抗菌及抗紅外線加工對尼龍棉混紡織物數(shù)字印花色彩性及機能性的影響

王權泉,吳唯綸,王士威

(中國文化大學 工學院，臺灣 臺北 11114)

0 引 言

90年代以來,數(shù)位印花技術應用于紡織領域后,給傳統(tǒng)印花產(chǎn)業(yè)帶來較大影響。數(shù)位印花不用再經(jīng)過制版、版型的限制,并且圖像可以任意修改。數(shù)位印花是將圖片傳至計算機再輸出噴印至紡織物上,幾乎所有的高分辨率影像與漸層圖案都可噴印,將影像與圖案以更細膩、更真實的效果呈現(xiàn)在各式各樣的紡織品上。同時,數(shù)位印花亦可滿足客制化、小量、多樣的生產(chǎn)市場,且圖案或影像若妥善存放至檔案內,還可重復再現(xiàn)。數(shù)位印花相較于傳統(tǒng)印花,在制作過程中占地面積小、降低環(huán)境污染、噪音污染及耗能耗水等問題,是既環(huán)保又節(jié)能的綠色生產(chǎn),也是紡織領域的未來發(fā)展趨勢[1-5]。

迷彩在現(xiàn)代軍事領域扮演重要角色,敵方無論在日夜均不易偵測、辨識及定位部隊之裝備與行動位置。迷彩服能達到維護部隊安全及易于發(fā)動襲擊之功效。由于先進國家采用各種不同的電子偵測裝備,以可見光到近紅外線之光譜范圍掃描獲取多種不同波段的圖像目標,進而有效地偵測軍事偽裝以達到重創(chuàng)之目的,因此現(xiàn)行部隊服裝與裝備必須具有抗近紅外線效能,以防止被偵測為目標[6-10]。

部隊經(jīng)過多日訓練及在草叢中作戰(zhàn),軍事服裝在天氣潮濕、悶熱以及無法每日換洗的狀況下,可能會生長出細菌、霉菌等。因此，添加抗菌劑用來防止菌類的滋潤生長，可以避免土兵受傷感染[14]。

二氯苯氧氯酚具有抑菌作用,通過抑制脂肪酸合成中的酶防止微生物在低濃度下生長。另一方面,二氯苯氧氯酚具有殺菌作用,通過破壞細菌膜的穩(wěn)定性而直接以較高濃度殺死微生物[15]。

本文對尼龍/棉混紡織物經(jīng)過數(shù)位印花噴印后,添加抗近紅外線劑、PU樹脂、抗菌劑進行后處理加工，探討織物性能及色彩性。

1 理 論

1.1 噴墨印花理論

電壓式噴墨機臺是在噴嘴中裝上壓電材料,當壓電材料接收到噴墨信號時,壓電材料會膨脹變形,擠壓墨水使墨滴從噴頭中噴出形成微滴推出噴印在織物上[1],見圖1。

圖 1 電壓式噴墨示意圖Fig.1 Schematic diagram of voltage inkjet

1.2 CIE L*a*b*色彩空間理論

CIEL*a*b*(CIELAB)是慣常用來描述人眼可見的所有顏色的最完備的色彩模型,是 由國際照明委員會提出的。L,a和b后面的 星號(*)是全名的一部分,表示L*,a*和b*不同于L,a和b。 因為紅/綠和 黃/藍對立通道是被計算為錐狀細胞響應的，類似孟塞爾值變換的差異,CIELAB是Adams色彩值(Chromatic Value)空間。+a表示紅色,-a表示綠色,+b表示黃色,-b表示藍色,顏色的明度由L來表示。 依據(jù)色相、彩度、明度的變化,有系統(tǒng)的排列 組合成一個立體形狀之色彩結構,稱之為色立體[2-6],見圖2。

