抗菌纖維素纖維的制備及性能研究

張勁松，許夢玉，李 娜，周 勇，吳德群，2

(1.東華大學 紡織學院，上海201620；2.東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海201620)

纖維素是自然界儲量最為豐富的一種天然高分子資源，它具有聚合度高、分子取向性好、化學穩(wěn)定性較強等特點。本課題主要采用萊賽爾纖維進行研究。萊賽爾纖維是一種綠色的紡織服裝面料，它不僅具有天然纖維棉花所具有的舒適性、手感好、易染色等特點，還具有傳統(tǒng)粘膠纖維所不具備的環(huán)保優(yōu)點[1～2]。但紡織品本身為疏松多孔的結構，人體分泌的汗液及油脂極易粘附在紡織品的表面，而纖維素纖維親水性好，從而使得纖維素織物更易成為細菌繁殖和生長的溫床。細菌在紡織品上繁殖并可能通過人體皮膚、呼吸道、消化道等對人體的健康造成危害。同時，大量細菌和霉菌的繁殖也會使得紡織品表面產生菌斑，形成黑色或黃色的斑點，嚴重損害紡織品的美感。

紡織品所使用的抗菌劑應該要滿足以下需求:(1)具有良好的抗菌效果；(2)織物進行多次洗滌后仍具有良好的抗菌能力；(3)抗菌劑不會影響紡織品的機械強度、顏色、光澤等其他物理化學性質；(4)抗菌劑不能對人體本身造成傷害；(5)抗菌劑可以與其他整理劑配合使用，即不影響紡織品的其他后整理過程；(6)抗菌劑最好能夠成本低廉、工藝簡單。根據抗菌劑的化學組成可以將抗菌劑分為無機抗菌劑和有機抗菌劑兩種。常見的無機抗菌劑一般為Ag＋、Zn2＋、Cu2＋等金屬陽離子的無機化合物或金屬納米顆粒。無機抗菌劑具有良好耐熱性、作用周期長、不易產生抗藥性等優(yōu)點[3]。但Ag NPs也在面臨著環(huán)境和人類健康問題，游離的納米銀離子可能會引起紫癜，同時對人的內臟呼吸道等產生一定損傷[4]。有機抗菌劑一般是通過氧化作用、靜電吸附作用和長烷基鏈對細胞膜的作用中的一種或幾種來殺死細菌。季銨鹽是兩性表面活性劑，其抗菌作用主要是通過靜電吸附作用，將細菌吸入其內部空隙中，造成細菌生物膜起皺，同時其長鏈烷基也可以刺入細菌體內，此外季銨鹽還具有影響DNA轉錄的功能[5－7]。因此，采用季銨鹽類的抗菌劑可以賦予織物抗菌性能，滿足人體健康要求。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

萊賽爾纖維(38mm，1.33dtex)、無水乙醇(99.7%，國藥集團化學試劑有限公司)、十二烷基二甲基叔胺(97%，上海泰坦科技有限公司)、3－氯－1－丙醇(98%，上海泰坦科技股份有限公司)、乙酸乙酯(99.5%，上海泰坦科技股份有限公司)、三羥甲基丙烷－三[3－(2－甲基氮丙啶基)丙酸酯](95%，上海麥克林生化科技有限公司)、N－甲基嗎啉－N－氧化物50%水溶液(NMMO，國藥集團化學試劑有限公司)、二甲基亞砜(NMSO，99.5%，國藥集團化學試劑有限公司)。

1.2 抗菌劑的制備

將10mL的十二烷基二甲基叔胺和2.8mL的3－氯－1－丙醇(摩爾比1.1∶1)投入到三口燒瓶中，并加入50mL的乙醇作為溶劑在80℃下反應20h[8]。反應結束后通過旋轉蒸發(fā)儀除去溶劑，待產物冷卻后，若產物仍為液體，則在110℃下減壓蒸餾除去未反應的3－氯－1－丙醇，待產物冷卻后得到固體。在產物中加入少量乙醇使其溶解，再加入乙醚或乙酸乙酯進行重結晶，得到白色固體產物。

圖1 抗菌劑的合成路線

1.3 抗菌抗原纖化纖維素纖維的制備

采用去離子水配置10g/L的三羥甲基丙烷—三[3－(2－甲基氮丙啶基)丙酸酯]溶液，再加入2g萊賽爾纖維，在60℃下反應3分鐘后[9]，再加入制備的季銨醇抗菌劑，反應3分鐘后，烘干后得到抗菌纖維素纖維。

圖2 抗菌纖維素纖維的制備

1.4 結構與性能測試

1.4.1 化學結構

采用Antaris II傅立葉變換近紅外光譜儀(賽默飛)、AVANCE IIITM HD 600MHz全數(shù)字化核磁共振譜儀(Bruker)和UPLC G2－XS Qtof高分辨質譜(Waters)對化學結構進行表征。

1.4.2 接枝率的表征

通過質量變化來表征纖維的接枝率。為表征抗菌劑是否成功接枝到纖維素纖維上，可以采用XPS來檢測氯原子是否存在。但為了排除抗菌劑物理吸附在纖維素纖維上的影響，采用經20mg的QAS12－OH和10g/L的三羥甲基丙烷－三[3－(2－甲基氮丙啶基)丙酸酯]溶液改性的萊賽爾纖維加入至100mL的50%NMMO水溶液中，再通過減壓蒸餾使溶液含水率約為13%～20%后，在85℃持續(xù)加熱攪拌4h，得到濃稠的液體，然后再加入NMSO調節(jié)液體的粘度，待其能夠自由流動后，進行過濾，再向溶液中加入乙醇水溶液，此時液體中出現(xiàn)纖維素凝膠，再將凝膠烘干后得到樣品。由于在制備過程中的十二烷基二甲基叔胺、QAS12－OH和三羥甲基丙烷－三[3－(2－甲基氮丙啶基)丙酸酯]均可以溶解在水、乙醇或NMSO中，因此存在少量的雜質溶在溶劑中而被除去。

