毛织物芳香抗菌复合整理工艺及其性能研究

班 慎，陈健禹，马 超，乔 辉，魏取福，刘 科

(1.生态纺织教育部重点实验室(江南大学)，江苏 无锡 214122； 2.湖北文理学院 低维光电材料与器件湖北省重点实验室，湖北 襄阳 441053)

羊毛纤维作为一种天然的蛋白质纤维[1]，在穿着过程中常受到温度与湿度等环境因素的影响，容易寄生和传播一些细菌和真菌，对人体健康产生一定的威胁，所以需要对毛纺织品进行抗菌整理。Sadeghi等[2]通过合成含银、铜、锌微粒的壳聚糖衍生物将其在毛纱上应用，提高了羊毛的抗菌活性。近年来国内外学者致力于新型抗菌材料的开发，如石墨烯、环糊精等。同时，一些研究表明，某些芳香具有镇静和医疗保健作用[3-4]，但是单纯的利用香精把芳香整理到纺织品上存在着许多问题，香精中的有效成分化学性质不稳定，保存和使用受到很大限制[5]。所以，芳香的缓释长效是芳香整理的主要问题，利用微胶囊技术制得的芳香微胶囊得到有效开发和利用。Biswas等[6]制备的茉莉芳香微胶囊在家居装饰中发挥了重要作用。同时，多功能纺织品的研发也是近年来的研究热点，织物同时具有抗菌芳香2种功能，既满足人们需求，又提高了纺织品的附加值。

本文采用天然提取的玫瑰芳香微胶囊和抗菌整理剂对羊毛织物进行后整理，使织物具有抗菌性能和芳香效果。探究浸轧芳香整理的最佳工艺条件，并研究芳香整理羊毛织物在静置和水洗状态下的芳香持久性。同时，进一步研究了羊毛织物抗菌整理的最佳工艺条件、抗菌性能和耐水洗效果。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

芳香纳米微胶囊(SNC208)、芳香黏合剂(AF6100)、防螨抗菌整理剂(ABM)、交联剂(AF97)(上海赫特化工有限公司)；大豆蛋白胨(BR)、胰蛋白胨(BR)、酵母浸膏(BR)、氯化钠(CP)、氯化钾(AR)、磷酸氢二钠(AR)、磷酸二氢钾(AR)、吐温80(CP)以及琼脂(BR)，均为国药集团化学试剂有限公司生产。

GZX-9070MBE型电热鼓风干燥烘箱(上海博讯实业有限公司)，HH-4型数显恒温水浴锅(金坛市荣华仪器制造有限公司)，SU-1150型扫描电子显微镜(SEM，日立高新技术有限公司)，Nicolet iS10型傅里叶红外光谱仪(FT-IR，美国赛默飞世尔科技有限公司)，TA-Q500型热重分析仪(美国TA仪器公司)，P-A0型立式轧车(佛山市亚诺精密机械制造有限公司)，R-3型定型焙烘机(瑞比染色试机有限公司)。

1.2 芳香抗菌整理工艺

采用二浸二轧法对羊毛织物进行芳香抗菌整理。在常温下，将羊毛织物放入浴比为1∶10的整理液中浸泡15 min，然后用立式轧车轧1次(轧液率70%)，再在相同条件下浸泡15 min后，在同样轧液率下用轧车再轧1次，于60 ℃条件下烘干待用。

1.3 芳香抗菌羊毛织物洗涤工艺

经过芳香抗菌整理的羊毛织物水洗方法按照GB/T 12490—2014《纺织品 色牢度试验 耐家庭和商业洗涤色牢度》中试验条件BIS进行洗涤，采用ECE无磷标准洗涤剂。下面程序相当于5次洗涤：水温50 ℃，洗涤剂质量浓度0.4 g/mL，150 mL溶液，洗30 min。洗涤后取出样品在100 mL去离子水中清洗2次，每次1 min。重复此程序，直至规定的洗涤次数。

1.4 性能测试及表征

1.4.1 抗菌性测试

采用GB/T 20944.3—2008《纺织品 抗菌性能的评价 第3部分:振荡法》测试整理后羊毛织物的抗菌性能。测试菌种有大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，通过计算存活菌落数目来计算抗菌率。羊毛织物对菌种的抑菌率用R(%)表示，计算公式如下式[7]所示：

