氯胺接枝涤纶/锦纶超细纤维针织物的抗菌性能

熊坦平，谭 飞，黄 成，阎克路，邹 妮，王 政，叶敬平，纪柏林

(1.上海利以德特种丝有限公司，上海 201508；2.东华大学 化学化工与生物工程学院，上海 201620；3.上海市第一人民医院，上海 201620；4.福建百宏聚纤科技实业有限公司，福建 泉州 362200)

抗菌纺织品是一类十分重要的功能性纺织品，可应用于服饰、床品、医疗、卫生清洁等行业，保护人体免受病毒、细菌、孢子和真菌等微生物伤害，并保护环境卫生安全。纺织品的抗菌功能通常需要采用抗菌剂来实现，包括季铵盐化合物、卤代酚、壳聚糖、多双胍、卤胺化合物、光催化型抗菌剂(如二氧化钛)和纳米抗菌剂(如纳米银)等[1-3]。纺织品最理想的抗菌性能应该是在很短的接触时间内使微生物完全失活，且对人体没有危害、对皮肤无刺激。另外，其抗菌功能还应具有耐久性，经50次家庭洗涤后仍然保持该功能。但并不是所有抗菌剂都能达到这些要求，卤胺化合物则具备优异的控菌性能和耐洗涤性能。

卤胺结构大都来自含N—Cl或N—Br键的杂环化合物，3-烯丙基-5,5-二甲基乙内酰脲(ADMH)就是其中的一种环卤胺前驱体结构，采用接枝共聚的方法可使ADMH与纺织纤维表面以共价键牢固结合。而前驱体化合物中的N—H与漂白水中的活性氯反应，生成氯胺结构(N—Cl)，这一过程被称为活化。在潮湿条件下，N—Cl断裂释放出Cl+，杀死细菌；此时，N—Cl变为N—H，其可再次被活化而获得抗菌性能。卤胺纺织品的抗菌剂结构及其机制已有许多详细的研究报道[4-5]，可再生是卤胺类抗菌剂最突出的优势之一。

本文研究了已有文献中未涉及的氯胺纺织品在实际应用中的情况，并检测其抗菌速率，评价30 s～30 min内的抗菌性能。另外，大量的检测报告显示，疾病的爆发与物体表面的细菌污染密切相关，导致严重的公共安全问题[6-8]，因此，本文将以氯胺改性的清洁布擦拭医院病床和公共食堂餐桌的表面，用以评价其实际应用的抗菌性能，并对所制备织物的抗病毒效果进行了检测。

1 实验部分

1.1 实验材料

3-烯丙基-5,5-二甲基乙内酰脲(ADMH，工业品)；涤纶/锦纶(80/20)超细纤维针织物，纱线线密度为18.6 tex，横密为16纵行/(5 cm)，纵密为 18横列/(5 cm)，面密度为160 g/m2，苏州德赛斯日用品有限公司；革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(S.aureus,ATCC6538)和革兰氏阴性菌大肠杆菌(E.coli,ATCC8099)，南京便诊生物科技有限公司；酵母提取物、胰蛋白胨(生化试剂)，英国OXOID公司；氯化钠(分析纯)、硫代硫酸钠(Na2S2O3，分析纯)、可溶性淀粉(分析纯)、硫酸(分析纯)、次氯酸钠(化学纯)、琼脂粉(生化试剂)，国药集团化学试剂有限公司；碘化钾(分析纯)，上海泰坦科技股份有限公司。

1.2 实验设备

ZHWY-200H型恒温培养振荡器(上海智城分析仪器制造有限公司)，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)，Washtec-P A2型标准洗衣机(上海罗中科技发展有限公司)。

1.3 实验方法

1.3.1 ADMH对织物的接枝整理工艺

按照文献[9]工艺采用ADMH对织物进行接枝整理。首先配制含ADMH(质量分数为7%)、过氧化苯甲酰(质量分数为2%)、10%苯甲酸乙酯(质量分数为10%)的改性整理液；然后将织物浸轧整理液(轧余率为90%)，于80 ℃烘干1 min；接着将烘干织物再次浸轧整理液(轧余率为90%)，于180 ℃焙烘1.5 min，得到ADMH接枝整理织物。

