抗菌聚酯切片及纤维的开发

梁倩倩,江 涌,刘 敏,黎永久,周元友

(四川东材科技集团股份有限公司,四川 绵阳621024)

国际上通过纺织品病菌交叉和重复感染率约为3%～17%,我国的感染率约为9.7%,纺织品已成为致病菌的重要传播介质[1-3]。受健康卫生等现代消费理念的驱动,人们迫切希望获得具有抗菌功能的纺织用品,抗菌产业在这种驱动力的作用下也将得到蓬勃发展[4]。

抗菌剂根据组成成分不同,可分为天然抗菌剂、有机抗菌剂和无机抗菌剂。其中,无机抗菌剂由于具有稳定性高、耐洗性好、细菌不易产生抗药性等优势,现已成为抗菌剂研究的重点[5-7]。抗菌纤维制备方式一般可分为共聚法、共混法和后处理法。近年来,采用含银抗菌剂以母粒共混方式熔融纺制抗菌纤维在我国取得长足进展,抑菌率可达99%以上,但纤维中的银离子在阳光照射或加热条件下很容易被还原成单质银而呈灰褐色,影响制品颜色,抗菌效果下降。同时,母粒共混方式也会导致纤维可纺性能与力学性能降低等问题,而后处理法存在不耐水洗、抗菌效果不持久的难题,共聚法制备抗菌聚酯切片及纤维已成为行业研究热点[8-9]。

选用纳米活体矿石为抗菌改性剂,采用纳米复合改性的方法原位制备抗菌聚酯切片,再经熔融纺丝制成抗菌聚酯纤维。该方法可使抗菌剂在切片中均匀分散,具有抗菌成分不易析出、抗菌效果持久、可纺性优良、制品不易变色等优势,同时有利于细旦纤维的纺制,拓宽了抗菌纤维在高性能擦拭布、医用防护、超洁静工作服以及功能吸附材料等领域的应用。

1 试验部分

1.1 试剂

精对苯二甲酸(PTA),工业品(扬州石化);乙二醇(EG),工业品(扬子石化);纳米活体矿石抗菌剂(苏州大学);三氧化二锑(Sb2O3),工业品(市售);抗氧剂、防醚化剂、调色剂、热稳定剂等(市售)。

1.2 试样制备

1.2.1 抗菌聚酯切片

在打浆釜中加入PTA、EG、催化剂、抗氧剂、防醚化剂、调色剂等助剂充分搅拌混合,按照聚酯正常酯化工艺进行酯化反应,酯化结束后加入热稳定剂与一定量的抗菌剂乙二醇分散液进行混合。缓慢建立真空至≤50 Pa,缩聚终点温度控制≤280℃,待搅拌功率达到预设值,停止搅拌,加压、放料、冷却、切粒、干燥后即得到抗菌剂含量为0.1%的抗菌聚酯切片,制备过程如图1所示。

图1 抗菌聚酯切片的合成

1.2.2 抗菌聚酯纤维

采用转鼓将抗菌聚酯切片充分干燥后熔融纺丝制得8.8 tex/48 F抗菌POY纤维,经加弹制得5.5 tex/48 F抗菌DTY纤维。转鼓干燥温度140～160℃,停留时间约10 h,切片干燥后水分≤30 mg/L,纺丝温度为260～280℃,纺丝速度为3 100 m/min。纺丝工艺过程如图2所示,纺丝工艺参数见表1。

图2 抗菌聚酯纤维纺丝工艺流程

表1 抗菌聚酯纤维的制备工艺参数

1.3 测试分析

熔点测试采用X-6显微熔点测定仪;特性黏度以苯酚和邻二氯苯混合物(重量比为3∶2)为溶剂,采用NCY自动黏度测定仪进行测定;端羧基采用容量滴定法测定;色度通过DC-P3新型全自动色差仪利用三刺激色原理测定;DSC与TG分别采用200 F3型差示扫描量热仪与209 F3型热重分析仪测定,以氮气为测试气氛,以5℃/min的升温及降温速率进行扫描;水分含量采用卤素水分仪法测定;纤维力学性能采用XL-2型纱线强伸度仪测定;纤维抗菌性能委托上海天祥质量技术服务有限公司,参考中华人民共和国纺织行业标准FZ/T 73023-2006《抗菌针织品》进行检测[10]。

