吸湿抗菌聚酯仿真丝纤维的研究

宋海荣，王元前，姚菊明

(1.桐昆集团股份有限公司，浙江桐乡314512;2.浙江理工大学教育部先进纺织材料与制备技术重点实验室，杭州310018)

聚酯(PET)纤维具有强度高、弹性回复性能好等优点，是目前全球产量最高的合成纤维［1-3］，但由于PET分子结构紧密，分子内部亲水性基团含量甚少，决定了涤纶吸湿性差、染色性能差，标准条件下的回潮率只有0.4%左右，在服用过程中易产生静电，严重制约了涤纶织物在纺织服装行业中的应用［4-6］。为了克服涤纶的缺点，改善其服用性能，近年来，国内外学者利用物理和化学方法对普通涤纶进行了多种改性处理研究，其中丝胶涂膜整理技术是将丝胶涂覆在涤纶纤维上，能改善纤维性能，并使纤维具有真丝的保健性能［7］。由于制丝及纺织工艺的需要，蚕丝要进行脱胶处理，在制丝及丝绸生产厂家排放的废水中含有大量的丝胶［8］。因此开发和利用丝胶蛋白具有很好的现实意义。丝胶蛋白主要由丝氨酸(Ser)、天门冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)和苏氨酸(Thr)等18种氨基酸组成，分子结构中含有羟基、羧基等亲水性基团，因而具有优良的吸湿性能［9-11］。

本文首先研究了碱减量处理对聚酯纤维形貌、碱减量和回潮率的影响，再利用丝胶原位合成纳米银制备纳米银的丝胶溶胶，对聚酯纤维进行仿真丝改性，以提高涤纶织物的吸湿性和服用舒适性、拓展丝胶的回收利用，并且赋予聚酯纤维优良的抗菌性。

1 试验

1.1 试验材料

聚酯纤维(桐昆集团股份有限公司);氢氧化钠、乙二胺、催化剂1631、硝酸银(杭州高晶精细化工有限公司);丝胶(湖州奥特丝生物化工有限公司，相对分子质量为8 000);化学试剂均为分析纯。

1.2 碱减量处理聚酯纤维

分别采用NaOH(10 g/L)溶液、NaOH(10 g/L)+乙二胺(10 g/L)溶液、NaOH(10 g/L)+催化剂1 631(10 g/L)溶液、NaOH(10 g/L)+乙二胺(10 g/L)+催化剂1 631(10 g/L)溶液对聚酯纤维作碱减量处理1 h，处理温度(90 ±2)℃，浴比为1︰50。

1.3 吸湿抗菌聚酯纤维的制备

分别将摩尔浓度为 2、4、6、8、10 mmol/L 的AgNO3水溶液与质量分数为4%的丝胶水溶液按体积比1︰1混合，在75℃下用1 mol/L NaOH水溶液将该初始水溶液的pH调节至11，反应120 min之后得到不同摩尔浓度纳米银/丝胶溶胶。25%戊二醛溶液和纳米银丝胶溶胶按体积比1︰25混合，加入碱减量处理过的聚酯纤维，浴比为1︰50的条件下室温浸渍10 min，37℃干燥12 h。

1.4 材料表征

形貌观察:采用场发射扫描电子显微镜(FESEM，S-4800，Hitachi)对样品进行形貌观察。

紫外分析:利用紫外-可见光分光光度计(UVVis，U-2900，Hitachi)对样品进行紫外分析，波长范围为200～800 nm，扫描速度300 nm/min，步长1 nm。

吸湿性:纤维的吸湿性以回潮率作为衡量指标，将织物置于温度23～25℃、相对湿度77% ～81%环境中，平衡24 h，测定织物的回潮率。

抗菌性:选用金黄色葡萄球菌作为抗菌菌种，进行下面的抗菌性试验:取100 μL金黄色葡萄球菌或大肠杆菌母液涂到固体培养基上，再取0.05 g样品集中黏附到培养基上。倒置放入37℃恒温箱中过夜(12 h左右)，观察抑菌效果;取5 μL105金黄色葡萄球菌加入4 mL液体培养基，0.05 g样品加入以上培养基中，放入37℃恒温箱中过夜(12 h左右)，将加入样品后的培养基稀释到100倍，涂到固体培养基上，倒置放入37℃恒温箱中过夜(12 h左右)，统计每块平板上的菌落数来定量地计算材料的抗菌性，并与空白组对照，计算抑菌率。

图1 不同碱减量配方得到聚酯纤维的FESEM照片Fig.1 FESEM photographs of polyester fibers treated by different alkali deweighting formula

2 结果与讨论

2.1 碱减量处理对聚酯纤维的影响

图1是不同碱减量处理条件下得到的聚酯纤维表面的FESEM照片。从图1可以看出，未处理的聚酯纤维表面光滑，聚酯纤维经过NaOH(10g/L)和NaOH(10g/L)+乙二胺(10g/L)处理后表面仍没有明显的凹凸等结构出现，说明单纯的NaOH或者NaOH+乙二胺都不能有效地附着在聚酯纤维表面。而碱减量处理体系中加入10 g/L催化剂1631，聚酯纤维表面明显出现凹凸不平结构，碱减量处理体系中包含NaOH(10 g/L)+乙二胺(10 g/L)+催化剂1631(10 g/L)，聚酯纤维表面的凹凸不平结构最为明显，这说明在NaOH、乙二胺和催化剂1631共同作用下可使聚酯纤维进行深度水解，为聚酯纤维的丝胶涂膜整理提供交联反应点和机械附着条件。

