抗菌纳米纤维素在Lyocell/粘胶混纺纱线及织物抗菌整理应用

余晓珊， 邱婷婷， 郑迪力， 石 泰， 卢麒麟*

抗菌纳米纤维素在Lyocell/粘胶混纺纱线及织物抗菌整理应用

余晓珊1， 邱婷婷1， 郑迪力1， 石 泰2， 卢麒麟1*

（1. 闽江学院 服装与艺术工程学院，福建 福州 350108；2. 福建赛隆科技有限公司，福建 莆田 351254）

为赋予Lyocell/粘胶混纺纱线及其织物抗菌性，通过浸渍和浸轧使纱线和织物与抗菌纳米纤维素结合，制得Lyocell/粘胶混纺抗菌纱线及抗菌织物。制得的抗菌纱线及抗菌织物对金黄色葡萄球菌及大肠杆菌抑菌率均达到98%以上，通过浸轧整理的织物抗菌性能及耐洗性均优于浸渍整理的织物。抗菌整理后的织物回潮率变化不大，力学性能有所提高，纱线表面毛羽减少，抱合紧密。

抗菌整理；抗菌纳米纤维素；Lyocell/粘胶混纺纱线；日光驱动

纳米纤维素具有天然纤维素可再生、可生物降解等特性，而且纤维素来源广泛，具有低成本、可再生、无毒、无污染、易于改性等优点[1]，为形成功能性复合材料提供了可能。纳米纤维素本身有较多的羟基，自身会发生团聚现象，一般在水溶液中保存。纤维素纤维表面也有羟基，能够与纳米纤维素的羟基形成氢键而结合[2-3]。

目前Lyocell纤维的抗菌整理剂有纳米银抗菌剂、壳聚糖抗菌剂等。纳米银抗菌剂抑菌率高且杀菌速度快，但是对人体具有潜在危害，而且对环境会造成一定的污染；壳聚糖抗菌剂抑菌效果好，但是杀菌速度慢，且制备工艺复杂。本研究所采用的3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐（BTDA）是通过日光驱动，对环境无污染且杀菌速度快，且制备方法简单，不会对环境造成污染[4]。

本文将抗菌纳米纤维素用作整理剂[5-6]，该整理剂与纱线结合力好，可以提升纱线的力学性能，且活性相较于其他抗菌剂也更好，可以重复使用。通过浸渍、浸轧的方式与纤维素纤维纺织品结合，获得具有抗菌性能的抗菌纱线及抗菌织物[7-8]。并对整理工艺进行探讨，探讨了不同工艺对纤维素纤维纺织品结构和性能的影响。

1 实验

1.1 材料

抗菌纳米纤维素悬浊液（固含量：10%），实验室自制[9]；3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐（BTDA，分析纯），上海麦克林生化科技有限公司；纳米纤维素（TSOH-CNC，固含量：1.26%），实验室自制；PPA（P2O5≥85%），阿达玛斯贝塔（上海）化学试剂有限公司；Lyocell/粘胶混纺纱线，福建亿来实业有限公司。

1.2 仪器

LXC-252SC 12G电脑横编织机，江苏金龙科技股份有限公司；YG(B)086缕纱测长仪，温州市大荣纺织仪器有限公司；YG063全自动单纱强力仪，泉州市美邦仪器有限公司；YMPO-OS-42手摇小轧车，绍兴市元茂机电设备有限公司；DHG-9075A电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司自动；R-3自动定型烘干机，厦门瑞比精密机械有限公司。

1.3 抗菌纳米纤维的制备

参考文献[9]制备抗菌纳米纤维素，将纳米纤维素与3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐（BTDA）结合，以二氧六环为溶剂，聚磷酸为催化剂，制备最佳 条件为10 g纳米纤维素、0.3 g BTDA、20 mL二氧六环、0.2 g 聚磷酸（PPA）、反应温度为140℃、反应时间为240 min。反应机理如图1所示。

