低温阳离子抑菌吸湿快干涤纶织物的开发与性能研究

胡云中泽 夏帅飞 祝成炎 田伟 张红霞 王国夫

摘要： 本文应用改性低温阳离子可染的十字形截面涤纶长丝与抑菌涤纶长丝开发了一种抑菌吸湿快干的多功能涤纶织物，运用十字正交法以缎纹组织制得一系列具有吸湿速干和抗菌功能的低温阳离子染料可染织物。首先采用振荡法测定织物的抑菌性能，再通过测定其芯吸高度、滴水扩散速度、吸水率、蒸发速率、透湿性等指标对其吸湿速干性能进行评价，然后运用TOPSIS算法进行综合分析。结果表明，交织面料具有优秀的抑菌性能，且十字形截面吸湿快干涤纶纬纱比例越高，织物的吸湿速干性能越佳，十字形涤纶与抑菌涤纶比例为1 ︰ 4时交织所制得的织物综合性能最优。

关键词： 抑菌;功能性织物;涤纶改性;异形涤纶;吸湿快干

中图分类号： TS101.923    文献标志码： A    文章編号： 1001-7003（2022）01-0051-07

引用页码： 011108DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2022.01.008

近年来，具有功能性的纺织品越来越受到消费者的青睐，其中应用于户外运动和贴身衣物等产品的具有吸湿快干功能的面料销售额增长迅速，具有广阔的市场前景[1]。随着消费者对服装舒适和功能性的不断追求，国内外对于多功能面料已逐渐从单一性能向高性能、多功能、低成本方向综合发展[2]。与此同时2021年新冠肺炎在国内外的肆虐，使得抑菌和病毒防护等功能的纺织品需求也出现了爆发式增长[3]。

涤纶（PET）是目前纺织行业对聚酯原料消耗量最大的工业化产品之一，其大分子排列紧密，结晶取向度高，且有断裂强度高、耐热性好及价格低廉等一系列的优点，但其也存在染色难、吸湿性差等缺陷[4]，对于其吸湿性差的特性可以采用改变截面形状的方式来改善。十字形截面聚酯纤维作为异形截面产品中的一个常见品种[5]，其在纤维纵向拥有多道沟槽，增加的空隙和通道使纤维具有良好的透气透湿性能，让纤维比表面积大幅增加，使得面料可染性能及吸湿排汗性能较普通产品均有较大的提高[6]。纺织品抑菌功能则一般可以通过接枝、共混、后整理等方法实现，其中通过在化纤母粒中掺杂抗菌母粒的共混方法较为简便，且抗菌性能较为稳定[7]。PET纤维的染色改性则一般是采用添加改性剂至第三、第四组分，通过降低其结晶结构来提高染色性能[8]，再通过改性后的PET可以在常温或低温下被阳离子染料染色，且上染性较好。本文通过正交试验法开发了一种具有持久抗菌、吸湿速干且性能优异的多功能涤纶织物，织物经纱和纬纱分别是具有吸湿速干及抑菌性的功能性涤纶长丝。通过不同交织比制成织物小样，并对其进行抗菌性和吸湿快干性能的测定，最后通过TOPSIS综合分析确定最佳工艺参数，为涤纶多功能面料的开发提供借鉴。

1 试 验

1.1 材 料

低温阳离子5.6 tex/24 f十字形截面涤纶长丝S捻向6 T/cm、低温阳离子8.3 tex/36 f十字形截面涤纶长丝、低温阳离子8.3 tex/36 f抗菌涤纶长丝（绍兴九洲化纤有限公司），织物柔软剂（阳离子型表面活性剂）、PBS溶液（磷酸缓冲盐溶液）（上海瑞楚生物科技有限公司），LB琼脂固体培养基（OKOID，自配），LB液体培养基（OKOID，自配），氯化钠（江苏强盛功能化学股份有限公司）。

1.2 设 备

AL204-IC电子天平（梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司），GSP-9270MBE隔水式恒温培养箱、BJ-CD超净台（上海博迅实业有限公司），20～200 μL/100～1 000 μL移液枪（普兰德（上海）贸易有限公司），90 mm一次性培养皿、一次性丁腈手套（艾迈柯思（上海）有限公司），HVE-50高压灭菌锅（HIRAYAMA日本平山制作所株式会社），哈式切片器、JSM-5610LV型扫描电子显微镜（日本电子株式会社），YG（B）871毛细管效应测定仪（温州市大荣纺织仪器有限公司），YG601-Ⅰ/Ⅱ型织物透湿量仪（宁波纺织仪器厂）。

