基于AgNPs-PDMS的涤纶织物自清洁抗菌整理

陈华杰，朱杰辉，姚理荣，张成蛟，郭 滢

（1.南通大学纺织服装学院，江苏南通 226019；2.南通大学安全防护用特种纤维复合材料研发国家地方联合工程研究中心，江苏南通 226019）

自清洁是材料具有疏水性后被赋予的一项能力，这一类材料通常具有拒水、拒油和自发清除表面附着杂质和细菌等的能力。目前，在医用防护服和防护品包装等领域，疏水性材料的研发成为热点［1-3］。李维斌等［4］将十八胺和十二烷基三甲氧基硅烷改性的二氧化硅颗粒与聚二甲基硅烷的混合溶液浸涂到棉织物表面制备超疏水棉织物，棉织物与水滴的静态接触角达到164.5°，油水分离效率达到90%以上。Lin等［5］将经过O2等离子体活化后的棉织物浸入含有正硅酸乙酯（TEOS）、端羟基聚二甲基硅氧烷（HPDMS）和聚磷酸铵（APP）的乙醇悬浮液中，搅拌后加入氨水，引发TEOS 和HPDMS 的原位溶胶-凝胶反应生成聚二甲基硅氧烷-二氧化硅杂化材料（PDMS-silica），采用PDMS-二氧化硅和APP 在棉织物上制备微纳米结构复合涂层，棉织物表面水接触角达160°以上，并且具有良好的阻燃性。姚盼盼等［6］以无机偏铝酸钠为铝源，硬脂酸为拒水剂，采用微波水热法对棉织物进行整理，棉织物表现出优良的自清洁能力。

纳米银（AgNPs）是将粒径做到纳米级的金属单质，对大肠杆菌、淋球菌、沙眼衣原体等数十种致病微生物都有强烈的抑制和杀灭作用，而且不会产生耐药性。因为优异的抗菌杀菌能力，纳米银被广泛应用于环境净化、医疗、纺织等领域［7-13］。Damerchely等［14］提出了一种新型的电晕处理（常压放电）纤维表面活化系统，可以将纳米银粒子从胶体中加载到聚酰胺和聚酯织物上，从而提高其抗菌性能。陈爱芳等［15］以多巴胺作为表面处理剂，通过接枝银离子吸附在无纺布表面，使棉无纺布具有抗菌功能而且耐洗性良好。M.Montaze 等［16］以具有水凝胶性质的天然高分子Tragacanth 胶为处理剂，硝酸银为银前驱体，柠檬酸为交联剂，次亚磷酸钠为催化剂，处理的棉织物具有良好的吸水性和抗菌性能。

本实验以水为分散介质，AgNPs 为抗菌剂，聚二甲基硅氧烷（PDMS）为低表面能单体，在涤纶织物表面形成一层具有自清洁和抗菌性能的薄膜，辅以常温常压等离子体刻蚀工艺，增强涤纶织物的自清洁抗菌耐久性。

1 实验

1.1 材料与仪器

材料：100%针织涤纶（单位面积质量为210 g/m2，常州棉度纺织有限公司），纳米银（AgNPs，20 nm，宁波金雷纳米材料科技有限公司），聚二甲基硅氧烷（PDMS 184，深圳市世俊科技有限公司），大肠杆菌、金黄色葡萄球菌（上海鲁微科技有限公司）。

仪器：CJ-040 超声波清洗器（南通泰康计量仪器有限公司），DHG-9030A 电热鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司），CTP-2000A 型等离子体准辉光放电表面处理机（南京苏曼等离子科技有限公司），ZEISS Gemini SEM 300 型场发射扫描电子显微镜、OCA15EC 型接触角测量仪、SW-12JG 型耐洗色牢度试验机、YXQ-LS-50A 型立式压力蒸汽灭菌锅（上海博迅医疗生物仪器股份有限公司），LRH-250A 型生化培养箱（广东省医疗器械厂），SW-CJ-1D 型单人净化工作台（上海苏净实业有限公司）。

1.2 AgNPs-PDMS 乳液的制备

将PDMS 加入去离子水中，在600 W、40 kHz 条件下超声分散3 h，制备1%的PDMS 水乳液。按照同样的方法配制5 份PDMS 乳液，分别往其中加入不同量的纳米银，继续超声30 min，制备得到不同纳米银质量浓度的AgNPs-PDMS 乳液。