图1 抗菌纳米纤维素制备原理

1.4 整理工艺

1）浸渍法制备抗菌纱线

称取一定量抗菌纳米纤维素悬浊液于烧杯中，将烧杯放在50℃水浴锅中，待烧杯内温度升至50℃放入纱线浸渍60 min，带液率保持在80%，放入60℃烘箱烘干，在120℃下焙烘5 min，获得抗菌纱线。

2）织物制备

将Lyocell/粘胶混纺纱线与制得的抗菌纱线用电脑横编织织造成织物，组织图案为双罗纹，获得Lyocell/粘胶混纺针织物及抗菌针织物[10]。

3）浸轧法制备抗菌织物

称取一定量抗菌纳米纤维素悬浊液，取一定量Lyocell/粘胶混纺针织物，用小轧车浸轧，一浸一轧，轧余率80%，放入60℃烘箱烘干，在120℃下焙烘5 min，获得抗菌针织物。实验参数见表1。

表1 本文实验参数

将实验序号1-4的纱线在针织机上织造，获得实验序号3-1的抗菌针织物。

1.5 抗菌性能测试

1.5.1 原料与试剂

酵母浸粉（生物试剂）、琼脂粉（生物试剂），南京全隆生物技术有限公司；蛋白胨（生物试剂），北京奥博星生物技术有限责任公司；氯化钠（分析纯，西陇科学股份有限公司）；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（SHBCC D18030）、大肠杆菌DH5α（SHBCC D24944），上海保藏生物技术中心。

1.5.2 设备与仪器

生物安全柜（BSC-1100ⅡA3-X，山东鑫贝西生物技术有限公司）；立式压力蒸汽灭菌器（8XM-30R，上海博迅医疗生物仪器股份有限公司）；生物培养箱（JQ-SHP160，河北清洁环保科技有限公司）；恒温震荡器（THZ-98C，上海一恒科学仪器有限公司）；台式高速离心机（SIGMA 3-15，曦玛离心机（扬州）有限公司）。

1.5.3 日光驱动抗菌实验

参考GB/T 20944.3-2008《纺织品抗菌性能的评价第3部分：振荡法》进行实验。取0.75 g待测抗菌纱线、对照组纱线、抗菌织物、对照组织物，锡纸包好后放于立式压力蒸汽灭菌器进行灭菌，121℃下处理30 min，取出后放入装有金黄色葡萄球菌及大肠杆菌的广口瓶中，盖好瓶塞，置于日光下照射240 min。涂布方法是稀释涂布平板法，选择较为合适的稀释倍数进行涂布，将涂好的培养皿置于37℃的温度下恒温培养18～24 h后观察，并计算抑菌率。抑菌率计算公式见式（1）。

1.5.4 光驱动杀菌实验

称取烘干后的对照组纱线、抗菌纱线、对照组织物、抗菌织物各0.75 g，放入装有两种细菌的广口瓶中，置于日光下照射240 min，每隔60 min取广口瓶中液体进行稀释涂布，获得抗菌纱线及织物随光照时间抑菌情况。

1.5.5 耐洗性能测试

耐洗性能参考《BG/T 8629-2017纺织品试验用家庭洗涤和干燥程序》进行测试。

1.6 抗菌纱线及织物性能表征

1.6.1 纱线细度

在20℃和65%RH的条件下，用缕纱机量取一定长度的纱线，放入电子天平中称量，根据公式（2）计算纱线的细度。

式中：t为线密度，单位tex；k为纤维在公定回潮率下的重量，单位g；为纤维长度，单位m。

1.6.2 纱线回潮率

将纱线于105℃烘干后称重，再于20℃和65%RH的条件下放置48 h，进行二次称重，根据式（3）计算纱线的回潮率。

式中：为回潮率；a为纱线湿重，单位g；0为纱线干重，单位g。

1.6.3 纱线力学性能测试

在20℃、65%RH条件下，采用全自动单纱强力仪测试纱线断裂强力、断裂强度、断裂伸长率等数据。纱线夹持距离为250 mm，拉伸速率为250 mm/min，对每组纱线进行20次测量，取平均值。