R=(1-C/F)×100%

式中：C为复合整理羊毛织物振荡接触菌液18 h后的菌液浓度，CFU/mL；F为未经整理羊毛织物振荡接触菌液18 h后的菌液浓度，CFU/mL。

1.4.2 芳香耐水洗测试

采用主观法进行评定。主观法测量是基于路易斯[8]所使用的方法做了一定调整，对静置在空气中一定时间以及经过水洗后的复合织物在24 h内经20名裁判评价芳香是否存在。

1.4.3 抗菌耐水洗测试

对经过复合整理的羊毛织物进行耐水洗测试，然后对未水洗和水洗后的羊毛织物进行抗菌性能测试，分析抑菌率的变化以及耐水洗性能。

1.4.4 羊毛纤维表面化学成分分析

测定羊毛织物芳香抗菌整理前后的红外光谱，光谱波数范围在4 000～400 cm-1之间。

1.4.5 表面形貌分析

采用扫描电子显微镜(SEM)对羊毛织物芳香抗菌整理前后的表面形貌进行观察。

1.4.6 热稳定性分析

称取10 mg左右的芳香整理、抗菌整理、芳香抗菌复合整理以及未处理羊毛织物，用热重(TGA)分析仪进行热稳定性分析，测试温度范围为25～600 ℃，升温速率为15 ℃/min，N2条件下进行，所得结果使用Origin作图软件进行分析。

2 结果与讨论

2.1 芳香整理工艺分析

在一定温度下，将羊毛织物在浴比为1∶10的溶液中浸渍一段时间，使二者充分接触，然后用立式轧车轧1次(轧液率70%)，再在相同温度下浸渍相同的时间，在相同的轧液率下再轧1次，在60 ℃条件下烘干后，焙烘1 min。采用正交试验选取芳香纳米微胶囊质量浓度、黏合剂质量浓度、整理温度、整理时间、焙烘温度为5个因素，每个因素选取4个水平。按L16(45)正交表进行试验，正交试验方案见表1，芳香整理正交试验结果见表2，方差分析见表3。

表1 芳香整理正交试验因素水平

表2 芳香整理正交试验结果

表3 芳香整理方差分析表

由表2、3可知，因素A芳香纳米微胶囊质量浓度和因素D整理时间对香味等级的影响最大，且微胶囊质量浓度在水平4和整理时间在水平3时效果最好；因素B的影响效果较小，并在水平1时效果最佳；因素C和E对芳香效果几乎无影响，综合各个因子的影响效果和显著作用，确定最佳工艺为A4B1C2D3E3，即微胶囊质量浓度80 g/L，黏合剂质量浓度20 g/L，整理温度40 ℃，整理时间40 min，焙烘温度140 ℃。

2.2 抗菌整理工艺分析

在一定温度下，将羊毛织物在浴比1∶10的溶液中浸渍一段时间，使其充分润湿，并与整理液充分接触，并在60 ℃条件下烘干。采用正交试验，选取影响抗菌效果最大的4个变量，即抗菌剂质量浓度、交联剂质量浓度、整理时间、焙烘温度为4个因素，每个因素选取3个水平，按L9(34)正交表进行试验，抗菌整理正交试验方案见表4，抗菌整理正交试验结果见表5。

表4 抗菌整理正交试验因素水平

2.3 玫瑰芳香耐水洗性能分析

芳香整理耐水洗性能测试结果见表6。可知，经过浸轧法整理的芳香羊毛织物具有良好的牢度，保香性强，留香持久。在空气中静置30天后的羊毛织物具有很浓的玫瑰芳香，水洗5次后的织物仍保留较浓的玫瑰芳香。这是因为在高温焙烘条件下，黏合剂与羊毛纤维上的氨基、羧基等活性基团发生共价结合，在羊毛织物表面形成一层薄膜[9]，黏合剂包裹着芳香微胶囊黏附在纤维表面或填充在纤维缝隙中，最终使玫瑰芳香微胶囊均匀地分布在羊毛织物上。并且羊毛织物在浸轧过程中，黏合剂分子和芳香微胶囊分子通过布朗运动扩散到织物间隙中，再在焙烘工艺下使得分子的布朗运动加剧，减小了黏合剂分子与织物表面极性基团之间的距离，使包裹芳香微胶囊粒子的黏合剂与羊毛织物之间形成非常稳定的黏接状态[10]。经浸轧法整理后的玫瑰芳香羊毛织物上的芳香微胶囊不易脱落，在自然静置状态下和水洗5次后仍具有很好的留香效果。