1.3.2 ADMH接枝整理织物的活化工艺

将ADMH接枝整理织物置于次氯酸钠溶液(pH值约为11)中浸泡进行活化处理，一定时间后用去离子水充分冲洗，最后于一定温度下进行烘干，得到活化处理后的ADMH接枝整理织物，简称氯胺抗菌织物。研究了烘干温度(自然风干、60、70、80、90 ℃)、烘干时间(20、30、40、50、60 min)、活化时间(10、15、20、25、30、35 min)、溶液中活性氯含量(500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 mg/kg)对整理织物上活性氯含量的影响。

1.4 测试与表征

1.4.1 活性氯含量测试

干燥后通过碘滴定法对活化织物表面活性氯进行定量测试[10]。称取一定质量的活化氯胺抗菌织物，投入含有10 mL硫酸(质量分数为10%)、10 mL碘化钾溶液(质量分数为10%)及50 mL去离子水的溶液中，振荡30 min充分反应，然后再加入2 mL淀粉溶液(质量分数为10%)。采用Na2S2O3溶液(浓度为1 mol/L)对上述反应后溶液进行滴定，溶液由蓝色变为无色时为滴定终点[11-12]。按下式计算氯胺抗菌织物上的活性氯含量：

式中：V1为ADMH接枝整理织物Na2S2O3的消耗量，mL；V2为氯胺抗菌织物Na2S2O3的消耗量，mL；C为Na2S2O3的浓度，mol/L；m为织物质量，kg。

织物上活性氯损失率按下式进行计算：

式中：Cl1为自然风干时氯胺抗菌织物上的活性氯含量，mg/kg；Cl2为一定温度下烘干时氯胺抗菌织物上的活性氯含量，mg/kg。

1.4.2 氯胺抗菌织物抗菌性能测试

1.4.2.1抑菌率测试 参考AATCC 100—2004《纺织品材料上耐细菌整理：评定》，并根据文献[4]中方法进行测试。织物尺寸裁剪为3.5 cm × 3.5 cm，原样需要经过灭菌处理(蒸汽灭菌锅121 ℃下处理15 min)，活化的氯胺抗菌织物无需灭菌处理。将织物放于培养基上，在织物上均匀滴加0.6 mLS.aureus(或者E.coli)菌液(按具体实验指定浓度)；一定时间(0.5、1、3、5、10、30 min)后，将织物转入60 mL Na2S2O3溶液(质量分数为0.05%)中，振荡反应3 min，淬灭织物上残余的活性氯，并使织物上的细菌脱落，在溶液中均匀分散[11-12]。按10倍系列稀释法稀释振荡溶液，滴入培养基，培养箱温度设定为37 ℃，S.aureus培养18 h，E.coli培养10 h。按下式计算抑菌率：

式中：A为原样培养基上的菌落个数；B为氯胺抗菌织物培养基上的菌落个数。

1.4.2.2ICU病房擦拭抗菌性能定性测试 将活化氯胺抗菌织物应用于医院ICU病房的清洁处理，试样的抗菌性能测试均在该医院微生物实验室进行。具体步骤为：1)擦拭前取样。将灭菌后的规格板(5 cm × 5 cm)放在边柜上，用棉拭子预先浸渍无菌中和液，然后在规格板内按水平和垂直方向各涂抹5次；连续取样4个不同点并做标记，将取样棉拭子立即放入试管(含9 mL取样液)中并送检(简称取样送检)。将取样液充分振荡并取1 mL加入培养基中，在37 ℃恒温下培养24 h。采用相同方法擦拭床栏取样，擦拭长度约为10 cm，取样送检和培养过程同前。2)将活化氯胺抗菌织物用自来水浸润，对床栏和边柜进行擦拭，然后将擦拭织物立即投入质量分数为0.1%的Na2S2O3溶液(浴比为1∶50)中。3)擦拭后取样。按步骤1)准备灭菌规格板和进行棉拭子处理；连续取样步骤1)中选取的4个点并做好标记，取样送检和培养过程同步骤1)。采用棉拭子在步骤1)中擦拭的床栏位置进行取样，取样送检和培养过程同步骤1)。

1.4.2.3公共食堂桌面擦拭和抗菌性能测试 对100 mL去离子水进行灭菌处理，然后将其用于润湿活化氯胺抗菌织物。剪取尺寸为30 cm × 30 cm的织物，连续擦拭30张不同的餐桌表面。在擦拭完第1张、第10张、第20张、第30张桌面后，分别用已灭菌的卫生棉球对桌面进行采样。将擦拭桌面的活化氯胺抗菌织物和采样棉拭子立即浸入准备好的Na2S2O3溶液，室温振荡3 min，取1 mL振荡后的溶液滴入培养基培养24 h，观察细菌生长情况。