1.6.4 纱线及织物微观形貌观察（SEM）

采用TM4000Plus型扫描电子显微镜对纤维表面形貌特征进行观察。

1.6.5 纱线及织物傅里叶变换红外光谱测试（FT-IR）

采用傅里叶变换红外光谱仪（IS50）对纱线及织物的结构特征进行分析。其中，纱线及织物均经烘干后，纱线扎紧成束，织物不作处理，进行制样。

1.6.6 纱线及织物热学性能测试（TG）

采用TP209F3型热重分析仪，进行纱线及织物的热性能分析。测试条件为，以N2作保护气，保护气流为20 mL/min，吹扫气为30 mL/min，以10 K/min的升温速率从20℃升温至600℃。

2 结果与讨论

2.1 纤维抗菌性能分析

2.1.1 不同工艺纤维抗菌性能分析

图2为不同制备工艺下Lyocell纤维抑菌率曲线。图3为其对应的抗菌效果图。

图2 不同制备工艺下抗菌纱线及织物抑菌率曲线

a. 金黄色葡萄球菌；b. 大肠杆菌

由图2可以看出，随着抗菌纳米纤维素悬浊液中抗菌纳米纤维素浓度的提高，浸渍之后的抗菌纱线对金黄色葡萄球菌及大肠杆菌的抑菌率在不断提高。浸渍在抗菌纳米纤维素浓度为10 g/L的抗菌纱线其抑菌率较低，对两种菌的抑菌率分别为73.3%与26.41%。这是由于其抗菌纳米纤维素浓度较低，在烘干、焙烘过程中会产生一定的损耗，且抗菌纳米纤维素附着不牢固，导致起到抗菌效果的抗菌纳米纤维素较少。故选择最佳浸渍条件的抗菌纳米纤维素悬浊液对Lyocell/粘胶混纺纱线进行浸渍获得抗菌纱线，即100 g/L浓度的抗菌纳米纤维素悬浊液。从图2中也可看出，此时抑菌率最高，对两种菌的抑菌率分别为99.81%与99.02%。后续对该抗菌纱线进行织造，获得浸渍抗菌织物，经过针织机织造后，其抑菌率基本没有减少，分别为99.27%与97.55%。

先将Lyocell/粘胶混纺纱线经相同工艺织造成织物，再经浓度为100 g/L的抗菌纳米纤维素悬浊液一浸一轧后，该浸轧抗菌织物抑菌率同浸渍抗菌织物的相比更高，对两种菌的抑菌率分别达到99.94%与99.9%。

2.1.2 光照时间对抗菌性能的影响

图4为实验序号为2-1及3-1的抗菌织物随光照时间变化的抑菌率曲线。图5为其对应的抗菌效果图。

a. 金黄色葡萄球菌；b. 大肠杆菌

由图4可以看出随着光照时间的增加，抑菌率提高，光照180 min时，浸渍与浸轧抗菌织物对金黄色葡萄球菌抑菌率同为99.58%达到最高；光照240 min，浸渍与浸轧抗菌织物对大肠杆菌抑菌率分别为98.95%和99.74%达到最高。说明浸轧后的织物抗菌性优于浸渍抗菌织物，抗菌纳米纤维素悬浊液经浸轧整理后与织物结合更加牢固。

2.1.3 耐洗性能测试

图6为抗菌纱线及织物在水洗后抑菌率的变化柱状图。

a. 金黄色葡萄球菌；b. 大肠杆菌

由图6可以看出，水洗之后，两种织物的抑菌率均有减小。水洗通过外力的作用使织物表面部分抗菌纳米纤维素被洗去，导致其抑菌率降低。浸渍抗菌织物耐水洗性较差，浸轧整理能够使抗菌纳米纤维素更为牢固地结合在织物上，水洗之后仍有较高的抗菌性[11]。