表5 抗菌整理正交试验结果

表6 芳香整理耐水洗性能测试 级

2.4 抗菌耐水洗性能分析

用抗菌剂质量浓度为70 g/L，交联剂质量浓度为60 g/L，整理时间为20 min，焙烘温度为150 ℃的抗菌整理工艺对羊毛织物进行整理。整理后织物的耐水洗性能测试结果见表7。可知，采用浸轧法抗菌整理后的羊毛织物对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌具有高效的抗菌效果和持久耐洗涤性。未洗涤时对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均达到99.99%，洗涤20次后对金黄色葡萄球菌抑菌率仍达到99.99%，对大肠杆菌的抑菌率也有着很强的抗菌性能，达98.80%。这是因为羊毛织物在轧焙烘的过程中，抗菌剂和交联剂分子运动加剧，有利于向纤维内部渗透、扩散[11]，使得交联剂与抗菌剂上的羟基和羊毛纤维上的羟基交联反应更充分。从而使抗菌剂与羊毛织物之间形成了牢固的连接[12]。另一方面，经过第2次浸渍和轧焙烘工艺后，使足够多的抗菌剂牢固地整理到羊毛织物表面和内部，为再一次的交联反应做准备[13]。因此大量的抗菌剂被牢固黏结在羊毛织物上，多次水洗后依然附着在羊毛表面，维持高效的抗菌性能。

表7 抗菌整理耐水洗性能测试 %

2.5 芳香抗菌羊毛织物性能分析

2.5.1 红外化学结构(FT-IR)分析

图1 整理前后羊毛织物的红外图谱

2.5.2 形貌分析(SEM)

图2为整理前后的羊毛织物SEM图。由图可知，处理前的羊毛纤维表面较光滑，鳞片较规整。而经抗菌整理及复合整理后的羊毛纤维表面变得不平整，且有一些附着物[13]，说明在轧、焙、烘条件下，抗菌剂与羊毛纤维发生了有效交联，并附着在羊毛织物表面及缝隙中。对比图2(a) (c)和 (d)可以看出，纤维鳞片表面被均匀覆盖了一层薄膜[11]，表面还有颗粒状分布。表明玫瑰芳香微胶囊通过黏合剂在纤维表面成膜并黏附在羊毛织物上。

图2 整理前后羊毛织物的SEM图(×1 000)

2.5.3 热稳定性(TGA)分析

图3为羊毛织物及整理后羊毛织物热稳定性分析曲线。可知，未处理羊毛纤维的初始裂解阶段为110～215 ℃，质量损失率约为0.8%；主要裂解阶段为215～458 ℃，质量损失率约为62.4%；残渣裂解阶段为458～605 ℃，固体残渣剩余率为5.5%。经过抗菌整理后羊毛纤维的初始裂解温度上升5 ℃，固体残渣剩余率略微减少，可能因为经抗菌整理后的羊毛织物引入了较强的化学键，使得羊毛纤维的大分子链不易断裂，从而使得抗菌整理后羊毛织物的主要裂解温度升高，热稳定性有所提高。图中玫瑰芳香整理后羊毛织物的初始裂解阶段为110～222 ℃，质量损失率约为1.6%；主要裂解阶段为220～440 ℃，质量损失率约为61%；残渣裂解阶段为440～605 ℃，固体残渣剩余率为6.6%。经复合整理后羊毛织物主要裂解温度和固体残渣剩余率变化趋势与芳香整理相同，芳香整理后羊毛织物的固体残渣剩余率升高，说明芳香微胶囊成功整理到羊毛织物上，并发生了化学交联[18]。

图3 羊毛织物及整理后羊毛织物的热稳定性曲线

3 结 论

①浸轧法对羊毛织物芳香整理的最佳工艺为：微胶囊质量浓度80 g/L，黏合剂质量浓度20 g/L，整理温度40 ℃，整理时间40 min，焙烘温度140 ℃；抗菌整理的最佳工艺为：抗菌剂质量浓度70 g/L，交联剂质量浓度60 g/L，整理时间20 min，焙烘温度150 ℃。

②经过芳香整理的羊毛织物在静置30天内没有明显变化，具有良好的静置持久性，但水洗5次后芳香浓度开始下降。经过抗菌整理的羊毛织物对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌的抑菌率高达99.99%，水洗20次后抑菌率仍然分别高达99.99%、98.80%，具有优良的抗菌和耐水洗性能。