靜電紡抗菌聚丙烯腈納米纖維膜制備及其性能

黃程博， 任學(xué)宏

(江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 無錫 214122)

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平顯著提高，但仍不可忽視當前突出的健康問題；環(huán)境中存在的大量細菌可對人體健康造成危害，因此，抑制細菌在材料表面的生長，對抗菌材料的研究以及人類健康具有重要意義[1]。目前抗菌材料有季銨鹽、金屬離子和金屬氧化物，在各種抗菌劑中鹵胺化合物由于其優(yōu)良的生物殺菌性和耐久性而引起了廣泛的關(guān)注，且鹵胺化合物對多種細菌均具有抗菌殺菌效果[2-3]，已被廣泛應(yīng)用于生物殺菌涂料、紡織、水過濾等領(lǐng)域。

納米材料由于具有比表面積大，直徑小的特點而吸引了越來越多的學(xué)者將其應(yīng)用到不同的領(lǐng)域[4-5]。靜電紡絲是制備納米級纖維的一種簡單而有效的方法[6]，通過靜電紡絲技術(shù)得到的纖維具有多種優(yōu)點，如直徑大，比表面積大、多孔結(jié)構(gòu)等，因此將抗菌劑引入到靜電紡納米纖維中具有巨大的潛力和實際應(yīng)用價值[7-8]。聚丙烯腈因其官能團不活潑，且在正常條件下不易發(fā)生氧化反應(yīng)，耐酸堿腐蝕，對一般試劑具有化學(xué)惰性，所以是靜電紡絲常用的基材[9-10]。目前，靜電紡聚丙烯腈纖維膜已被用于吸附染料、氣液過濾方面[11-12]。而用于抗菌材料時，通過聚丙烯腈和小分子化合物共混獲得抗菌性，這種材料存在抗菌性不穩(wěn)定、易分解等缺點[13]。

為此，本文首先采用海因單體3-(4’-乙烯芐基)-5，5-二甲基海因 (VBDMH)與甲基丙烯酸甲酯(MMA)合成一種抗菌型鹵胺高分子，然后將其與聚丙烯腈進行共混，通過靜電紡絲制備穩(wěn)定高效的抗菌性納米纖維膜，并對其結(jié)構(gòu)和性能進行研究。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

聚丙烯腈(PAN，相對分子質(zhì)量為15 000)、海因(DMH)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、過硫酸鉀、乙醇、甲醇、次氯酸鈉、淀粉、稀硫酸(國藥集團化學(xué)試劑有限公司)； N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、4-氯甲基苯乙烯(西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司)；氫氧化鉀(KOH)、碘化鉀(KI)、硫代硫酸鈉(上海Aladdin科技股份有限公司)；磷酸鹽緩沖液、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌(美國奧本大學(xué))。

INOVA-400型核磁共振儀，美國Varian技術(shù)有限公司；TM3030型掃描電子顯微鏡，日立高新技術(shù)公司；vario MICRO cube型元素分析儀，德國 Elementar 貿(mào)易有限公司；NICOLET iS10型傅里葉變換紅外光譜測試儀，美國賽默飛世爾科技(中國)有限公司；JY-150Y型超聲細胞粉碎機，上海秉越電子儀器有限公司；IKA RV 10型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，德國IKA科技有限公司；DF-1CD型數(shù)顯恒溫磁力攪拌油浴鍋，常州金壇億能實驗儀器廠。

1.2 鹵胺前驅(qū)體納米顆粒的合成

根據(jù)文獻[14]合成VBDMH粉末，具體實驗步驟為：首先將5.28 g KOH溶解在乙醇溶液中，隨后將12.8 g的DMH溶入KOH的乙醇溶液中；同時在圓底燒瓶中稱取45 mL甲醇溶液，將15.27 g的4-氯甲基苯乙烯在通風條件下快速加入到燒瓶中，攪拌至充分溶解；然后將上述2種溶液混合均勻，置于60 ℃數(shù)顯恒溫磁力攪拌油浴鍋中，持續(xù)勻速攪拌10 h。待溶液冷卻后對其進行旋轉(zhuǎn)、蒸發(fā)，通過重結(jié)晶提取較為純凈的VBDMH粉末。

為得到均勻的MMA和VBDMH混合溶液，將MMA和VBDMH依次加入到80 mL去離子水中，然后置于超聲細胞粉碎機中。為避免混合液在振蕩分散過程中溫度過高，將其放置在冰水裝置中，然后持續(xù)超聲10 min，直至得到均勻分布的MMA和VBDMH混合溶液。之后將混合溶液加熱至75 ℃，同時將0.05 g的過硫酸鉀溶解在20 mL去離子水中，然后逐滴加入MMA和VBDMH混合液中，在N2保護條件下反應(yīng)6 h得到含有鹵胺高分子前驅(qū)體的液體。最后通過離心、提純得到鹵胺高分子前驅(qū)體納米顆粒。鹵胺高分子共聚物用Px(x=10∶90，20∶80，30∶70，40∶60)表示，P10∶90即代表聚合前VBDMH與MMA的量比為10∶90時所形成的聚合物。

