PVP/ZnO 纳米颗粒的制备及其整理棉织物的染色性能及抗菌性能

白坤举

（鹤壁职业技术学院，河南鹤壁 458030）

棉织物是最常见的天然纤维织物之一，具有柔软透气、吸湿性能优良、保暖性能好等特点，用作服装面料深受人们的喜爱［1-2］。但棉织物存在活性染料染色反应不完全等问题，一方面导致染料的利用率低，另一方面也导致染料废水中活性染料的浓度较高，增加了印染废水的处理难度［3-4］。此外，由于棉织物疏松多孔、亲水性好，有利于细菌生长繁殖，不仅会存在异味，还可能通过皮肤微创伤口感染人体，危害人体健康［5-7］。聚乙烯吡咯烷酮（PVP）具有良好的溶解性、生物相容性、低毒性、高表面活性和稳定性，与其他化合物有良好的复配能力，能明显提高织物的染色性能，广泛应用于印染行业［8-9］。纳米氧化锌（ZnO）具有无毒抗菌性能，化学稳定性好，在制备功能织物方面具有广阔的应用前景［10］。

本研究以两步法制备PVP/ZnO 整理棉织物，研究了PVP/ZnO整理对棉织物活性染料染色上染率、K/S值及色牢度的影响，并探讨了PVP/ZnO 整理棉织物的抗菌性能。

1 实验

1.1 试剂与仪器

试剂：棉织物（180 g/m2，广州佛冈顺亚纺织染整有限公司），聚乙烯吡咯烷酮（分析纯，南京瑞泽化工有限公司），淀粉、柠檬酸三钠、硝酸锌、乙酸、氢氧化钠（分析纯，国药集团化学试剂有限公司），金黄色葡萄球菌、大肠杆菌（广州环凯微生物有限公司），去离子水（实验室自制）。

仪器：X′pert pro 型X 射线衍射仪（XRD），KLAS-RF 型恒温水浴锅，VERTEX 70 傅里叶红外光谱仪（FT-IR），Perkin Elmer Lambda 35 紫外-可见分光光度计（UV-Vis），FEI Nova Nano SEM 450 扫描电镜（SEM），Datacolor 650 测色配色仪，101-A2 型电热鼓风干燥箱，Y571N 型摩擦牢度仪。

1.2 PVP/ZnO 纳米颗粒的制备

将5 g 硝酸锌加入到100 mL 质量分数为2%的淀粉溶液中，持续搅拌30 min，逐滴加入5 mL 0.1 mol/L的氢氧化钠溶液，搅拌2 h 后离心过滤，用去离子水清洗3 次，在85 ℃烘箱中烘12 h，得到ZnO 纳米颗粒。将ZnO 纳米颗粒加入到100 mL PVP 溶液中，室温下搅拌1 h 并超声处理30 min，使ZnO 纳米颗粒均匀分散在溶液中。

1.3 PVP/ZnO 整理棉织物的制备

将棉织物浸没于2%的PVP 溶液中，取出后在80 ℃下干燥10 min，再在45 ℃热水中清洗两次，自然晾干。分别用活性红B-3BF、活性黄B-4RFN 和活性蓝B-2GLN 对PVP 整理棉织物和未整理棉织物进行染色，染色工艺为：染料3%，柠檬酸三钠60 g/L，碳酸钠10 g/L，浴比1∶20，pH=11，染色温度70 ℃，染色时间150 min。染色结束后清洗棉织物并用乙酸中和，随后用冷水清洗干净。将染色棉织物在PVP/ZnO 溶液中浸泡30 min，再放入轧布机中挤压，于80 ℃烘箱中干燥30 min，将烘箱升温到120 ℃保温10 min，取出后自然风干，得到PVP/ZnO 整理棉织物。

1.4 测试

上染率：利用紫外-可见分光光度计测试染色前后溶液的吸光度，计算上染率=(1-A1/A0)×100%，其中，A0、A1分别为染色前后溶液的吸光度。

K/S值：用测色配色仪测定，在棉织物的中心和边缘位置分别测试5次，取平均值。

色牢度：耐皂洗色牢度参照GB/T 3921—2008《纺织品色牢度试验耐皂洗色牢度》进行测试；耐摩擦色牢度参照GB/T 3920—2008《纺织品色牢度试验耐摩擦色牢度》进行测试；耐日晒色牢度参照GB/T 8427—2008《纺织品 色牢度试验 耐人造光色牢度：氙弧》进行测试。

抗菌性能：将棉织物裁切为2 cm×2 cm，加入到约含1×106CFU/mL 金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的培养基中，置于摇床中37 ℃培育24 h，采用十倍稀释法进行稀释，取1 mL 菌液均匀涂布在营养琼脂表面，测量活菌数量，测3 次，取平均值。抑菌率=(1-A/C)×100%，其中，C为未整理棉织物的菌落数，A为整理棉织物的菌落数。