1.3 自清洁抗菌涤纶织物的制备

取5 块洗净的涤纶织物，利用常温常压等离子体表面处理机进行刻蚀。将刻蚀后的涤纶织物分别浸渍于不同纳米银质量浓度的AgNPs-PDMS 乳液中，超声10 min，用玻璃棒取出置于铝箔纸上，60 ℃干燥30 min，120 ℃焙烘5 min，制备得到不同纳米银负载量的AgNPs-PDMS 涂层涤纶织物。

1.4 测试

抗菌性能：参考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，选用大肠杆菌和金黄色葡萄球菌作为实验菌株。

2 结果与讨论

2.1 表面形貌

由图1a 可以看出，涤纶纤维原样表面光滑平整，而经过AgNPs-PDMS 涂层整理后的涤纶纤维（图1b）表面覆盖了一层PDMS 薄膜，AgNPs 粒子则被封装在PDMS薄膜和涤纶纤维之间。

图1 涂层前（a）后（b）涤纶织物的SEM 图

2.2 接触角

由图2 可以看出，水珠能完全浸润涤纶织物原样，而经过AgNPs-PDMS 涂层整理后的涤纶织物则表现出明显的疏水性能，这得益于PDMS 分子在高温焙烘条件下相互间发生交联，在涤纶纤维表面形成PDMS 薄膜，而纳米银则在一定程度上增强了涤纶纤维表面的粗糙程度。

图2 涂层前（a）后（b）涤纶织物的接触角

2.3 自清洁性能

由图3a 可以看出，涤纶织物原样浸渍在酱油中，织物立刻被酱油浸润，经冲洗后依旧呈淡黄色，说明涤纶纤维中依旧残留有酱油污渍，而经过AgNPs-PDMS 涂层整理的涤纶织物（图3b）浸渍在酱油中取出后，酱油未能浸润织物，织物表面附着少量球状的酱油液滴，用水冲洗后，织物立刻恢复原色，这就说明涤纶纤维在AgNPs-PDMS 涂层整理后具备了良好的自清洁性能。

图3 涂层前后涤纶织物的自清洁性能

2.4 抗菌性能

不同质量浓度纳米银涂层整理涤纶织物的抗菌性能见表1。

表1 不同质量浓度纳米银涂层整理涤纶织物的抗菌性能

由表1 可知，经过AgNPs-PDMS 乳液涂层整理的涤纶织物表现出优异的抗菌性能，纳米银质量浓度为50 mg/L 时，AgNPs-PDMS 涂层涤纶织物对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为93.88%和96.82%；当纳米银质量浓度为100 mg/L 时，AgNPs-PDMS 涂层的涤纶织物对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为99.25%和99.53%；当纳米银质量浓度升高至200 mg/L 时，AgNPs-PDMS 涂层的涤纶织物对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率均达到99.99%。其高效的抗菌效率一方面得益于所用的纳米银粒径小，比表面积大，抗菌活性高；另一方面则是因为在涤纶表面形成的AgNPs-PDMS 涂层结构中，PDMS 薄膜将AgNPs 封装在其与涤纶纤维之间，这种包覆结构有助于AgNPs 缓慢且持续地释放Ag+，达到长效的抗菌效果。

2.5 耐水洗性能

选择纳米银质量浓度200 mg/L 的AgNPs-PDMS乳液制备的自清洁抗菌涤纶织物进行耐水洗性能测试。由图4 可以看出，随着洗涤次数的增加，AgNPs-PDMS 涂层涤纶织物的接触角有所下降，但是总体下降幅度不大，洗涤50次以后，接触角仍能达到145.1°，说明PDMS 薄膜与涤纶基体之间结合牢度较高，得益于对涤纶织物进行了等离子体处理，经过等离子体刻蚀后的涤纶纤维表面形成了均匀且密集的凹槽，比表面积增大，从而与PDMS 薄膜的粘附性增强。在经过50 次洗涤之后，AgNPs-PDMS 涂层涤纶织物的抗菌性能基本保持不变，表现出优异的抗菌耐久性。这是因为AgNPs 粒子大多被PDMS 薄膜封装在其与涤纶纤维基体之间不易脱落，而且不直接与空气接触，避免发生氧化，保证了长效的抗菌活性。

图4 洗涤不同次数后涂层整理涤纶织物的接触角和抑菌率

3 结论

以水为分散介质，PDMS 为低表面能单体，AgNPs为抗菌剂，通过等离子体刻蚀-浸渍-焙烘的工艺制备AgNPs-PDMS 涂层涤纶织物。当AgNPs 质量浓度为200 mg/L 时，AgNPs-PDMS 涂层涤纶织物的接触角为148.9°，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率均达到99.99%；经过50 次洗涤以后，接触角下降至145.1°，但是对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率仍然保持在99.99%。