2.2 纱线基本物理性能分析

纱线细度、回潮率、力学性能数据见表2。

表2 纱线细度、回潮率、力学性能

浸渍抗菌纳米纤维素后，纱线密度提高，但回潮率未出现明显变化，由于纳米纤维素本身也是纤维素，其吸放湿性能相近，故影响不大。但随着纳米纤维素悬浊液浓度的增加，纱线的力学性能得到一定提升，但效果不太明显。当抗菌纳米纤维素浓度为100 g/L时，纱线的断裂强度、断裂伸长率达到最大值，力学性能得到一定提升。

2.3 微观形貌分析

图7为抗菌纱线与抗菌织物及对照组的SEM图。

由图7可以看出，未浸渍纳米纤维素悬浊液的纱线表面毛羽较多，但单根纤维表面光滑，而实验序号1-4的抗菌纱线毛羽较少，单根纤维表面会有抗菌纳米纤维素附着。

由图7可以看出直接由Lyocell/粘胶混纺纱线制备的织物其表面形貌与对应纱线一致，单根纤维上较为光滑。而浸渍抗菌纳米纤维素悬浊液之后的纱线制备的织物其表面同其对应的纱线一致，部分纳米纤维素吸附在其表面。经浸轧之后的抗菌织物表面附着的抗菌纳米纤维素更多，部分团聚形成薄膜状物质。

2.4 化学基团分析

图8 为未处理织物及两种抗菌织物的FT-IR图。

图8 未处理织物及两种抗菌织物的FT-IR图

由图8可知，1450 cm-1附近的吸收峰为纤维素饱和C-H弯曲振动吸收；1645 cm-1处的吸收峰为纤维素结构中H-O-H的伸缩振动，主要原因是纤维素吸水造成的；2900 cm-1和2865 cm-1两处的吸收峰为纤维素结构中C-H伸缩振动吸收；3340 cm-1附近为-OH的吸收峰，纤维素有较多羟基，浸渍与浸轧后的抗菌织物由于表面附着纳米纤维素，而纳米纤维素尺寸相较普通纤维素尺寸变小，比表面积变大，其表面所暴露出来的羟基更多，而且该处的峰强度也变高，并发生一定位移[12]。

2.5 织物热学性能分析

图9 为未处理纱线及两种抗菌织物的TG图。

图9 未处理纱线及两种抗菌织物的TG图

由图9 可以看出，三者在0～100℃出现较小的质量损失，主要原因是纱线及织物结构中水分的挥发。Lyocell/粘胶混纺纱线其本质仍是纤维素，温度继续上升至280℃后失重明显，主要原因仍是纤维素链断裂，生成其他物质导致。在温度达到370℃后，失重较为平缓，主要原因是纤维素断裂生成的葡萄糖继续分解导致。温度继续升高其失重基本不变，剩余为残炭，质量残余26.5%。由于抗菌纳米纤维素本身与Lyocell/粘胶混纺纱线本质相似，均为纤维素，其热学性能接近，但浸渍、浸轧后的抗菌纳米纤维素含量仍然较少，在TG图中未能发现更为明显的区别。

3 结论

通过浸渍抗菌纳米纤维素悬浊液获得具有抗菌性能的Lyocell/粘胶混纺纱线，并通过针织机对未处理的纱线和抗菌纱线进行织造分别获得双罗纹组织的普通织物与浸渍抗菌织物。将普通织物浸轧后获得浸轧抗菌织物。

1）浸渍后的纱线相比于未处理的纱线，回潮率变化不大，力学性能有所提高，浸渍后纱线表面毛羽减少，抱合紧密。

2）随着抗菌纳米纤维素浓度的提高，浸渍整理的抗菌纱线抗菌性能提高。通过浸轧抗菌纳米纤维素悬浊液的织物抗菌性能相较于浸渍处理的织物抗菌性能更好，且经过水洗之后抗菌性影响较小。

[1] 宿晓天, 陈继飞, 陈文刚. 纳米纤维素制备及定向排列研究进展[J]. 功能材料, 2023, 54(8): 8014-8024.