圖 2 CIE L*a*b*色度空間示意圖Fig.2 Diagram of CIE L*a*b* chromaticity space

1.3 近紅外線理論

近紅外線波長范圍約為700 nm到2 500 nm 之間, 而遮蔽近紅外線的方法主要有分為反射型遮蔽與吸收型遮蔽。 反射型遮蔽主要是改變外部發(fā)出的近紅外光的反射角度, 使得近紅外線偵測器無法接受到原光的光源而達到遮蔽的效果。 吸收型的近紅外線遮蔽主要是將向外部發(fā)散出的近紅外光以吸收的方式接受,避免光源反射出去而被偵測器接收到。 此類型的近紅外線遮蔽可以應用于國防軍事方面, 例如反偵察、 軍事偽裝等[11-13]。

1.4 抗菌理論

二氯苯氧氯酚,先是吸附于細菌細胞壁上,進而穿透細胞壁,與細胞質中的脂質、蛋白質反應,分子接近細菌膜,由二氯苯氧氯酚引起的振動分子交替鍵旋轉波動會破壞細胞膜。對膜的破壞包括增加分子脂質運動,破壞脂質鏈之間的凡德瓦爾力吸引力,增加脂質鏈運動,降低脂質黏度及脂質膜密度。隨著濃度增加到殺菌效果,細菌膜的泄漏發(fā)生,細胞內成分的損失導致細胞代謝中斷和水解酶導致細胞死亡[15]，見圖3～4。

圖 3 抗菌示意圖Fig.3 Antibacterial diagram

圖 4 二氯苯氧氯酚分子式結構圖Fig.4 Molecular structure of dichlorop- henoxychlorophenol

2 實 驗

2.1 材料

布種: 50%Nylon/50%Cotton(順麟印染股份有限公司);紅外線吸收劑:硅酸鈣(第一化工,平均粒徑51.59 μm);數(shù)位印花直噴機墨水(美國杜邦公司,崴至有限公司);前處理劑(水性，美國杜邦公司,崴至有限公司);殺菌劑(Chlorhexidine，三氯沙,學名:二氯苯氧氯酚,C12H7Cl3O2,全亞興業(yè));金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus，編號 ATC保存及研究中心);大腸桿菌(EscherichiacoliO157:H7，生物資源保存及研究中心);平面培養(yǎng)基(Plate Count Agar，22.5 g/L Merck KGaA,Darmstadt,德圖);斜面培養(yǎng)基(Nutrient Agar，23 g/L Merck KGaA,Darmstadt,德圖);培養(yǎng)液(Nutrient Broth，8 g/L Merck KGaA,Darmstadt,德圖)。

2.2 儀器

直噴機(*TexJet PLUS Advanced,Polyprint公司);計算機軟件(TexJet PLUS RIPv7,Polyprint公司);熱轉印機(E-CLAM50,崴至有限公司);壓吸機(LABTEC model:P-A0 No.9292, LABTEC);紅外線測溫熱像儀(S280,拓捷科技有限公司);無菌操作臺(CLEAN BENCH,安帥工業(yè)股份有限公司);精密電子天平(Precisa-SB220,祥泰精機);掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,JSM-6510,日本電子株式會社);直立式垂直殺菌釜(溫度控制于121 ℃,壓力為10.3 kPa(1.5 psi),祥泰精機);恒溫培養(yǎng)箱(溫度可控制于-5～50 ℃,祥泰精機);分光測色儀(X-Rite Color PREMIER8000);摩擦試驗2號型機臺(QC-319,廣錸儀器股份有限公司)。

2.3 實驗方法

實驗流程見圖5。

圖 5 實驗流程Fig.5 Experimental process

2.3.1 數(shù)位噴墨印花 (1) Adobe Photoshop cc 2017計算機軟件中進行圖型設計;(2) 將前處理劑噴印在布樣上,以熱壓機熱壓155 ℃,30 s。(3) 使用數(shù)位噴墨印花機噴印至布樣上,以熱壓機熱壓155 ℃,120 s使布樣固色。

2.3.2 實驗參數(shù) (1) 紅外線吸收劑濃度:0.1%,0.5%,1%;(2) 抗菌劑濃度:0.1%,0.5%,1%;(3) 將布樣浸漬于紅外線吸收劑經(jīng)過壓吸機及烘干定型機(80 ℃,360 s);(4) 調配PU樹脂加入超純水,按照5%,10%,15%,20%的質量分數(shù),將布樣浸泡于PU樹脂水溶液中經(jīng)過壓吸機及烘干定型機(80 ℃,360 s);(5) 將布樣浸漬于抗菌劑經(jīng)過壓吸機及烘干定型機(80 ℃,360 s)。

