抗菌纤维的抗菌机理、加工方法与生态安全性分析

戴福文

摘要：本文介绍了抗菌纤维的抗菌机理、加工方法，对抗菌纤维生态安全性进行分析，给出抗菌纤维开发的建议。

关键词：抗菌纤维;抗菌机理;加工方法;生态安全;研究分析

抗菌纤维是指采用物理或化学方法将具有抑制细菌生长的物质引入纤维表面及内部而成的纤维，分为天然抗菌纤维和人工合成的抗菌纤维两种。天然抗菌纤维是指本身具有抗菌功能的天然纤维，如壳聚糖纤维、麻纤维和竹纤维等。人工合成的抗菌纤维是在化学纤维的基础之上通过各种不同的方式添加抗菌物质得到的。在抗菌纤维及织物的加工生产过程中，选择安全环保的抗菌剂及加工方式达到最佳的抗菌性能是今后研究的重点方向。目前开发抗菌纤维已成为抗菌纺织品的发展方向之一[1]。

1    抗菌机理

1.1  金属离子接触反应机理[2]

金属离子带有正电荷，当微量金属离子接触到微生物的细胞膜时，与带负电荷的细胞膜发生库仑吸引，金属离子穿透细胞膜进入细菌内与细菌体内蛋白质上的巯基、氨基等发生反应，该蛋白质活性中心被破坏，造成微生物死亡或丧失分裂增殖能力。这是无机抗菌剂最普遍的抗菌作用机理。

1.2  阳离子固定机理

细胞壁和细胞膜是由磷脂双分子层组成，在中性条件下带负电荷。因此，细菌容易被抗菌材料上的阳离子（如有机季铵盐基团）所吸引，从而降低细菌的活动能力，抑制其呼吸功能，使其发生“接触死亡”。另外，细菌在电场引力的作用下，细胞壁和细胞膜上的负电荷分布不均匀造成变形，发生物理性破裂，使细胞的内脏物如水、蛋白质等渗透体外，发生“溶菌”现象而死亡。

1.3  细胞内容物损坏机理

有机抗菌剂大多属于这种作用机理，它能破坏细菌的蛋白质和核酸等结构，并且对细菌的酶体系（酶形成、酶活性）等生理系统产生毁灭性的损坏，从而达到抗菌的目的。

1.4  催化激活机理

银、锌等微量的金属元素，能吸收环境的能量（如紫外光，激活空气或水中的氧），产生氢自由基和活性氧离子。它们能使细菌细胞中的蛋白质、不饱和脂肪酸等与其发生反应，破坏其正常结构，从而使其死亡或丧失增殖能力。

2    人工抗菌纤维加工方法

2.1 化学接枝改性法

通过配位化学键或其他类型的化学键结合具有抗菌作用的基团对纤维表面进行改性。该方法要求基体纤维应含有可与抗菌剂作用的基团，或者含有能转换成与抗菌剂作用的基团。但它对于抗菌基团和原料纤维有较高的要求，而且技术也比较复杂，目前应用还不广泛。

2.2  共混纺丝法

共混纺丝是将抗菌剂和分散剂等助剂与纤维基体树脂混合，通过熔融纺丝生产抗菌纤维。此方法一直是开发功能性纤维的主要手段。日本富士纺织株式会社采用特制的超细粉碎机，制得粒径5μm以下的壳聚糖微细粉末，然后将其混炼入粘胶纤维中制成抗菌纤维。

2.3  复合纺丝法

复合纺丝法是利用含有抗菌成分的纤维，与其他纤维或者不含抗菌成分的纤维通过复合纺丝组件纺制成皮芯型、并列型、镶嵌型、中空多心型等结构的抗菌纤维。国内用复合纺丝法制得的抗菌涤纶大多也是皮芯结构。复合纺丝法虽可提高抗菌纤维的耐洗涤性能，但是喷丝板的加工难度大，生产成本高。

2.4  后整理法

后整理法是采用抗菌液对纤维进行浸渍或涂覆把抗菌剂固定在纤维上的方法，分为表面涂层法、树脂整理法和微胶囊法。表面涂层法是将抗菌剂与涂层剂配成溶液，对纤维进行涂层处理，使抗菌剂固着在纤维表面，从而起到抗菌效果。此加工方法比较简单，所得纤维抗菌效果也较好，但其耐洗涤性不好。树脂整理法是将抗菌剂溶解在树脂中配成乳化液，将纤维放在乳化液中充分浸渍，再通过轧和烘使含有抗菌剂的树脂附着于纤维表面，从而具有抗菌功效。微胶囊法是一种新型的纤维后整理方法，特别适用于纤维的功能性整理。微胶囊法是将抗菌剂制成微胶囊，再用高分子粘合剂或涂层剂通过浸渍或喷雾的方法将微胶囊附着到纤维上，然后经过热定型或焙烘使之固着在纤维表面。在使用中微胶囊破裂释放出抗菌剂，并从纤维表面扩散而产生抗菌功效。