1.3 织物制备

采用同种工艺制备试样，试织过程中纬纱按不同比例投纬，组织采用五枚缎纹，经密为650 根/10 cm，纬密为450 根/10 cm，为了使得织物具有较好的手感和外观效应，符合产品吸湿和抗菌应用的要求，试验选择缎纹组织。织物下机后为了消除表面覆盖的油剂和静电，采用织物柔软剂进行清洗烘干后置于标准温湿度大气环境调湿24 h备用。不同投纬比的试样编号及具体参数如表1所示。

1.4 测试方法

1.4.1 纤维的形态结构

应用哈式切片器对长丝进行切片处理，之后镀金并用扫描电子显微镜观察拍摄纤维纵向和横向截面形态结构，并计算纤维异形度。纤维异形度DR计算公式[9]如下：

DR/%=R-rR×100（1）

式中：R为纤维截面外接圆半径，单位取像素大小;r为纤维内切圆半径，单位取像素大小。

1.4.2 抑菌性能测试

抑菌性能测试依据国标GB/T 20944.3—2008《纺织品抗菌性能的评价第3部分：振荡法》执行，测试菌种为革兰氏阳性细菌金黄色葡萄球菌（ATCC25923）与革兰氏阴性细菌大肠杆菌（ATCC25922）。根据式（2）计算试样活菌浓度，并根据式（3）计算试验菌增长值F，当F≥1.5时试验有效。最后通过对照样与抗菌试样内的活菌浓度按照式（4）计算抑菌率（保留两位有效数字）。

K=Z×R（2）

F=lgWt-lgW0（3）

Y/%=Wt-QtWt×100（4）

式中：K为每个试样中的活菌浓度，CFU/mL;Z为平板菌落数平均值;R为稀释倍数;F为对照样的试验菌增长值;Y为试样的抑菌率;Wt为对照样18 h振荡培养后的活菌浓度平均值，CFU/mL;W0为对照样“0”接触时间的活菌浓度平均值，CFU/mL;Qt为试验样18 h振荡培养后的活菌浓度平均值，CFU/mL。

以抑菌率Y的数值作为试验结果，如果试验样品对于两菌种的抑菌率≥70%，则说明样品具有抗菌效果。

1.4.3 吸湿速干性能测试

吸湿速干性能测试依据国标GB/T 21655.1—2008《纺织品吸湿速干性的评定第1部分：单项组合试验法》执行，按式（5）计算总吸水率，按式（6）计算水分蒸发量，按式（7）计算蒸发速率并绘图。

A/%=m-m0m0×100（5）

Δmi=m-mi（6）

Ei/%=Δmim0×100（7）

式中：A为吸水率，%;m0为原始质量，g;m为试样滴水后质量及浸湿后质量，g;Δmi为水分蒸发量，g;mi为试样滴水后某一时刻质量，g;Ei为水分蒸发率，%。

滴水擴散时间采用精确滴管将200 μL的蒸馏水从1 cm高度滴到10 cm×10 cm的试样上，观察水滴的扩散情况，记录水滴从接触试样到完全扩散（液滴不在呈现镜面反射）所消耗时间，每个试样测试3次取平均值，结果精确到0.1 s。

液体芯吸高度目的为表征材料毛细效应，即垂直悬挂的纺织材料一端被液体浸湿时，液体通过毛细管作用，在一定时间内沿纺织材料上升的高度。测试按照FZ/T 01071—2008《纺织品毛细效应试验方法》规定执行，试样长度不小于250 mm，宽度30 mm，在温度（20±2） ℃、相对湿度为65%±3%标准大气中平衡调湿后在标准大气条件下进行试验，测量30 min时液体芯吸高度的最大值和最小值，单位为mm。

透湿量测试按照GB/T 12704—2009《纺织品织物透湿性试验方法第1部分吸湿法》方法A执行，在试样两面保持规定的温湿度条件下，测试规定时间内通过单位面积试样的水蒸气质量，每个试样测试3次取平均值，以g/（m2·h）为单位。

1.4.4 数据处理方法

对上述数据采用TOPSIS法进行综合分析。TOPSIS是一种基于多决策的统计综合分析方法，其基本原理是通过正向化标准化和权重处理后，比较所选方案在几何意义上与理想方案的距离，然后选择与理想方案最接近且与最差方案距离最远的方案为最优解[10]。

2 结果与分析

2.1 纤维形态结构

吸湿与芯吸行为在纤维层面主要是毛细压力的作用，受到纤维空隙间孔隙和纤维表面能大小的影响[11]。通过对SEM纤维截面的图像表征可以明显看出（图1），改性吸湿快干纤维具有十字形截面，以及纵向可见的明显沟槽。纤维截面异形度可以间接反映纤维沟槽深度，如表2所示。通过对图像内纤维截面的横纵向像素长度测试可以得到纤维平均异形度和截面不匀率，发现十字形截面具有较大的纵横比，且纤维异形度超过50%，表明纤维纵向比表面积和纤维圆周长较普通圆形截面具有大幅提高，而纱线中纤维的比表面积对纤维的毛细效应的影响较大[6]，这在宏观层面对织物吸湿快干性能起到了决定性的影响。抗菌涤纶长丝则为一般圆形或椭圆形截面，纵向可见细微白色凸起，与普通涤纶长丝区别不明显。

