抗菌纱线的研究进展

邓 通，廖世豪，黄鑫鑫，王 瑄，沈兰萍，陈 鹏

(1.西安工程大学 纺织科学与工程学院，陕西 西安 710048； 2.浙江纺织服装职业技术学院，浙江 宁波 315211；3.中国科学院 宁波材料技术与工程研究所，浙江 宁波 315211； 4.广东工业大学 艺术与设计学院，广东 广州 510006)

纺织品作为紧贴人体的防护材料，其特殊的孔隙结构能够吸收人体运动所产生的汗液，从而为微生物的滋生、繁衍提供了有利条件，给人体健康造成危害。新冠肺炎席卷全国，人们的健康防护意识显著提高，对纺织品的需求不再局限于舒适性，而更注重纺织品的功能抗菌性[1-2]。抗菌功能纱线是指具有抑菌或杀菌作用的功能性纱线。抗菌纱线制备方法可分为以下4类：①将天然抗菌纤维制备成纱线；②将具有抗菌成分的原料加入纺丝液，经纺丝法制备出抗菌合成纤维，再将其加工成抗菌纱线；③抗菌纤维与非抗菌纤维混纺而成的纱线；④采用抗菌剂对纱线进行后整理，得到抗菌纱线[3]。经过后整理的抗菌纱线存在一定缺陷，如抗菌性能不稳定、持久性差、部分抗菌剂中可能含有会对人体造成损害的成分等，而采用抗菌纤维制备的抗菌纱线，具有良好的抗菌稳定性[4]。因此，本文从抗菌纤维、纺纱方式和抗菌效能等方面对抗菌纤维制备的抗菌纱线进行分析综述，以期为抗菌纱线的设计与开发提供参考。

1 抗菌纤维

纤维是纱线的前身，不管是将本质抗菌的天然纤维直接纺纱，还是将抗菌材料加入纺丝液中制得的合成纤维，都可作为抗菌纱线的纺纱材料。

1.1 天然系抗菌纤维

常见的天然系抗菌纤维有麻纤维(如工业大麻纤维、罗布麻纤维、苎麻纤维等)、海藻纤维、壳聚糖纤维、竹原纤维、竹浆纤维等。

麻纤维、竹原纤维的抑菌率均在90%以上，拥有较好的抗菌性能。罗布麻纤维含有黄酮类物质，具有很强的生理和药理活性，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌等有抑菌作用[5]。赵雪静等[6]对工业大麻织物微观结构和抗菌性能进行了研究，发现工业大麻纤维的中腔和其表面的孔洞相连，纤维内部含有大量氧气，使厌氧病菌、微生物生存繁衍受到限制，从而抑制微生物的生长，工业大麻织物对大肠杆菌的抑菌率为98.82%，且经50次洗涤后抑菌率仍在90%以上。

海藻纤维中含有微量的乳酸和海藻酸盐，这些物质具有抗菌止血的功效，医学领域上常用于敷料纺织品的开发,但海藻纤维存在强力低、抗菌性能较差的问题[7-8]。

壳聚糖具有广谱抗菌、绿色环保的优点。带有正电荷的壳聚糖能够与细菌表面的负电荷物质发生静电吸引作用，极大地改变胞膜的渗透性，致使细胞内的重要物质泄露，从而杀死细菌微生物；同时带正电荷的壳聚糖能抑制微生物细胞内的DNA转变为RNA，阻碍DNA的转录，使得细菌无法正常进行新陈代谢，从而起到抑菌作用[9-11]。

竹原纤维具有中空结构，能快速吸收与蒸发内部水分，破坏细菌微生物的生存环境，同时竹原纤维细胞壁上含有天然抗菌物质“竹醌”，从而使其具有天然抗菌功能[12-13]。竹浆纤维是一种将竹片制成浆，然后将浆做成浆粕，再经湿法纺丝制成纤维，纯竹浆面料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑菌率均在99%以上，具有较好的抗菌性能[14]。

1.2 共混抗菌纤维

制备共混抗菌纤维常见的方法有熔融纺丝法[15]、湿法纺丝法[16]和静电纺丝法[17]等。盛平厚等[18]采用熔融共混法，制备了不同含量纳米铜粉改性聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)抗菌复合材料，当纳米铜粉的含量在0.5%时，制备的纤维具有良好的抗菌性能和力学性能，抑菌率高于99%，断裂强度为3.15 cN/dtex，断裂伸长率为 28.9%。Huang等[19]采用湿法纺丝法，在纺丝液中添加具有抗菌功能的川芎(LC)提取物，制备具有抗菌功能的丙烯酸纤维，其抑菌率为98.83%，但共混纤维的断裂强度和伸长率略有降低。