1.3 抗菌PAN納米纖維膜的制備

稱取1.6 g的PAN固體粉末，將其加入到20 mL的DMF溶液中，在25 ℃條件下快速攪拌直至紡絲液澄清透明。然后將質(zhì)量分數(shù)為8%的鹵胺高分子前驅(qū)體加入到上述紡絲液中，勻速攪拌至高分子完全溶解進行靜電紡絲，制備出PAN納米纖維膜。紡絲過程中，調(diào)節(jié)紡絲電壓為15 kV，噴射距離為15 cm。

1.4 納米纖維膜的氯化

首先制備質(zhì)量分數(shù)為10%的次氯酸鈉溶液，并用稀硫酸溶液調(diào)至pH值為7備用；將1.3節(jié)制備的納米纖維膜浸沒到上述次氯酸鈉溶液中，氯化1 h后，用大量的去離子水對納米纖維膜表面進行沖洗，去除纖維間殘留的自由氯離子；然后將納米纖維膜放入45 ℃真空干燥箱中1 h后取出待用，以去除表面殘留氯離子。

1.5 納米纖維膜的含氯量測試

為測定納米纖維膜的含氯量，采用碘化/硫代硫酸鹽滴定法。具體操作步驟為：稱取1 g淀粉并加入100 mL去離子水，在高溫條件下配置成澄清透明的淀粉溶液，最后冷卻至常溫備用；再用少量去離子水潤濕0.05 g氯化后的納米纖維膜，然后加入KI并滴加少量淀粉溶液，快速攪拌使KI完全溶解，抗菌納米纖維膜被滲透，觀察其表面和溶液顏色變化。為避免溶液發(fā)生氧化，整個過程需要在密封條件下進行。顯色完成后，用硫代硫酸鈉溶液進行滴定，待溶液顏色完全消失，記錄所用的硫代硫酸鈉溶液的體積，并計算納米纖維膜的含氯量，其計算公式為

式中：m為抗菌納米纖維膜的質(zhì)量，g；V為用于滴定抗菌納米纖維膜的硫代硫酸鹽標準液的體積，L；N為硫代硫酸鹽的標準液的濃度，mol/L；C為抗菌纖維膜中氧化態(tài)氯的質(zhì)量分數(shù)，%；35.45為氯原子的相對原子質(zhì)量。

1.6 納米纖維膜的微觀形貌和結(jié)構(gòu)測試

采用掃描電子顯微鏡觀察納米纖維膜表面的納米顆粒和納米纖維；并利用拍攝的電鏡照片進行納米纖維直徑分析。

采用傅里葉變換紅外光譜儀對納米纖維及鹵胺高分子前驅(qū)體的官能團進行表征。實驗前先將試樣在30 ℃烘箱中烘燥12 h，然后在室溫條件下，采集4 000～500 cm-1之間的納米纖維膜的紅外特征峰。

采用核磁共振譜儀(1H NMR)對鹵胺聚合物分子結(jié)構(gòu)進行進一步表征，實驗時以氘代試劑(CD3COCD3)為溶劑，參比物為四甲基硅烷。

1.7 表面元素組成測試

取2～5 mg的鹵胺高分子前驅(qū)體在元素分析儀上對C、H、N、O等元素含量進行測試。

1.8 接觸性抗菌測試

根據(jù)AATCC 100—2012《抗菌紡織品的評價方法》，分別檢測氯化前后抗菌性納米纖維膜對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺菌抑菌效果。制備大小(尺寸為2.54 cm×2.54 cm)厚度相同的對照樣和抗菌樣若干個，以及pH值為7的100 μmol/L磷酸鹽緩沖液。分別將金黃色葡萄球菌和大腸桿菌懸浮于緩沖液中，配制成一定濃度的細菌懸浮液(每個實驗樣品約有106個CFU細菌)。然后將25 μL細菌懸浮液滴加到氯化前后抗菌納米纖維膜的正中心，滴加完成后，采用“三明治”夾層接觸試驗法在樣品表面再覆蓋1層相同的樣品，確保其與細菌能有良好的接觸，實驗在無菌環(huán)境中進行。達到抗菌接觸時間后，為中和樣品的殘留氯，用5.0 mL濃度為0.02 mol/L的硫代硫酸鈉溶液對實驗樣品進行淬火處理，并在離心管中高速振蕩2 min，從而終止殺菌作用，然后對菌液進行多次稀釋。在37 ℃條件下，將稀釋液在營養(yǎng)基中接種培養(yǎng)24 h，使菌落快速生長繁殖。最后用細菌菌落計數(shù)法計算樣品中細菌的數(shù)量，分析樣品的抗菌效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 鹵胺高分子前驅(qū)體的微觀形貌分析