2.2 抑菌性能评价

本文共对9块试样进行抑菌性能测试，试样规格见表1，其中试样1#作为对照样不含抑菌纤维，测试结果如图2、图3及图4所示。据国标GB/T 20944.3—2008《纺织品抗菌性能的评价第3部分：振荡法》对抗菌效果的评价，首先计算了细菌在培养过程中的增长值F，均大于0.7，说明试验有效，其中抑菌率如图4所示，所有试样对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均大于70%，对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌均有显著的抑菌效果，整体试样对两种菌的抑菌率与织物中抑菌涤纶的比例呈正相关。其中金黄色葡萄球菌的抑菌效果与抑菌涤纶比例的相关率较低，这是由于菌落数较少导致的统计偏差。根据抑菌率测试结果可知，样品的抑菌率效果均符合抑菌产品标准，对于工艺参数的最终选择影响较小。

2.3 吸湿速干性能评价

织物的吸湿快干性能主要由织物滴水扩散时间、吸水率、单位时间透湿率、蒸发速率，以及单位时间芯吸高度进行表征，如图5所示。试样1#～9#中十字形吸湿快干涤纶纬纱比例递减，可见试样滴水扩散时间随十字形涤纶投纬比例减少呈显著负相关，其中试样9#平均滴水扩散时间最久，为4.9 s，1#最快，平均为2.5 s;试样吸水率则随十字形涤纶投纬比例减少而下降，呈现正相关，其中1#织物吸水率达到166%，9批试样均大于100%;透湿率则主要与织物组织结构孔隙率和材料组成有关，从图5（c）可以看出其与十字形涤纶投纬比例无显著关联;通过数据拟合可见，织物蒸发速率曲线均遵循S形曲线，呈现先慢后快再慢的过程，其中所有试样均在20 min左右接近完全蒸发，平均蒸发速率接近0.6 g/h，显著快于传统涤纶织物。试样芯吸高度测试结果如图6所示，经向30 min芯吸高度平均下限为20.2 cm，上限为20.7 cm;纬向30 min芯吸高度平均下限为18.4 cm，上限为18.9 cm。其中经向纱线均为吸湿快干十字形涤纶，纬纱投纬比例对于其芯吸速率影响较小，而纬向芯吸速率则与十字形涤纶投纬比例呈现显著正相关。随着十字形涤纶比例的减小，1#试样的纬向30 min芯吸高度最高，为19.5～20.3 cm;9#试样的纬向30 min芯吸高度最低，为17.5～18 cm。

2.4 综合性能评价

对照参考国标对吸湿快干织物和抑菌织物的性能指标[10-12]要求可发现，对于机织类产品，其中要求试样吸水率≥100%，滴水扩散时间≤3 s，芯吸高度≥100 mm，蒸发速率≥0.18 g/h，透湿量≥416 g/（m2·h）即为吸湿速干面料;抑菌率≥70%即为有抗菌效果。比较可知，上述试验结果中试样1#～9#在吸湿快干和抑菌等多项指标中均超过国标，除部分试样由于是纯涤纶材料改性，透湿性参数略低于国标要求外，同时符合吸湿快干和抑菌产品的生产工艺要求。通过TOPSIS权重算法进行综合性能分析，得出各项指标综合最优解的试样工艺参数条件，具体计算过程如下：将1#～9#试样的吸湿快干测试结果与抑菌性测试结果合并构建测试矩阵，在权重选择上选择各项元素权重一致，先进行正向化处理得到矩阵Z1，后依据式（7）对矩阵内的元素进行标准化处理得到矩阵Z2。

从而可以得到第i（i=1，2…n）个评价对象的评价得分Si=D-iD+i+D-i，依据式（8）计算所得正负理想解距离综合评价值Si及试样综合评价排序，结果如表4所示。

由表4排序结果可以得出，编号2#、3#、5#、6#排位靠前，参考上文各项指标参数可以发现，试样符合吸湿快干和抑菌的多功能要求。为了尽可能提高产品的吸湿速干性能，抑菌性均符合要求的情况下，2#试样可以确定为综合性能最优解。因此，最终最优工艺条件可以确定为采用改性低温阳离子可染的5.6 tex/24 f十字形截面涤纶长丝，纬纱采用8.3 tex/36 f低温阳离子抑菌涤纶长丝和8.3 tex/36 f低温阳离子十字形异形涤纶长丝，投纬比为1 ︰ 4，织物经密为650 根/10 cm，纬密为450 根/10 cm，组织为五枚缎纹。