市场上主流的共混抗菌纤维有聚乳酸基抗菌纤维[20]、金属基纳米抗菌纤维[21]、聚丙烯腈基抗菌纤维[22]等，这类抗菌纤维都有较好的抗菌性能，特别是聚乳酸基抗菌纤维因其原料价格便宜、可生物降解性而得到广泛使用。聚乳酸(PLA)源于玉米、木薯等植物资源，在工业堆肥条件下可完全降解为水和二氧化碳，具有良好的生物可降解性、生物相容性，广泛应用于手术缝合线和纺织品等领域[23]。将聚乳酸与其他抗菌材料共混制备的聚乳酸基抗菌纤维，在生物医学领域具有很高的应用价值[24]。王伟华[25]以Ag和Zn不同价态的金属离子作为掺杂剂，制备了具有抗菌性能的纳米氧化镁粉体，并与聚乳酸共混，采用静电纺丝法制备了氧化镁/聚乳酸纳米纤维，结果表明掺杂Ag、Zn粒子，提高了氧化镁/聚乳酸纳米纤维的抗菌性能。Li等[26]将PLA和丁酸戊酸脂(PHBV)共混经熔融纺丝制备出具有高效的抗菌性能的PLA/PHBV纤维。PLA/PHBV纤维中抗菌成分聚羟基丁酸酯能够破坏细菌等微生物的细胞壁和病毒的胞膜，致使代谢失衡，从而抑制细菌滋生和灭活病毒，达到抗菌抗病毒效果；同时PLA/PHBV纤维具有生物可降解性、良好的可纺性与舒适性能[27-28]。

2 抗菌混纺纱线

抗菌混纺纱线结合抗菌纤维和其他纤维混纺制得兼具抗菌和织造性能的纱线。混纺时纱线的混纺比、纺纱方式和纱线结构均会影响最终混纺纱线的抗菌性能。

2.1 纱线混纺比

目前，市场上抗菌混纺纱线的抗菌性依赖抗菌纤维本身的占比。通常增加抗菌纤维的占比。能有效增强纱线的抗菌性能，然而盲目地增加抗菌纤维的占比，会使纱线的力学性能和服用性能降低。如何在不损失力学、服用性能的情况下，最大限度地增强纱线的抗菌性能，需要对纱线不同混纺比进行测试探究。

如表1不同混纺比下的抗菌纱线所示，王维亚[29]采用甲壳素/棉(70/30)混纺，开发的甲壳素/棉混纺纱线具有抗菌作用，对金黄色葡萄球菌的抑菌率在30.0%以上，但存在强力与抗菌性能较低的问题。倪玉婷[30]将甲壳素与纳米银抗菌涤纶进行混纺，探索不同混纺比下的成纱工艺，并对不同混纺比纱线的力学性能进行分析比较，当抗菌涤纶与甲壳素混纺比为70/30时，断裂强度最大，为32.969 cN/tex，变异系数(CV)为8.33%，对金黄色葡萄球菌的抑菌率为88.7%，有良好的抗菌性。蒋国华等[31]采用苎麻纤维与壳聚糖纤维混纺制备抗菌纱线，当壳聚糖含量为45%时，对金黄色葡萄球菌有89.7%的抑菌率，具有抗菌除臭与良好的舒适性。张一平等[32]测试大麻纤维及其混纺产品的抗菌性，结果表明纯大麻纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率为98.6%和94.7%，当采用大麻/棉(55/45)制备混纺纱时，纱线仅对大肠杆菌有抗菌性，其抑菌率为97.8%。陈贵翠等[33]将甲壳素纤维/海藻纤维/桑皮纤维以40/30/30混纺比制备的抗菌纱线具有良好的舒适性，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有70.0%以上的抑菌率，适合做抗菌医用与防护纺织品。

表1 不同混纺比下的抗菌纱线

赵胜男等[34]采用竹浆/石墨烯(85/15)混纺纱开发抗菌面料，面料具有良好的抗菌性、尺寸稳定性和色牢度，对大肠杆菌抑菌率高达98.0%。杜梅等[35]对不同混纺比下薄荷粘胶/棉混纺纱的抗菌性能进行测试，结果表明采用薄荷粘胶/棉(30/70)混纺纱的抗菌性能最好，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率在80.0%以上。Liu等[36]采用PLA/PHBV纤维与棉纤维混纺制备纱线，当PLA/PHBV纤维的占比为96%时，对金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌率在90.0%以上，具有较好的抑菌效果。秦潇璇等[37]采用PLA纤维与PLA/PHBV长丝开发了一种生物质抗菌复合纱线，该纱线在18 h内抑菌率在97.0%以上，具有较好的抗菌性。