2 结果与讨论

2.1 表征

2.1.1 FT-IR

由图1 可看出，PVP 整理棉织物在3 400 cm-1处存在宽特征峰，对应—OH 的伸缩振动，3 000～2 980 cm-1对应C—H 的伸缩振动，1 110、1 049 cm-1对应C—O—C 的伸缩振动，1 654 cm-1对应的伸缩振动，1 285 cm-1对应C—N 的伸缩振动，1 438 cm-1对应C—H 的面内和面外弯曲振动。PVP 整理棉织物结构中同时存在PVP 和棉织物的官能团，表明在PVP 和棉织物之间存在相互连接，PVP 成功附着在棉织物表面［11］。PVP/ZnO 整理棉织物的FT-IR 图谱与PVP 整理棉织物基本相同，表明添加ZnO 后，PVP 整理棉织物的结构没有发生改变。

图1 未整理棉织物(a)、PVP 整理棉织物(b)和PVP/ZnO整理棉织物(c)的FT-IR 图谱

2.1.2 XRD

由图2可以看出，ZnO 纳米颗粒的XRD 图谱在2θ=31.8°、34.5°、36.3°、47.9°、56.8°、63.4°、66.2°、67.8°和68.8°处的衍射峰分别对应(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(200)、(112)和(201)晶面，表明ZnO 纳米颗粒为六角纤锌矿结构。PVP/ZnO 纳米颗粒与ZnO 纳米颗粒的衍射峰位置基本一致，表明添加PVP 未改变ZnO 的晶体结构。以(101)晶面作为参考，利用Debye-Scherrer 公式计算得到ZnO 纳米颗粒的晶粒尺寸为29 nm。

图2 ZnO 纳米颗粒(a)和PVP/ZnO 纳米颗粒(b)的XRD 图谱

2.1.3 SEM

由图3 可知，未整理棉织物表面呈现纵向的纤维结构，无其他物质存在；PVP 整理棉织物表面存在膨胀的块状结构；PVP/ZnO 整理棉织物表面呈现杂乱的网状结构并有纳米颗粒覆盖。

图3 未整理棉织物(a)、PVP 整理棉织物(b)、PVP/ZnO整理棉织物(c)的SEM 图

2.1.4 元素分析

由图4 可以看出，PVP/ZnO 整理棉织物表面存在N、Zn、O 3 种元素，表明PVP 和ZnO 纳米颗粒成功附着在棉织物表面。

图4 PVP/ZnO 整理棉织物的EDX 图谱

2.2 棉织物的性能

2.2.1 染色性能

由表1 可看出，未整理棉织物对活性红B-3BF、活性黄B-4RFN 和活性蓝B-2GLN 的上染率分别为74.3%、72.1%和68.4%；PVP/ZnO 整理棉织物的上染率分别为85.6%、81.2%和82.4%，明显高于未整理棉织物。这是由于在染色过程中，PVP/ZnO 可以作为染料分子与棉织物之间的黏接剂，大大增加了染料分子的利用率。PVP/ZnO 整理棉织物对活性红B-3BF的上染率和K/S值高于对活性黄B-4RFN 和活性蓝B-2GLN，并且活性染料染色的PVP/ZnO 整理棉织物K/S值均高于未整理棉织物，表明PVP/ZnO 能显著提高棉织物的染色性能。

表1 PVP/ZnO 整理棉织物的上染率和K/S值

2.2.2 染色牢度

由表2 可知，PVP/ZnO 整理棉织物的耐摩擦色牢度和耐皂洗色牢度均高于未整理棉织物，耐日晒色牢度持平，说明PVP/ZnO 整理没有降低棉织物的染色牢度。

表2 PVP/ZnO 整理棉织物的染色牢度

2.2.3 抗菌性能

由表3 可知，未整理棉织物的抑菌率均为0%，表明不具有抗菌性能。PVP 整理棉织物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均表现出一定的抗菌能力，随着时间的延长，抑菌率逐渐升高，120 min 后对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率分别为56%和61%。ZnO 整理棉织物在120 min 后对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率分别为43%和38%，PVP/ZnO（5 mg/L）整理棉织物分别为78%和72%，PVP/ZnO（20 mg/L）整理棉织物在60 min 时对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均达到100%。这是由于ZnO 可以造成细胞膜损伤，从而影响细菌的生长繁殖，达到抗菌效果。ZnO整理、PVP/ZnO 整理对金黄色葡萄球菌的抗菌效果整体优于大肠杆菌，这是由两种细菌的细胞膜结构不同引起［12］。

表3 PVP/ZnO 整理棉织物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率

3 结论

以PVP 和Zn(NO3)2为原材料成功制备PVP/ZnO整理棉织物。PVP/ZnO 整理棉织物对活性红B-3BF、活性黄B-4RFN 和活性蓝B-2GLN 的上染率、K/S值均高于未整理棉织物，其中活性红B-3BF 的染色性能相对最佳，上染率为85.6%，K/S值为1.36。PVP/ZnO（20 g/L）整理棉织物的抗菌性能相对最佳，60 min后对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均达到100%。