1.4.3 氯胺抗菌织物抗病毒性能测试

抗病毒测试由广东省微生物分析检测中心完成。按照ISO 18184—2014《抗病毒纺织品测试》中的感染病毒滴度法，测试氯胺抗菌织物的抗病毒性能。测试3次，取平均值。将氯胺抗菌织物(测试样)和未经抗菌整理的织物(对照样)各称取(0.40 ± 0.05) g，剪成20 mm × 20 mm尺寸，放入瓶中、铝箔纸密封，然后在121 ℃、103 kPa条件下灭菌15 min。将0.2 mL的H1N1病毒悬浮液(108PFU/mL)均匀滴在样品上接种，将对照样立即进行洗涤并收集洗涤液；测试样和对照样在 25 ℃ 下孵育2 h后分别进行洗涤，收集洗涤液。采用混匀器将各自洗涤液混匀，每次5 s，共计5次，然后将洗涤液按照10倍系列稀释法进行稀释并在培养板(含有细胞)上进行测试，在CO2培养箱中34 ℃保持1 h，让细胞吸收病毒。然后，加入维持介质后，继续在CO2培养箱中于34 ℃保持 7 d；取出后用显微镜观察细胞病变情况。感染病毒滴度V按下式进行计算：

V=X×10∑p+0.5×C

式中：X为起始病毒悬浮液的稀释倍数；p为病毒悬浮液在各自稀释倍数下的细胞病变效应的比率；C为洗脱病毒悬浮液的体积，mL。

抗病毒活性值M按下式进行计算：

M=lgv1-lgv2

式中：v1为对照样的感染病毒滴度；v2为测试样的感染病毒滴度(接种孵育时间均为2 h)。根据M计算抗病毒活性率：

P=(1-10-M)×100%

1.4.4 氯胺抗菌织物耐洗性测试

按照AATCC 61—2006《耐家庭和商业洗涤色牢度：加速法》，将氯胺抗菌织物放入钢杯(额外加50粒不锈钢钢珠)，加入150 mL的标准洗涤剂(质量分数为0.15%)溶液进行洗涤，设定洗涤温度为49 ℃，洗涤时间为45 min，最后用清水充分水洗。以上工序称为1次洗涤循环，等同于5次家庭洗衣机洗涤[11-12]，织物共计进行10次洗涤循环。每个洗涤循环后，按照1.3.1节的方法进行活化，并测试织物上的活性氯含量。

2 结果与讨论

2.1 氯胺抗菌织物活化工艺分析

涤纶/锦纶超细纤维针织物经ADMH乳液整理后，接枝的亚胺结构需要经过活化才能发挥抗菌作用。活化氯胺抗菌织物上N—Cl基团越多，则抗菌性能越好，但其数量受ADMH接枝率和后续活化工艺的影响。不同活化工艺参数对织物上活性氯含量的影响如图1所示。

由图1(a)可见，经活化处理并在60 ℃烘30 min，织物上的活性氯含量由自然风干时的336 mg/kg降为314 mg/kg，损失率约为6.5%。随着烘干温度继续升高，织物上活性氯减少较多，90 ℃时织物上活性氯含量仅为229 mg/kg，损失率为31.8%。当固定织物烘干温度为60 ℃时，随着织物烘干时间的延长，织物上活性氯含量逐渐下降(见图1(b))，变化趋势与温度增加时的相同。图1(c)表明，随着活化时间增加，织物上活性氯含量逐渐增加，但在20 min以后增加趋势放缓。次氯酸钠溶液中活性氯含量对织物活化也有较大影响，随着溶液中活性氯含量的增加，织物上的活性氯含量也呈现增加趋势(见图1(d))，最高达到319 mg/kg，此时次氯酸钠溶液活性氯含量为 3 000 mg/kg。

图1 活化工艺条件对织物上活性氯含量的影响Fig.1 Effect of different factors on active chlorine content in fabric:(a) Drying temperature;(b) Drying time;(c) Activating time;(d) Concentration of active chlorine in solution