可以看出，后整理法加工方便，可以处理各类抗菌纤维，特别是天然纤维;同时，其加工过程简便可行，可选择的抗菌剂范围广[3]。在纤维的抗菌加工中，后整理法约占70%，其采用的抗菌剂主要是有机抗菌剂，其中应用最普遍的是季铵盐类抗菌剂。但由于该法只是将抗菌剂附着在纤维的表面，一旦抗菌剂脱落便不能补充，因而所制得的抗菌纤维不耐洗涤，抗菌持久性也不好;同时该法所用的有机抗菌剂耐热性差，具有一定的毒性和挥发性。

3    抗菌纤维生态安全性分析

3.1  有机抗菌防霉剂的使用

严格意义上讲，有机抗菌防霉剂属于农药的范畴，因而对纤维用抗菌防霉剂的安全性问题必须实行严格管制。早期广泛使用的抗菌防霉剂PCP已被证实是对人体有致畸致癌作用的毒性化合物。而曾大量用作纺织品抗菌整理剂和纤维改性剂的有机金属化合物和部分无机物含有多种重金属离子。这些重金属离子通过与人体接触会被人体吸收，重金属一旦为人体所吸收，则会倾向于累积于肝脏、骨骼、肾脏、心脏及脑中。当受影响的器官中重金属累积至一定程度后便会对健康造成巨大的损害[4]。

在抗菌剂安全性评价中，急性毒性指标是最重要的，如LD50（引起半数受试动物死亡的剂量），对皮肤、黏膜和眼睛的刺激等。目前用于纤维或纺织品的抗菌剂绝大部分属于低毒[LD50（mg/kg）≤500～5000]或中等毒[LD50（mg/kg）≤50～500]。由于用在纺织品上载荷量不同，实际对人体的危害程度可能很低或基本无害，但长期的累积毒性问题仍不可忽视。除急性毒性外，纺织品用抗菌剂的慢性毒性问题亦应引起足够的重视。慢性毒性的主要考核内容包括：致畸、致癌、致突变和对生殖系统的影响等。目前仍在使用的部分有机抗菌剂据称慢性毒性严重。

3.2  有机抗菌防霉剂的选择

除了安全性问题之外，一般用于熔融纺丝的有机抗菌防霉剂的耐热性要求是：熔点高于成纤聚合物的软化温度，分解温度在纺丝温度以上，以确保抗菌剂的有效含量和抗菌有效性不受纺丝影响;所选择的抗菌剂应具有广谱抗菌效果，且不溶于水，以保持良好的抗菌效果的耐久性;同时保证抗菌剂本身应与成纤聚合物具有良好的相容性;确保抗菌剂本身应无色、无嗅，另外对酸、碱和光以及氧化剂具有相当的稳定性，以保证织物的抗菌性能不受漂、染和后整理等各道化学处理工序的影响[5]。

3.3  无机添加剂的辐射问题

最早源于氧化锆用于齿科材料的辐射安全性问题担忧，无机抗菌添加剂的辐射问题才引起了重视。但科学研究已经证明，氧化锆本身并无辐射性，只是在开采中，有一种共生矿与氧化锆形影不离，很难提纯，而这种共生矿的主要成分为铪（Hf），具有放射性，因而，天然无机添加剂的辐射性问题不容忽视，而人工合成的则没有辐射安全性问题。事实上，天然矿物质原料的辐射安全性问题远不止氧化锆一种，以在一定条件下具有热电或压电效应的天然电气石作为功能性添加剂制得的功能性纤维，同样面临类似的风险[6]。

参考文献：

[1] 李会改， 万明， 王梅珍， 等. 银系抗菌纤维的研究现状[J].合成纤维， 2014：29-32.

[2] 马肃， 刘峥， 袁帅， 等. 载银剑麻抗菌纤维的制备及其抗菌性能的研究[J]. 化工新型材料， 2012，（12）：143-6.

[3] 龚文忠. 新型存储缓释抗菌纤维特征及应用技术[J]. 非织造布， 2013，（6）：76-79.

[4] 姜潜远. 卤胺类抗菌剂的合成及其抗菌纳米纤维的制备[D]. 无锡： 江南大学， 2013.

[5] 赵博. 抗菌涤纶纤维与竹浆纤维及棉纤维混纺竹节纱的开发[J].上海毛麻科技， 2014，（1）：29-32.

[6] 金瑞娣， 施磊， 尤克非，等. 载铜抗菌纤维的制备[J]. 印染， 2012，38（15）：1-3.

（作者单位：安徽省纤维检验局/国家功能纤维及纺织产品质量监督检验中心）