2.3.3 耐洗染色堅牢度試驗法 CNS1494 將布樣與附布以100 mm×40 mm規(guī)格縫合,放入鋼杯里,加入1 g肥皂粉和200 mL超純水,將鋼杯放入洗濯試驗機,于50 ℃下洗滌30 min。

2.3.4 耐磨擦色牢度試驗法 CNS1499 (1) 依據(jù)CNS1499干式摩擦: 將試片剪成22 cm×3 cm,固定于試驗臺上,施以2 N載重,在試片10 cm距離間,以往復10次/min速度作100次往復摩擦,即可評級。(2) 依據(jù)CNS1499濕式摩擦:將試片剪成22 cm×3 cm,固定于試驗臺上,摩擦用的白棉布為10 cm×10 cm且含水率達95%～100%,并施以2 N載重,在試片10 cm距離間,以往復30次/min速度作100次往復摩擦,將試片風干后即可評級。

2.3.5 抗菌率測試(改良AATCC100) (1) 將固態(tài)培養(yǎng)基于放試管中至凝固,取2～3顆菌株于斜面上畫線植菌,放置恒溫培養(yǎng)箱以35±2 ℃ 培養(yǎng)18～24 h后取出。(2) 將培植菌斜面培養(yǎng)基加入食鹽水后搖晃均勻,于斜面培養(yǎng)基中取1 mL～9 mL的液態(tài)培養(yǎng)基行系列稀釋,放置恒溫培養(yǎng)箱以35±2 ℃培養(yǎng)18～24 h后取出。(3) 樣本以2.8 cm×2.8 cm正反先照射UV光各30 min,再取樣加入9 mL食鹽水中,再取稀釋培養(yǎng)之菌液1 mL,放置恒溫培養(yǎng)箱以35±2 ℃培養(yǎng)18～24 h后取出。(4) 將培養(yǎng)好的樣品菌液取1 mL加入9 mL食鹽水中系列稀釋5次后,分別從5支試管中取0.5 mL菌液放于培養(yǎng)皿,在培養(yǎng)皿中加入15～20 mL固態(tài)培養(yǎng)基,放置恒溫培養(yǎng)箱以35±2 ℃培養(yǎng)18～24 h后取出,計算滅菌率。

(1)

2.3.6 抑菌圈測試(改良AATCC147) (1) 取菌株至10 mL液態(tài)培養(yǎng)基,放置恒溫培養(yǎng)箱以35±2 ℃培養(yǎng)18～24 h后取出。(2) 將樣本2.5 cm×5 cm正反各照UV光30 min。均勻搖晃含菌株之試管,行系列稀釋3次并取第三管(10～3),以接種環(huán)沾取菌液放于15～20 mL固態(tài)培養(yǎng)基表面上畫菌,貼上樣本放置恒溫培養(yǎng)箱以35±2 ℃培養(yǎng)18～24 h后取出。觀察樣本周圍抑菌圈現(xiàn)象。

3 結果與討論

3.1 掃描電鏡分析

圖6(a),(b),(c),(d)分別為尼龍/棉混紡織物原樣及添加不同量紅外線吸收劑的SEM圖。由圖6(a)得知，尼龍/棉混紡織物原布樣在SEM觀察下,纖維表面上并無紅外線吸收劑附著。由圖6(b)得知,后處理的尼龍/棉混紡織物經(jīng)過水洗,纖維表面上仍少許附著紅外線吸收劑,故證實本實驗前處理于水洗布樣仍具有紅外線吸收劑存在。圖6(c)、(d)得知當紅外線吸收劑隨著添加濃度越高會均勻散布在織物中。

(a)尼龍/棉混紡織物 (b)添加紅外線吸收劑 原布樣0.1%織物

(c) 添加紅外線吸收劑 (d)添加紅外線吸收劑 0.5%織物1%織物圖 6 尼龍/棉混紡織物SEM圖Fig.6 SEM of blended nylon/cotton fabric