基于以上分析，确定氯胺抗菌织物的最佳活化工艺为：溶液中活性氯含量3 000 mg/kg，活化时间20 min，烘干温度60 ℃，烘干时间20 min。

2.2 氯胺抗菌织物的抗菌性能分析

采用最佳活化工艺对氯胺抗菌织物进行活化，然后测试其抗菌性能，结果如表1所示。可见，在活化氯胺织物接触细菌时间分别为0.5、1、3、5、10、30 min，接触细菌浓度为105CFU/mL条件下，无论是大肠杆菌还是金黄色葡萄球菌，其与氯胺抗菌织物接触 1 min 后均被杀灭90%以上；在接触3 min后，细菌被杀灭99.999%，因此，活化氯胺抗菌织物表现出快速、高效的杀菌能力。

表1 氯胺抗菌织物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌能力Tab.1 Antibacterial property of chloramine modified fabrics against S. aureus and E. coli

2.3 氯胺抗菌织物的抗病毒性能分析

将活化并烘干的氯胺抗菌织物送往广东省微生物分析检测中心进行抗病毒检测，结果见表2。可见，氯胺抗菌织物的抗病毒活性率为99.94%，抗病毒活性值为3.22，表明氯胺抗菌织物也具有优异的抗菌毒性能。

表2 氯胺抗菌织物的抗H1N1病毒性能Tab.2 Antiviral property of N-halamine modified fabrics against H1N1

2.4 实际抗菌效果分析

2.4.1 医院ICU病床护栏和边柜擦拭实验结果

在合作医院的微生物检验室进行织物抗菌性能的定性检测，结果如表3所示。可见，擦拭医院ICU病房床栏及边柜后，在擦拭后的固体表面均未检测到细菌。

表3 氯胺抗菌织物擦拭床栏和边柜的抗菌性能Tab.3 Antibacterial property of N-halamine modified fabrics for wiping side cabinet and bedrail in hospital

2.4.2 公共食堂桌面擦拭效果

采用氯胺抗菌织物对桌面进行擦拭，然后对桌面和织物进行细菌生长情况测试，结果如图2所示。从图2(a)可以看出，未经抗菌布擦拭的桌面确实存在细菌。在连续擦拭1张、10张、20张、30张桌面后，桌面(见图2(b))及擦拭织物(见图2(c))上均无细菌。连续擦拭30个桌面后，不仅擦拭的桌面不带菌，而且擦拭织物上也不带菌，说明织物上不断分解释放Cl+，对微生物发挥了杀灭作用。这对于公共场所的表面清洁可起到关键保护作用。抗菌性的可再生性是接枝改性抗菌织物最大的优势。擦拭30张桌面后，经ADMH改性的织物可由次氯酸钠溶液再次进行活化，以恢复其高效抗菌性能。以擦拭30张桌面为1个循环，每个循环后抗菌织物被活化1次即可再次使用。

图2 氯胺抗菌织物擦拭餐桌表面的抗菌情况Fig.2 Antibacterial property of N-halamine modified fabrics for wiping dining tables.(a) Bacterial growth on tabletop before wiping;(b) Bacterial growth on tabletop after wiping;(c) Bacterial growth on N-halamine fabric

2.5 氯胺抗菌织物耐洗性和可再生性分析

洗涤后织物上活性氯含量变化如图3所示。可以看出，织物经10次洗涤循环(相当于50次普通洗涤)、活化后，其活性氯含量仍达到311 mg/kg，与未经洗涤的织物(336 mg/kg)相比，活性氯含量降低较少，表明ADMH通过共价键与织物纤维结合牢度高，赋予整理织物较好的可再生抗菌功能。

图3 氯胺抗菌织物经不同次数洗涤及活化后的活性氯含量Fig.3 Active chlorine content of fabrics after different washing times and activation

3 结 论

1)经3-烯丙基-5,5-二甲基乙内酰脲(ADMH)接枝整理的涤纶/锦纶超细纤维针织物，其最佳活化工艺为：次氯酸钠溶液活性氯含量3 000 mg/kg，活化时间20 min，烘干温度60 ℃，烘干时间20 min。

2)活化氯胺抗菌织物与浓度分别为2.51×105、2.19×105的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌进行接触，在接触3 min后抑菌率均达到99.999%；活化氯胺抗菌织物对甲型流感病毒H1N1的抗病毒活性率达到99.94%。

3)活化氯胺抗菌织物用水润湿并擦拭医院ICU病房床栏及边柜后，在擦拭表面未检测到细菌。活化氯胺抗菌织物连续擦拭30张食堂桌面后，桌面和擦拭织物均无细菌生长；其可耐受50次的家庭洗涤，且活化后织物上的活性氯含量仍达到311 mg/kg。

FZXB