2.2 纺纱方式

抗菌纱线的纺纱方式除传统的环锭纺外，还有赛络纺、转杯纺等。赛络纺是环锭纺纱技术的新发展，在环锭纺纱机上把2根粗纱平行喂入细纱牵伸区，经初步加捻后再汇聚并进一步加捻形成纱线。由于纱条在输出前罗拉后有一个汇聚环节，能够有效提高抗菌纱线的断裂强力，并通过改善成纱条干，减少毛羽，增强抗菌纱线的抗菌性能，但条干和细节易恶化[38]。转杯纺是与环锭纺完全不同的成纱方法，具有纺纱工序短、使用原料广泛等优势，但由于大多数抗菌纤维长度整齐度差，细度不匀率高(如大麻纤维)，转杯纺纺出的抗菌纱线强力低、毛羽多、耐磨性差，包覆在纱线表面的抗菌纤维易受到损伤与丢失，使纱线力学性能和抗菌性能降低[39]。

Jiang等[40]在抗菌纳米纤维/棉复合纱的生产中，利用环锭纺使纳米纤维被相邻的棉纤维紧密锁定，纳米纤维同时分布在纱线表面与内部，够能承受传统纺织工艺中的磨损，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制率分别为92.58%和88.27%，有良好的抗菌性能。安晓龙等[41]对羊毛、羊绒在染色后处理阶段进行抗菌处理，并采用赛络集聚纺纺纱工艺制备抗菌羊毛/羊绒混纺纱线，有效地减少毛羽产生，改善了成纱条干，提高单纱强力。纱线经过15次洗涤后，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌率为85.7%、89.6%和96.6%。张晓慧等[42]利用转杯纺工艺纺制桑皮纤维混纺纱，通过选择合理的工艺参数，使桑皮纤维混纺纱具有良好的抗菌性能，对大肠杆菌的抑菌率为75.9%，但纱线断裂强度较低。

2.3 纱线结构

在抗菌纱线结构中，外观形态的均匀性、内在组成质量和分布的连续性、纤维间相互作用的稳定性都十分重要。抗菌混纺纱中常见的纱线结构如包覆纱、包芯纱等，由于其特有的结构方式，使纱线既具备芯丝的特性，又可以通过利用外包纤维的特性，改良其服用舒适性，用来解决芯纱强力不足、耐磨性差的问题[43]。

在抗菌混纺纱中，抗菌纤维置于外层，增加抗菌纤维与细菌的接触面积，从而增强纱线的抗菌效能，但纱线的抗菌持久性差。将抗菌纤维作为芯丝的纱线结构，能有效增强纱线抗菌耐久性。周朝钢等[44]在负离子纤维/抗菌丙纶包覆纱的纺制中，将竹浆纤维、负离子纤维、棉纤维(30/40/30)混纺作为包覆纱的外包纤维，抗菌丙纶作为芯丝制备包覆率为47.5%的包覆纱，具有更为持久的抗菌性以及更好的舒适性能。郭宇微[45]将改性粘胶纤维和改性涤纶混纺作为外包短纤维，抗菌涤纶长丝为芯丝，石墨烯改性涤纶为外包长丝，制备的抗菌保暖包芯包覆纱具有高效且持久的抗菌性，纱线表面包有规则的长丝，纱线不易解体和相对滑移，提高了纱线的耐磨性。王键等[46]在壳聚糖/棉混纺纱中为保证其抗菌性，利用环锭纺纱加捻三角区内内外层纤维的转移规律，使较短粗的壳聚糖纤维向纱线的外层移动，而较为细长的棉纤维向纱线内部转移，增加混纺纱的抗菌效能，但抗菌的持久性差，仅能持续8～10 h。

3 结束语

随着社会物质生活水平的提高，纺织品朝着舒适性和功能性发展。对于人体穿着的抗菌纺织品，其核心在于纱线的抗菌性能需要具备高效性、安全性以及耐久性；纱线在具有良好抗菌性能的同时，应满足人体需求的舒适性和力学性能。通过后整理得到的抗菌纺织品，虽然具有良好的抗菌性能，但抗菌剂会抑制皮肤表面对人体有益的微生物，长此以往会对人体健康造成损害。

抗菌纤维虽然具有良好的抗菌性，但其吸湿、透气性较低，制备的抗菌纱线其力学性、服用性较差，可采用特殊的纱线结构(包缠纱、包芯纱)或开发兼具舒适性和高效、持久抗菌性的纤维。本文对抗菌纱线进行综述分析发现，目前我国尚未建立统一、公认的抗菌效能测试标准；抗菌混纺纱的纺纱方式、纱线结构较为单一；制备的抗菌纱线强力较低。抗菌纱线未来应使用具有良好力学性能的新型高效抗菌纤维；应探索新型的纺纱方式、纱线结构，使抗菌纱线朝着抗菌性、安全性、耐久性、功能性及舒适性等各方面均衡的方向发展。