3 结 论

本文开发了一种低温阳离子可染十字形吸湿速干涤纶与抑菌涤纶交织的多功能涤纶织物，试验结果显示其具有较好的吸湿速干性能及抑菌效果，能较好地改善涤纶织物透湿性透气性差、不易上染等缺陷。

1） 在吸湿速干性能方面，随着吸湿快干涤纶长丝的比例增加，织物在吸水率、芯吸高度、滴水扩散时间和蒸发速率等方面较普通涤纶产品均有较大提升，各项指标符合吸湿快干织物的使用需求。

2） 织物对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均显示出良好的抑菌效果，平均抑菌率超过80%，符合抑菌产品标准。

3） 从产品开发与市场应用角度，对各项指标运用TOPSIS算法进行综合分析，结果显示吸湿快干涤纶长丝与抑菌涤纶长丝投纬比例为1 ︰ 4的产品综合性能最优，具有较高的产品附加值，可以进行工业化生产应用。

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Abstract： As the functional textiles market expands rapidly， people’s requirements and focus on functional textiles have shifted to multi-functional， cost-effective， and high standards. Meanwhile， the continuously rampant COVID-19 epidemic has greatly increased the demands for antibacterial and antiviral functional textiles. As the most widely produced and sold artificial fibre， traditional PET fabric has some disadvantages： easy to gather static electricity， poor moisture-penetrability， and poor colourability. This study aims to develop a low temperature cationic dyeable environmentally-friendly PET fabric with bacteriostatic and fast-drying functions， and to increase the product added value， thereby meeting the ever-growing consumption needs.

A multi-functional polyester fibre with antibacterial， hydroscopic and fast-drying functions is developed using modified low-temperature cationic dyeable cross-sectional polyester filament yarn and antibacterialpolyester filament yarn. A series of low-temperature cationic dyeable fabrics with hydroscopic， quick-drying and antibacterial properties were prepared by cross orthogonal method. The cross-sectional polyester fibre as a profiled sectional product has multiple grooves longitudinally， greatly increasing its specific surface. The fibres and filament yarns have excellent breathability， moisture permeability， and dyeability. Adding antibacterial masterbatch to PET antibacterial polyester during spinning can achieve reliable antibacterial performance of the fibre layer， which has advantages of good laundering durability， easy production and excellent antibacterial property. In this study， cross-section polyester filament yarn is used as the warp yarn of the fabric. The weft yarn adopts alternative weft knitting between cross-sectional polyester filament yarn andantibacterial polyester filament yarn， with the weft knitting ratio of 1 ︰ 0， 1 ︰ 4， 1 ︰ 3， 1 ︰ 2， 1 ︰ 1， 2 ︰ 1， 3 ︰ 1 and 4 ︰ 1， respectively. The warp density is 650 ends/10 cm， and the weft density is 450 picks/10 cm. The satin weave structure is selected in the experiment for better hand feeling and appearance of the fabric， and to meet the requirements of product hydroscopic and antibacterial application. Its hydroscopic and fast-drying properties are evaluated by measuring its wicking height， dripping diffusion rate， water absorption and evaporation rate， moisture permeability etc. The oscillation method is used to determine the fabric antibacterial properties against Escherichia Coli and Staphylococcus Aureus. TOPSIS integrated algorithm is used to analyze the optimal process. The results show that the interwoven fabric has excellent bacteriostatic performance， and the antibacterial rate of all samples exceeds 70%. At the same time， the fabric has excellent moisture absorption and fast drying performance; the dripping diffusion time is less than 5 seconds， the average water absorption rate exceeds 150% and the average evaporation rate is more than 90% in 20 minutes. Besides， it is found that the higher weft yarn ration of the cross-sectional hydroscopic and fast-drying polyester， the better hydroscopic fast-drying performance of the fabric. The interwoven fabric obtained through TOPSIS algorithm method with cross-sectional polyester/antibacterial polyester proportion of 1 ︰ 4 has the optimal comprehensive performance. Experimental results show that this process can effectively solve polyester fabric disadvantages of poor moisture-penetrability， tendeny to gather static electricity， and poor colourability and add excellent bacteriostatic performance.

The alternative weft knitting between hydroscopic fast-drying polyester and antibacterial polyester， and TOPSIS comprehensive analysis method can help effectively develop multi-functional fabrics. Besides， adding other functional fibre or yarns on this basis is conductive to achieving other functions like ultraviolet protection， deodorization， skin care， etc. The research results of this study can provide a reference for the design of functional textiles.

Key words： antibacterial; functional fabric; polyester modification; profiled polyester; hydroscopic and fast-drying