3.2 紅外光譜分析

透過FTIR鑒定添加紅外線吸收劑其本身官能基是否產(chǎn)生變化，如圖7所示。由圖7得知，在波數(shù)1 000 cm-1～2 000 cm-1間存在明顯吸收波峰,在1 250 cm-1,1 350 cm-1,1 750 cm-1有吸收峰,由此得知紅外線吸收劑有吸收波長效果。

圖 7 紅外線吸收劑FTIR分析

3.3 熱像儀分析

圖8分別是以未添加與添加不同濃度0.1%,0.5%,1%,對尼龍/棉混紡織物經(jīng)過熱像儀測試,觀測其是否具有吸收熱源效果。在未添加的情況下(圖(8(a)),布中間是釋放熱源,顏色越接近白,溫度越高,反之,顏色越暗,溫度就越低,表示遮蔽熱能效果越好。由圖8(b),(c),(d)可得知隨著紅外線吸收劑濃度越高,布面的顏色就越暗,代表吸收溫度的效果為最良好。當吸收劑濃度調至1%時,可幾乎吸收釋放的熱源,效果為最佳。

(a) 0% (b) 0.1%

(c) 0.5% (d) 1%圖 8 不同濃度紅外線吸收劑之熱像Fig.8 Thermal image of different concentration of infrared absorbents

3.4 抗菌性分析

以革蘭氏陰陽菌作為抗菌測試菌種,采用定量測試。菌株于5 d稀釋后計算樣本菌存活百分比,結果見表1。由表1可見,添加0.5%抗菌劑，抗菌率即可達88%以上,當抗菌劑濃度添加至1%時抗菌率皆可達96%以上。而本實驗所使用的殺菌劑二氯苯氧氯酚,對于金黃色葡萄球菌(陽性菌)的抗菌率比大腸桿菌(陰性菌)更好。

表 1 殺菌劑濃度對尼龍/棉織物之抗菌性評估

3.5 抑菌性分析

測試結果見圖9。由圖9(a)得知，未添加抗菌劑,其菌落會生長至纖維表面上。圖9(b)可以看出，添加0.1%抗菌劑,其菌落無法生長至纖維表層,針對金黃色葡萄球菌及大腸桿菌皆稍有效果。隨著抗菌劑濃度提高,其抑菌圈效果愈明顯,即達到穩(wěn)定抗菌,0.5%時即有明顯抑菌圈,濃度達到1%時具有穩(wěn)定抑菌效果，見圖9(c),(d)。

(a) 0%

(b) 0.1%

(c) 0.5%

(d) 1%圖 9 不同濃度抗菌劑抑菌圈圖Fig.9 Bacteriostatic circle diagram of different concentration of antibacterial agents

3.6 不同濃度紅外線吸收劑對數(shù)位印花色彩三性比較

分別添加不同紅外線吸收劑，質量分數(shù)各0.1%,0.5%,1%，于尼龍/棉混紡織物,將其ΔL,Δa,Δb及K/S值等外觀力度節(jié)錄至表2,比較紅外線吸收劑及改變濃度對色彩值的影響。隨著濃度漸漸上升，ΔL值明顯上升,但影響度并不顯著,且Δa,Δb顯示，當濃度越高淺綠及深綠色色光偏藍綠色光,灰色偏向黃綠色光，黑色色光偏向紅藍色光,表示整體顏色都比未添加紅外線吸收劑的尼龍/棉織物布面色光還要淺。

3.7 不同濃度紅外線吸收劑對數(shù)位印花色彩三性染著影響

圖10為不同濃度紅外線吸收劑濃度對尼龍/棉混紡織物的外觀力度值。添加0.1%吸收劑后外觀力度值有明顯的下降，但是，在添加0.5%，1%吸收劑,外觀力值曲線會趨于平穩(wěn)狀態(tài)。因此，添加完紅外線吸收劑會稍微影響顏料對織物的著色率。

