抗菌发热功能性粘胶纤维的制备及性能分析

马君志 张洪宾 李昌垒 王显其 徐 静

［1.德州学院，山东德州，253023；2.青岛雪达集团有限公司，山东青岛，266231；3.恒天海龙（潍坊）新材料有限责任公司，山东潍坊，261100］

随科技发展和社会进步，绿色生态以及功能时尚纺织品成为发展趋势。粘胶纤维因具有吸湿性、透气性、抗静电、易染色，源于天然优于天然，适宜于功能化改性加工等优点，深受人们喜爱。中草药是中国传统中医特有药物，来自天然具有较高的安全性与有效性，除了能用于治病之外，还能在保健、养生方面发挥作用［1］。而中草药提取物与纤维素有效结合的功能性纤维素纤维，实现了对病菌的穿衣防护，迎合了人们多方面的需求［2］。生姜是姜属植物的块根茎，作为一种传统的药、食两用植物，含挥发油、姜辣素、二苯基庚烷3大类成分，其感官特性主要归功于它的两类组分：姜的香气及部分风味取决于其挥发性油分精油，姜的特征性辛辣风味主要来自非挥发性油分姜油树脂中的姜辣素。姜辣素的成分复杂，主要为4-姜酚、6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚、12-姜酚、6-姜烯酚等，各组分物质的分子结构中均含有3-甲氧基-4-羟基苯基官能团。该官能团具有很强的抗氧化性、天然抑菌性，能够促进血液循环，对血管运动中枢有兴奋作用［3］。刘鑫等［4］研究表明8-姜酚和10-姜酚对乳腺癌、卵巢癌、肺癌等多种肿瘤细胞的活性均有较好的抑制作用。李萍等［5］采用超声波技术提取姜辣素，对其抑菌性进行试验，结果表明姜辣素对细菌活性有抑制作用。陈室全等［6］采用质量分数1%姜辣素姜油树脂作为抗菌发热整理剂，在160 ℃对麻、棉、粘胶纤维针织面料进行整理，并交联处理，面料洗涤50次后抑菌率大于87%，发热升温值大于4.6 ℃，最高达5.0 ℃。但后整理技术不可避免对织物服用性能及功能持续稳定性产生影响。

本研究采用微胶囊包覆姜辣素，减少姜辣素有效成分的流失，通过纺前共混、湿法纺丝工艺，制备具有抑菌发热功能的粘胶纤维。并对其结构和性能进行检测及分析，以期为功能性粘胶纤维纺织品研发及推广提供理论参考。

1 试验部分

1.1 原料与试剂

β-环糊精（工业级），淄博千汇生物科技有限公司；姜辣素油脂（姜辣素≥50%），青岛利和萃取股份有限公司；乙醇（分析纯），莱阳经济技术开发区精细化工厂；羧甲基纤维素钠（CP，黏度300 mPa·s~800 mPa·s），国药集团化学试剂有限公司；粘胶溶液（α-纤维素8.8%），潍坊欣龙生物有限公司。

1.2 姜辣素微胶囊的制备

以姜辣素为芯材，β-环糊精为壁材制备姜辣素微胶囊。首先，姜辣素油脂与乙醇按1∶2质量比混合均匀；将一定量β-环糊精加入到去离子水中搅拌至溶解，再将溶于乙醇的姜辣素油脂缓慢滴加到β-环糊精水溶液中，控制姜辣素与β-环糊精质量比1∶7，加入体系质量1%的羧甲基纤维素钠，在均质机高速搅拌状态下降至室温。

1.3 姜辣素粘胶纤维的制备

将姜辣素微胶囊分散液加入粘胶纺丝液中（姜辣素用量为α-纤维素1%），机械搅拌混合均匀，经脱泡、过滤，混合溶液通过计量泵计量，在一定压力下自喷丝孔喷出进入凝固浴凝固成型，丝束经集束、切断、水洗、脱硫、水洗、上油、烘干制得抑菌发热功能性姜辣素粘胶短纤维。

