3中可以看到QAS12－OH在3273cm－1有明显的羟基峰，而十二烷基二甲基叔胺在此处则没有明显峰。

图3 FT－IR谱图

2.1.21H NMR测试结果

由图4可以看到，化学位移δ＝4.8为D2O的溶剂峰，端羟基中的H原子为活泼氢，在D2O试剂中无法表征出来，其余各H原子的数量比与1H NMR图谱中各峰面积比基本一致，证明了QAS12－OH被成功合成。

2.1.3 飞行质谱测试结果

飞行质谱的结果如下页图5所示，从飞行质谱可以看到该样品的质荷比(m/z)主要为272.2972和273.3002。该季铵醇样品本身为离子型化合物，该飞行质谱测试为阳离子模式，因此Cl－无法在管中飞行，测试不到其质荷比。季铵醇除去Cl－后剩余部分为阳离子，无须结合H＋就可以在管中飞行，因此测得的质荷比为季铵醇阳离子部分。35Cl和37Cl的相对原子质量分别为34.9689和36.9659，因此阳离子部分的相对分子质量加上氯的相对质量分别为307.2661、309.2631和308.2691，与季铵醇的理论m/z:307.26(100%)、309.26(32%)和308.27(18.9%)相比可以认为是一致的，因此272.2972和273.3002均为阳离子部分相对分子质量。该质谱结果证明了QAS12－OH的合成，且经重结晶后其纯度很高。

2.1.4 接枝率的表征

2.022 g的莱赛尔纤维经改性后质量增加0.105g，增重率为5.19%。XPS测试结果如图6和表1所示，在图6中可以看到经改性后的纤维素纤维在284.8eV和531.1eV处有较大的吸收峰，该吸收峰属于C1s和O1s，这是由于纤维素本身含有大量的碳、氧等元素且交联剂和抗菌剂中同样含有碳、氧等元素。此外XPS图谱中还在195.8eV和401.5eV出现了Cl2p和N1s的吸收峰，401.5eV的吸收峰归属于C－N＋，说明了季铵盐被成功接枝到纤维上[10]。且从表中可以看到氮元素的含量较高，而纤维素纤维氮含量一般不大于0.1%，此外由于该样品在进行XPS测试时经过溶解并提纯，可以排除交联剂和抗菌剂物理吸附的情况，因此该谱图可以有效的表明交联剂将抗菌剂接枝到纤维素纤维上了。

图6 改性纤维的XPS谱图

表1 XPS测试结果

2.2 抗菌剂的抗菌效果

QAS12－OH为季铵盐，其化合物具有正电荷，可以吸引带有负电荷的细菌，疏水的长链刺入细胞膜后可以改变细胞膜的通透性，使得细菌内容物流出而死亡，因此该化合物具有很好的抗菌效果。最小抑菌浓度的实验表明256μg/mL的QAS12－OH对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效果分别为99.21%和99.46%。值得注意的是最低抑菌浓度实验中采用的是OD值来表征细菌的浓度，当细菌浓度较小时会有部分误差。因此又采用定量测量的方法评估QAS12－OH的抗菌性能，实验结果如图7所示，结果表明200μg/mL的QAS12－OH对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效果分别为99.975%和99.991%，证明了QAS12－OH对大肠杆菌具有良好的抗菌效果。

图7 QAS12－OH的抗菌性能

2.3 改性对机械性能的影响

改性前后纤维素纤维的机械性能如下页图8所示，在经过改性后纤维素纤维的断裂强力5.42cN和断裂强度4.08 cN/dtex下降至4.98 cN和3.74 cN/dtex，在经过改性后纤维的强力下降了8.2%，这可能是由于在改性过程中经过高温，水和碱的共同作用导致纤维素纤维结晶度降低引起的。此外还可以看到纤维在经过改性后断裂伸长率并未发生明显的增加，这可能是由于虽然莱赛尔纤维的结晶度出现了下降，但羟基交联剂的作用使得莱赛尔纤维中分子链间作用力增加，分子链间的滑移变得困难，从而导致断裂伸长没有发生明显增加。

图8 纤维的机械性能

2.4 改性后纤维素纤维的抗菌性能

改变QAS12－OH的投入量分别为20 mg、30 mg、40 mg、50 mg、60mg，得到经改性后的纤维素纤维，对不同的改性纤维进行抗菌测试后，结果如图9及表2所示。这表明经过改性后的纤维素纤维有良好的抗菌性能，在投入量为30mg的情况下，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效果分别达到了98.577%和99.368%。

表2 投入量对抗菌效果的影响

图9 不同投入量改性的纤维素纤维抗菌效果

3 结论

(1)通过十二烷基二甲基叔胺和3－氯－1－丙醇制备得到的含羟基的季铵盐，该季铵盐经提纯后具有很高的纯度，且该季铵盐具有良好的抗菌效果，最小抑菌浓度测试结果表明该季铵盐的最小抑菌浓度为256μg/mL，且当QAS12－OH的浓度达到200μg/mL时，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效果分别达到了98.5770%和99.3683%。

(2)通过羟基交联剂三羟甲基丙烷－三[3－(2－甲基氮丙啶基)丙酸酯]将季铵盐接枝到莱赛尔纤维上，当季铵盐的投料为15mg每克纤维时，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效果分别达到了99.368%和98.577%。