2 结果与讨论

2.1 抗菌聚酯切片基本物性

利用纳米活体矿石为抗菌剂,在PTA与EG酯化反应结束后加入抗菌剂进行纳米复合改性,经缩聚反应制得质量分数为0.1%抗菌聚酯切片,抗菌剂与聚酯的相容性好,出料过程顺利,料条表面光滑且无脆化降解现象。由表2可以看出,抗菌聚酯切片缩聚时间从普通聚酯切片的150 min降低至90 min,同时特性黏度、端羧基含量及b值有所升高、L值略有降低,表明纳米活体矿石抗菌剂对聚酯聚合反应有一定的催化效果,能加快聚酯合成反应速率。

表2 抗菌聚酯切片物性指标

2.2 抗菌聚酯切片热性能分析

抗菌聚酯切片与普通聚酯切片TG谱图如图3所示,数据分析结果见表3。由图3和表3可以看出,抗菌聚酯切片99%、95%、90%、50%质量残留温度与初始分解温度较普通聚酯切片均有所提高,同时450℃残炭量提高4.7%,表明抗菌剂的加入,对聚酯切片的热稳定性能有所改善。这是由于纳米活体矿石抗菌剂在聚酯基体内均匀分散,较强的界面作用一方面束缚了高分子链的断裂分解,另一方面阻碍了聚酯切片热分解产物的渗透和扩散,从而导致抗菌聚酯切片热稳定性的提高。

图3 抗菌聚酯切片与普通聚酯切片TG图

表3 抗菌聚酯切片热性能数据

2.3 抗菌聚酯切片结晶性能分析

抗菌聚酯切片与普通聚酯切片DSC谱图如图4所示,数据分析结果见表4。由图4和表4中可以看出,抗菌聚酯切片玻璃化转变温度与熔点较普通聚酯切片有所降低,冷结晶温度略有提高,热结晶温度保持不变,结晶半峰宽明显降低,表明抗菌剂的加入,聚酯切片链段运动有所提高,高分子成核速率与晶粒生长速度基本无影响,形成的晶粒尺寸较小。这是由于纳米活体矿石抗菌剂具有异相成核作用,导致形成的晶粒尺寸减小,但由于添加量较低,对结晶性能无明显影响。

图4 抗菌聚酯切片与普通聚酯切片DSC图

表4 抗菌聚酯切片结晶性能数据

2.4 抗菌聚酯纤维的形貌

以抗菌聚酯切片熔融纺丝制得抗菌POY纤维,经加弹制得抗菌DTY纤维,纺丝过程顺利,未见飘丝现象。对抗菌纤维进行扫描电镜分析,结果如图5所示。从图5可以看出,抗菌纤维表面光滑,无毛丝。纳米活体矿石抗菌剂在纤维中呈现聚集体状态均匀分散,尺寸为纳米级至亚微米级。

图5 抗菌纤维SEM分析

2.5 抗菌聚酯纤维的力学性能

对利用抗菌聚酯切片和普通聚酯切片制备的DTY纤维力学性能进行了测试,结果见表5。可以看出,抗菌剂的加入对聚酯纤维物性无明显影响,且其条干均匀度保持聚酯纤维原有水平,有利于细旦抗菌聚酯纤维的开发。

表5 抗菌纤维力学性能数据

2.6 纤维的抗菌性能

纳米活体矿石的抑菌机理为光催化氧化,即在一定的光照条件下,纳米活体矿石价带上的电子(e-)受激发跃迁到导带留下带正电荷的空穴(H+),e-和H+与吸附在材料表面的O2、-OH及H2O等反应产生OH-、O2-。其中具有极强氧化活性OH-能够分解微生物的各种成分(如攻击细菌体细胞内的不饱和键,新产生的自由基激发链式反应,致使细菌蛋白质的多肽链断裂和糖类的解聚),从而达到杀菌效果。同时,O2-较强的还原性也起到抗菌作用,抗菌机理如图6所示。

图6 纳米活体矿石抗菌机理示意图

将抗菌聚酯纤维织成面料,并进行50次水洗处理,分别进行抗菌性能评价,结果见表6。可以看出,抗菌织物在经过水洗50次后仍可保持较好的抗菌性能,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌的抑菌率均在90%以上,超过FZ/T 73023-2006 AAA级抑菌率指标。

表6 纤维抗菌性能测试结果

3 结语

采用纳米复合改性的方法,利用纳米活体矿石抗菌剂原位制备抗菌聚酯切片,再经熔融纺丝制成抗菌聚酯纤维。结果表明,抗菌剂的加入加快了聚酯缩聚反应速率,对聚酯的热性能有所提高,对结晶性能基本无影响。纳米活体矿石抗菌剂在纤维中呈现聚集体状态均匀分散,尺寸为纳米级至亚微米级。该抗菌纤维具有良好的力学性能,洗涤50次仍可以保持很好的抗菌性能,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌的抑菌率均大于90%,超过FZ/T 73023-2006 AAA级抑菌率指标。