1.4 结构表征与性能测试

1.4.1 微胶囊粒径分布测试

取少量微胶囊分散液用去离子水稀释，采用Bettersize2000M型激光粒度仪 （丹东百特仪器公司）测试粒径分布，测定范围为0.02 μm~2 000 μm。

1.4.2 纤维的形貌结构

采用Y172 型哈氏切片器制作纤维切片，用WMS-1033型显微镜+摄像仪观察纤维横截面形态。

采用SU8010型场发射扫描电子显微镜（日本日立公司）对纤维表面进行扫描，观察其微观形态。

1.4.3 纤维的化学结构测试

以溴化钾压片法，利用Nicolet iS50型傅里叶红外光谱仪（赛默飞世尔科技公司）分别测试纤维样品的化学结构，波数范围4 000 cm-1~100 cm-1。

1.4.4 纤维的物理机械性能测试

按照GB/T 14337—2022《化学纤维 短纤维拉伸性能试验方法》，采用XQ-1型单丝强力仪（东华大学）测定纤维的断裂强度和断裂伸长率。

1.4.5 织物功能性测试

分别纺制粘胶纤维、姜辣素粘胶纤维两种纱线，纱线规格11.8 tex，生产单位面积质量为150 g/m2的针织面料，作为待测样品。

抗菌性能测试。参照标准FZ/T 73023—2006《抗菌针织品》，AAA级标准进行抑菌率测试。

发热性能测试。静态吸湿发热：参照标准FZ/T 73036—2010《吸湿发热针织内衣》，测试织物吸湿发热升温值。动态摩擦发热：测试条件，温度（20±2）℃，相对湿度（65±2）%，调节时长不小于2 h。取相同尺寸、相同单位面积质量的不同待测样品面料折叠，并在内部放置温度计，测试人员双手戴好手套后手持面料进行来回摩擦，尽量控制相同力度，观察温度计温度变化。

2 结果与讨论

2.1 微胶囊粒径分布

从图1可以看出，β-环糊精包覆后的姜辣素微胶囊中位粒径D50为0.599 μm，90%粒径在1.293 μm以下，满足粘胶纤维生产纺丝要求。

图1 微胶囊粒径分布图

取数滴微胶囊乳液，加蒸馏水稀释100倍，测试其粒径及分布，图2为姜辣素微胶囊在显微镜下分散状态图，可以看出，姜辣素微胶囊呈不规则颗粒分布，粒径小于2 μm，少量呈现聚集现象，可通过与粘胶溶液混合分散解决存在的软团聚问题，满足后续纺丝的要求。

图2 微胶囊乳液中粒子分布

2.2 纤维微观形貌

图3（a）和图3（b）分别为粘胶纤维和姜辣素粘胶纤维的横截面形态图。可以看出，粘胶纤维截面具有典型的不规则锯齿状结构，具有皮芯层，姜辣素粘胶纤维横截面有点状β-环糊精包覆颗粒，说明在纤维内部可能存在姜辣素。从图3（c）和图3（d）纤维表面扫描电镜图可清晰看到姜辣素粘胶纤维表层也有少量颗粒附着，且纵向沟槽明显增多，说明姜辣素可能附着在纤维表面。

图3 纤维微观形貌

2.3 纤维红外光谱图

由傅里叶红外光谱仪测得粘胶纤维和姜辣素粘胶纤维的红外光谱如图4所示。

图4 纤维的红外光谱图

由图4可知，粘胶纤维和姜辣素粘胶纤维都属于再生纤维素纤维，红外谱图都具有纤维素的特征红外吸收峰。在2 920 cm-1~2 870 cm-1处为纤维素中C—H伸缩振动峰，3 460 cm-1~3 430 cm-1处为纤维素—OH的伸缩振动峰，1 370 cm-1~1 360 cm-1处为纤维素C-C骨架振动峰，1 030 cm-1~1 010 cm-1处为C-O-H的弯曲振动峰［7-8］。姜辣素粘胶纤维红外谱图局部标识处，在1 450 cm-1附近出现苯环骨架振动峰，为姜辣素的特征峰（3-甲氧基-4-羟基苯基官能团），表明纤维中存在姜辣素成分［9-10］。