圖1為乳液聚合并提純后的鹵胺高分子前驅(qū)體納米微球的掃描電子顯微鏡(SEM)照片?？芍弘m然VBDMH與MMA的聚合比例不同，但聚合形成的納米顆粒表面形貌大致相同；隨著VBDMH的聚合比例增加，鹵胺高分子前驅(qū)體P20∶80到P40∶60的表面形貌均勻，納米顆粒直徑有略微增大的趨勢。

圖1 不同反應(yīng)比例下鹵胺高分子前驅(qū)體的SEM照片(×10 000)Fig.1 SEM images of nanoparticles prepared at different reaction proportions(×10 000)

綜上所述，通過乳液聚合獲得的納米顆粒，其表面光滑，直徑分布均勻，且納米顆粒的離散度低。同時，通過探討VBDMH的聚合比例對共聚物納米顆粒影響可看出，VBDMH初始濃度的增加對顆粒的大小影響不大。

2.2 鹵胺高分子前驅(qū)體的元素分析

表1示出不同聚合比例下鹵胺高分子前驅(qū)體的元素分析結(jié)果?？梢钥闯?，當VBDMH與MMA的量比為10∶90時，P10∶90中元素C和N的含量分別為61.16%和4.9%，隨著物質(zhì)的量比逐漸增大，反應(yīng)結(jié)束后共聚物單體的量比n∶m(n∶m為反應(yīng)結(jié)束后共聚物中VBDMH和MMA的量比)也逐漸增大；當VBDMH與MMA初始量比為30∶70時，共聚物中VBDMH的量呈穩(wěn)定增加的趨勢。這是由于在反應(yīng)中VBDMH成分越多，VBDMH的反應(yīng)活性就越高。當VBDMH與MMA的聚合比例為40∶60時，共聚物單體的量比最大。

表1 不同比例的鹵胺高分子前驅(qū)體中的元素比例Tab.1 Proportion of elements in nanopolymers of different proportions

2.3 鹵胺高分子前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)分析

圖2為VBDMH與MMA乳液聚合生成的鹵胺高分子前驅(qū)體的化學(xué)式及核磁譜圖。

圖2 鹵胺高分子前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)式和核磁譜圖Fig.2 Structure formula(a)and 1H NMR(b)of poly(VBDMH-co-MMA) nanoparticles

2.4 PAN抗菌納米纖維膜的表面形貌

圖3為氯化前后抗菌性納米纖維的SEM照片。從圖3(a)中可觀察到，氯化前納米纖維表面沒有凹凸不平的現(xiàn)象，且沒有形成珠結(jié)，直徑尺寸分布均勻，這說明鹵胺高分子前驅(qū)體能夠很好地溶解在DMF溶液中。從圖3(b)觀察到納米纖維表面沒有明顯變化，纖維取向隨機、均勻相互交聯(lián)?？傊u胺高分子前驅(qū)體能夠溶解在DMF溶液中，高分子前驅(qū)體的添加對于靜電紡絲過程和納米纖維膜的形成沒有產(chǎn)生直觀的影響。

圖3 氯化前后納米纖維的SEM照片(×5 000)Fig.3 SEM images of nanofibers before (a) and after (b) chlorination(×5 000)

2.5 PAN抗菌納米纖維膜的抗菌性能

氯化前后PAN抗菌納米纖維膜的抗菌結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯然暗募{米纖維膜與氯化后的抗菌納米纖維膜對2種細菌的殺菌、抑菌效果不同。從氯化前的纖維膜的抗菌結(jié)果看出，在接觸時間30 min后，2種細菌的數(shù)量依然會減少很多。這是因為靜電紡納米纖維具有比表面積大的特點，且纖維與纖維相互交錯，有利于細菌的附著，所以會有一部分細菌依附在纖維表面存活。從氯化后的納米纖維膜的殺菌結(jié)果看出，在接觸1 min后，抗菌納米纖維對接種的細菌有明顯的抑制作用；隨著接觸時間的延長，殺菌率逐漸升高，在30 min內(nèi)可使大腸桿菌和金黃色葡萄球菌2類細菌失活，相對于原膜抗菌性提高20%～50%，抗菌性較好。

表2 納米纖維膜的抗菌效果Tab.2 Antibacterial effect of nanofibers

3 結(jié) 論

本文通過乳液聚合獲得的鹵胺高分子前驅(qū)體，當VBDMH與MMA的初始量比為40∶60時，單體聚合反應(yīng)活性最好，制備的鹵胺高分子前驅(qū)體具有光滑的表面，且直徑分布均勻，離散度相對較低。鹵胺前驅(qū)體的添加對聚丙烯腈納米纖維膜的形成沒有較大的影響，抗菌納米纖維膜具有光滑的表面，且纖維直徑均勻分布。經(jīng)過氯化后的抗菌納米纖維膜在30 min內(nèi)可使接觸的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌2類細菌失活，相對于原膜抗菌性提高20%～50%，抗菌性較好。

FZXB