表 2 不同紅外線收劑濃度對尼龍/棉混紡織物之色彩值

3.8 不同濃度抗菌劑對數(shù)位印花色彩三性比較

分別添加不同濃度(質量分數(shù),下同)抗菌劑各 0.1%,0.5%,1%， 對尼龍/棉混紡織物, 將其 ΔL,Δa,Δb及外觀力度節(jié)錄至表3,比較抗菌劑及改變濃度對色彩值的影響。 隨著濃度漸漸上升ΔL值明顯上升,但影響度并不明顯。Δa,Δb顯示，當濃度越高淺綠及深綠色色光越來越偏藍綠色光,灰色偏向黃綠色光，黑色色光愈來越偏向紅藍色光,表示相較于添加紅外線吸劑及PU樹脂后整體顏色色光淺而淡。

3.9 不同濃度抗菌劑對數(shù)位印花色彩三性染著影響

圖11為不同濃度抗菌劑對尼龍/棉混紡織物的外觀力度值的影響。在添加0.1%抗菌劑后外觀力度值有明顯的下降;在添加0.5%,1%抗菌劑,外觀力度值曲線會趨于平穩(wěn)狀態(tài)。因此，添加完抗菌劑后會稍微影響顏料對織物的著色率。

圖 11 不同濃度抗菌劑對數(shù)位印花色彩三性染著之曲線圖

3.10 不同濃度樹脂對色牢度影響

采用CNS1494耐水洗染色堅牢度標準做為檢測項目,并分析各牢度級數(shù)差異，結果見表4。從表4可看出,當PU樹脂后處理濃度提高,水洗牢度中樣布的變褪色級數(shù)有明顯得提升,但并不會對污染產(chǎn)生影響。說明PU樹脂在后處理對于顏料固色是有明顯的影響,且顏料并不容易吸附于纖維中,故對于試驗附布并不會造成污染。

3.11 不同濃度樹酯對色牢度影響

本實驗是采用CNS1499干式摩擦及濕式摩擦牢度標準作為檢測項目,并分析各牢度級數(shù)差異，結果見表5。從表5中可看出,隨著PU樹脂后處理的濃度提高,干摩擦及濕摩擦級數(shù)有明顯的提升,干摩擦在樣布的變褪色牢度較濕摩擦牢度高。由于使用顏料水性墨水,測試織物上含有水份,再經(jīng)由強力摩擦,因而較容易將顏料殘留于試驗布上。

表 3 不同濃度抗菌劑對尼龍/棉混紡織物色彩值

表 4 不同濃度樹脂后處理對水洗牢度影響

表 5 不同濃度樹脂后處理對耐摩擦牢度影響

4 結 論

(1) 在原布與添加紅外線吸收劑經(jīng)由水洗后借SEM進行觀察，可以得知添加紅外線吸收劑經(jīng)由水洗后吸收劑依舊附著于尼龍/棉織物上。隨著添加比例越高，吸收劑顆粒分布均勻,隨著比例增加，其殘留顆粒在纖維中也較多,故添加1%后的水洗效果為最佳。

(2) 傅里葉紅外線光譜儀和熱像儀測試結果表明,添加紅外線吸收劑對尼龍/棉織物皆有明顯的吸收效果。光譜圖上，在近紅外線范圍內有吸收波峰的存在,熱像儀偵測下,遮蔽率隨著濃度增加逐步提升，在1%時遮蔽率最佳。

(3) 抗菌劑濃度愈高抗菌效果愈好,抗菌率最高達98.6%，且抗菌劑對金黃色葡萄球菌的效果較大腸桿菌好。從抑菌圈可明顯看出，在抗菌劑濃度1%時對金黃色葡萄球菌與大腸桿菌觀察效果最好。

(4) 分別添加紅外線吸收劑與抗菌劑后,對于尼龍/棉混紡織物,隨著濃度升高,布面顏色越淺,未添加與添加藥劑之間會稍微影響著色力,但隨著濃度增大影響不顯著。

(5) 提高后處理的PU樹脂濃度,可提升牢度級數(shù),且水洗牢度可提升2～3個級數(shù),明顯改善顏料水洗牢度問題。

鳴謝:本研究在實驗期間承蒙順麟股份有限公司及全亞興業(yè)股份有限公司提供實驗材料與儀器設備,中國文化大學閻培原同學、王律螢同學的幫助,使本研究得以順利進行,在此致予最真誠的謝意。