[2] 卢麒麟, 胡阳, 游惠娟, 等. 纳米纤维素研究进展[J]. 广州化工, 2013, 41(20): 1-3, 6.

[3] 于亚童, 王晓映, 王文波, 等. 氨基纳米纤维素的制备及其抗菌应用研究进展[J]. 中国造纸, 2021, 40(11): 118-125.

[4] 杨茜茜, 马维. 纤维素基抗菌复合薄膜的研究进展[J]. 辽宁丝绸, 2023(4): 13-14.

[5] 刘鹏涛, 王聪, 栾云浩, 等. 纳米纤维素结合银纳米粒子用于抗菌材料的研究进展[J]. 天津科技大学学报, 2021, 36(6): 60-66.

[6] 邓智成. 棉织物抗菌整理工艺优化及抗菌除臭研究[D]. 无锡: 江南大学, 2023.

[7] 贾芳, 张得昆. 非织造口罩的抗菌性后整理及测试[J]. 轻纺工业与技术, 2015, 44(2): 12-13, 11.

[8] 王玉辉, 孟家光. 纳米抗菌织物的杀菌机理及制备方法[J]. 针织工业, 2005(6): 56-58, 67.

[9] 石泰, 卢麒麟, 李永贵, 等. 日光驱动抗菌纳米纤维素的制备与性能研究[J]. 纤维素科学与技术, 2023, 31(1): 42-49.

[10] 李宽绪. 弹性化纤针织物的抗菌整理[J]. 染整技术, 2022, 44(6): 34-36, 42.

[11] 张勇. 氧化石墨烯-壳聚糖改性棉非织造布的抗菌性能[J]. 上海纺织科技, 2021, 49(3): 30-33.

[12] 班慎, 陈健禹, 马超, 等. 毛织物芳香抗菌复合整理工艺及其性能研究[J]. 毛纺科技, 2020, 48(12): 18-23.

Antibacterial Nanocellulose in Lyocell/Viscose Blended Spinning

YU Xiaoshan1, QIU Tingting1, ZHENG Dili1, SHI Tai2, LU Qilin1*

（1. Clothiing and Design Faculty, Minjiang University, Fuzhou 350108, China; 2. Fujian Sailong Technology Co., Ltd., Putian 351254, China）

In order to endow Lyocell/Viscose blended yarns and fabrics with antibacterial properties, Lyocell/Viscose blended antibacterial yarns and fabrics were prepared by impregnating and padding the yarns and fabrics with antibacterial nanocellulose. The antibacterial rate of the prepared antibacterial yarn and antibacterial fabric against Staphylococcus aureus and Escherichia coli reached more than 98%. The antibacterial properties and washing resistance of the fabric treated by padding were better than those of the fabric treated by dipping. The moisture regain of the fabric after antibacterial finishing did not change much, the mechanical properties were improved, the hairiness on the yarn surface was reduced, and the cohesion was tight.

antibacterial finishing; antibacterial nanocellulose; Lyocell/viscose blended yarn; sunlight drive

2023-10-30

福建省科技创新重点项目（高校类）（2021G02011）；福建省自然科学基金面上项目（2021J011034）；国家自然科学基金项目（32301529）；闽江学院引进人才项目（MJY18010）。

余晓珊（2002～），女，本科生；研究方向：纳米纤维素功能材料。

卢麒麟（1989～），男，副教授；研究方向：生物质纤维功能材料。qilinlu@mju.edu.cn

TS195.5

A

1004-8405(2023)04-0007-06

10.16561/j.cnki.xws.2023.04.05