2.4 纤维物理机械性能

表1为纤维物理机械性能测试结果，可知姜辣素微胶囊的添加导致粘胶纤维的干断裂强度、湿断裂强度以及干断裂伸长率均有所降低，干强变异系数增大，主要因为微胶囊作为“杂质”粒子分散于纤维内部，造成纤维的局部应力集中，使纤维的物理机械性能降低，同时影响纤维力学指标的均匀稳定性，但姜辣素粘胶纤维的指标仍然达到国家标准GB/T 14463—2022《粘胶短纤维》一等品要求，满足下游应用要求。

表1 纤维物理机械性能指标

2.5 织物抗菌性能

表2为不同粘胶纤维针织物抗菌性能测试结果。

表2 抑菌性能数据

可以看出，姜辣素粘胶纤维对金黄色葡萄菌和大肠杆菌的抑菌率均达到90%以上，而对白色念珠菌的抑菌率达到80%以上，远高于粘胶纤维的抑菌率，因而具有较好的抗菌性，50次水洗后效果保持良好，达到AAA级标准要求。这是由于改性后粘胶纤维中含有的姜提取物可激活单核细胞的分泌功能，使溶菌酶大量释放，水解细菌细胞壁中的多肽使其死亡或裂解，起到抗菌作用［11］。

2.6 织物发热性能

将干燥后的织物放入恒温［温度（20±0.5）℃］恒湿［相对湿度（90±3）%］箱中，通过吸收水气，将水分子的动能转化为热能，水分子与纤维素大分子之间形成氢键产生热量，使织物获得能量升温。相比于粘胶纤维，姜辣素粘胶纤维表面沟槽数增多，提高了纤维对水气的吸附能力；姜辣素粘胶纤维中含有包覆姜辣素的β-环糊精，含水量大于纤维素，也提升了姜辣素粘胶纤维对水气的吸附能力。姜辣素粘胶纤维对水气吸附能力增加，使其织物的吸湿发热功能提升。从表3可以看出，姜辣素粘胶纤维织物吸湿发热性能显著高于粘胶纤维织物，姜辣素粘胶纤维织物100次摩擦升温值为2.1 ℃，主要是纤维中所含姜辣素能扩张血管，促进了血液循环，使手掌温度升高，致使面料内姜辣素粘胶纤维温度比常规粘胶纤维高［12］。相比于粘胶纤维，姜辣素粘胶纤维在摩擦50次和100次后升温值分别增加了0.8 ℃和1.4 ℃。

表3 发热性能数据

3 结论

（1）通过β-环糊精包覆姜辣素制得姜辣素微胶囊，采用湿法纺丝纺制姜辣素粘胶纤维。通过微观形貌表征，所制备的姜辣素粘胶纤维中位粒径D50为0.599 μm，90%粒径在1.293 μm以下。电镜图显示所制备的姜辣素粘胶纤维具有与粘胶纤维相近的微观结构，但纵向沟槽增多；在1 450 cm-1附近姜辣素粘胶纤维出现不同于粘胶纤维的苯环骨架振动峰；相较于粘胶纤维，姜辣素粘胶纤维的干断裂强度、湿断裂强度和断裂伸长率均略有下降，但仍满足一等品标准要求。

（2）对比粘胶纤维和姜辣素粘胶纤维织制的针织物，姜辣素粘胶纤维针织物对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和白色念珠菌的抑菌率分别为92.0%、91.0%和82.0%，远高于粘胶纤维针织物，且达到针织物抗菌AAA级标准。

（3）姜辣素粘胶纤维针织物吸湿发热值最高升温值达11.0 ℃，30 min内平均升温值为5.1 ℃，均高于粘胶纤维针织物；50次、100次摩擦升温值分别为1.4 ℃和2.1 ℃，比常规粘胶纤维针织物分别高出0.8 ℃和1.4 ℃，说明姜辣素粘胶纤维具有较好的发热功能。由于摩擦升温测试中测试人员的主观影响较大，在后续研究中还需探索更为科学客观的评价方法。