表1为碱减量处理对聚酯纤维碱减量率和回潮率的影响。从表1可以看出，聚酯纤维的碱减量率随着催化剂1631的加入由0.59%增加到16.16%，说明碱减量处理过程中催化剂1631的添加起到了较强的促进作用。而回潮率数据表明，聚酯纤维经过碱减量处理后，回潮率反而有所下降，其原因在于NaOH刻蚀掉了带有较多亲水基团的低分子聚酯。碱减量处理并不能增多聚酯纤维表面的亲水基团的数量，而是在其表面生成凹凸不平等缺陷结构。

表1 碱减量处理对聚酯纤维碱减量和吸湿性的影响Tab.1 Effect of alkali deweighting on the deweighting rate and moisture regain of polyester fiber

2.3 仿真丝聚酯纤维的形貌

图2是不同摩尔浓度的AgNO3制备的纳米银/丝胶溶胶的紫外-可见光图谱。从图2可以看出，产物在400～420 nm处有一个明显的吸收峰，这是银纳米粒子的吸收峰，证实了银纳米粒子的形成［12-14］。随着AgNO3摩尔浓度的增大，产物的吸收峰越来越明显，吸收峰宽度变窄，且从419 nm分别蓝移至410 nm，说明反应中低AgNO3摩尔浓度生成大的银粒子，在高 AgNO3摩尔浓度，生成较多的纳米银粒子。

图2 不同摩尔浓度硝酸银制备的纳米银/丝胶溶胶的紫外-可见光图谱Fig.2 UV-vis spectra of nano-Ag/silk sericin produced by different molar concentrations of AgNO3

图3 是不同摩尔浓度的纳米银/丝胶溶胶涂覆经碱减量处理的聚酯纤维的FESEM照片。由图3可以看到，涂覆在聚酯纤维表面的丝胶分布比较均匀，而且还有一定的凹凸不平结构存在，不仅由丝胶提供了大量的亲水基团，同时还有利于水分的传导。

图3 不同摩尔浓度纳米银丝胶溶胶处理聚酯纤维的FESEM照片Fig.3 FESEM photographs of polyester fibers treated by different molar concentrations of nano-Ag/silk sericin

2.4 仿真丝纤维的吸湿性和抗菌性

图4 是不同摩尔浓度的纳米银丝胶溶胶涂覆的聚酯纤维的回潮率。从图4可以看出，涂覆聚酯纤维的回潮率都保持在1.2%以上，而且随着纳米银含量的增加略有增加。比不涂覆的碱减量聚酯纤维0.45%要高出1.7倍，说明聚酯纤维经丝胶涂覆处理后吸湿性得到较大改善。这是由于丝胶与涤纶大分子之间通过戊二醛发生了交联反应，在涤纶大分子上引入了丝胶大分子，丝胶中含有大量的—OH、—NH2、—COOH等亲水基团，易与水分子结合，故回潮率高，吸湿性得到较大改善。

图4 不同摩尔浓度纳米银/丝胶溶胶处理聚酯纤维的回潮率Fig.4 Moisture regain of polyester fibers treated by different molar concentrations of nano-Ag/silk sericin

图5 是不同摩尔浓度纳米银/丝胶溶胶处理聚酯纤维的固体抗菌性试验结果。从图5可以看到，对照样PET-SS(0号)样品周围固体培养基长满了金黄色葡萄糖球菌，而随着纳米银摩尔浓度的增大，样品附件出现明显的抑菌现象，尤其是纳米银达到4 mmol/L以上在纤维周围出现明显的抑菌圈，说明涂覆了纳米银/丝胶溶胶的聚酯纤维具有优良的抗菌性。

图5 不同摩尔浓度纳米银/丝胶溶胶处理聚酯纤维的抗菌性Fig.5 Antibacterial property of polyester fibers treated by different molar concentrations of nano-Ag/silk sericin

对涂覆了纳米银/丝胶溶胶的聚酯纤维的抗菌性做进一步定量表征，结果见表2。从表2可见，单纯的丝胶涂覆的聚酯纤维(PET-SS)抑菌率在18.74%，抗菌性很低，而随着纳米银摩尔浓度的增大，纳米银在4 mmol/L抑菌率达到92.05%，抗菌性优良，与定性的固体抗菌性实验结果一致。当纳米银在5 mmol/L抑菌率达到97.60%。

表2 纳米银丝胶溶胶对聚酯纤维抗菌性的影响Tab.2 Effect of nano-Ag/silk sericin on the antibacterial property of polyester fiber

3 结论

1)NaOH、乙二胺和催化剂1631共同对聚酯纤维进行碱减量处理，得到纤维表面凹凸不平结构，提高了聚酯纤维的丝胶涂覆效果。

2)仿真丝聚酯纤维的回潮率试验表明:丝胶涂覆前后织物的回潮率由0.45%提高到1.20%以上，吸湿性得到较大改善。抗菌性试验结果表明:添加了纳米银的丝胶涂覆聚酯纤维具有优良的抗菌性，在纳米银摩尔浓度超过4 mmol/L，仿真丝聚酯纤维具有92%以上的抑菌率。

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