1.4.3 最小抑菌濃度

最低抑菌濃度(MIC)是指在體外培養(yǎng)細菌18至24小時后能抑制培養(yǎng)基內病原菌生長的最低藥物濃度，是測量抗菌藥物的抗菌活性大小的一個指標。配制2560μg/mL的季銨醇抗菌液，取九支試管在第一只試管中加入1.6 mL的肉湯，在其余每只試管中分別加入1mL的肉湯。從配制的抗菌液中吸取0.4 mL加入1.6 mL肉湯的試管中，再從該試管中吸取1 mL加入第二只試管，再從第二只試管中吸取1 mL加入第三只試管，以此類推稀釋至第七支試管，并從第七支試管中的吸取1mL丟棄，在第八只試管中加入1mL肉湯，在第九只試管中加入2mL肉湯。將試管滅菌后，向編號1－8的試管中加入1mL的菌液，因此1－7的試管抗菌液濃度分別為256μg/mL、128μg/mL、64μg/mL、32μg/mL、16μg/mL、8μg/mL、4μg/mL，第八只試管作為對照組，第九支試管作為空白組，將9支試管培養(yǎng)24小時后采用酶標儀測試光密度(OD)。菌液采用大腸桿菌和金黃色葡萄球菌?？咕鷦┛咕视嬎愎饺缦?

1.4.4 抗菌劑抗菌率定量測試

將培養(yǎng)好的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在PBS緩沖液中稀釋，使細菌濃度約為(1～5)×108cfu/mL，再分別吸取0.5 mL的菌液加入6支4.5 mL的PBS緩沖液中，在其中3支試管中加入1mg的抗菌劑，此時抗菌劑濃度為200μg/mL，恒溫震蕩培養(yǎng)24h。分別從每只試管中取0.5 mL的菌液，加入裝有4.5 mL的PBS緩沖液的試管中，震蕩后在從該試管中吸取0.5 mL加入裝有4.5 mL的PBS緩沖液的試管中，以此類推稀釋七次，然后再從每只試管吸取0.5 mL加入15 mL瓊脂培養(yǎng)皿中，每只試管制作3個培養(yǎng)皿，培養(yǎng)24h后，數(shù)出菌落數(shù)。菌落形成單位(cfu/mL)及抗菌率的計算方法如下:

1.4.5 抗菌纖維素纖維的抗菌性能測試

本文中所采用的的抗菌方法主要依據GB/T 20944.3－2008并稍作改變。其具體步驟為:依據標準規(guī)定方法配制菌液及瓊脂培養(yǎng)基，將培養(yǎng)的細菌稀釋至3CFU/mL～4×105CFU/mL。將0.75g的改性和未改性的纖維加入至錐形瓶中，并在錐形瓶中加入70mg的PBS緩沖液，然后加入5mL稀釋過后的細菌培養(yǎng)液，在恒溫振蕩器中培養(yǎng)24h。之后再將錐形瓶中的菌液連續(xù)稀釋7次，每次的稀釋倍數(shù)為10，然后再從每次稀釋的菌液中吸取1mL的菌液加入瓊脂培養(yǎng)皿中，并加入15mL的瓊脂并搖勻，待其凝固后放入生物恒溫箱中培養(yǎng)18h～24h。然后對瓊脂板上的菌落進行計數(shù)，并計算抗菌性能。

1.4.6 機械性能測試

采用單纖維強力儀測量纖維的機械性能，以比較纖維改性后機械性能的變化。纖維夾持距離為20mm，拉伸速度為20mm/min。

2 結果與分析

2.1 化學結構

2.1.1 FT－IR測試結果

十二烷基二甲基叔胺、3－氯－1－丙醇和QAS12－OH的紅外光譜圖如圖3所示。在圖3中可以看到QAS12－OH在3273cm－1有明顯的羥基峰，而十二烷基二甲基叔胺在此處則沒有明顯峰。

圖3 FT－IR譜圖

2.1.21H NMR測試結果

由圖4可以看到，化學位移δ＝4.8為D2O的溶劑峰，端羥基中的H原子為活潑氫，在D2O試劑中無法表征出來，其余各H原子的數(shù)量比與1H NMR圖譜中各峰面積比基本一致，證明了QAS12－OH被成功合成。

2.1.3 飛行質譜測試結果

飛行質譜的結果如下頁圖5所示，從飛行質譜可以看到該樣品的質荷比(m/z)主要為272.2972和273.3002。該季銨醇樣品本身為離子型化合物，該飛行質譜測試為陽離子模式，因此Cl－無法在管中飛行，測試不到其質荷比。季銨醇除去Cl－后剩余部分為陽離子，無須結合H＋就可以在管中飛行，因此測得的質荷比為季銨醇陽離子部分。35Cl和37Cl的相對原子質量分別為34.9689和36.9659，因此陽離子部分的相對分子質量加上氯的相對質量分別為307.2661、309.2631和308.2691，與季銨醇的理論m/z:307.26(100%)、309.26(32%)和308.27(18.9%)相比可以認為是一致的，因此272.2972和273.3002均為陽離子部分相對分子質量。該質譜結果證明了QAS12－OH的合成，且經重結晶后其純度很高。

2.1.4 接枝率的表征

2.022 g的萊賽爾纖維經改性后質量增加0.105g，增重率為5.19%。XPS測試結果如圖6和表1所示，在圖6中可以看到經改性后的纖維素纖維在284.8eV和531.1eV處有較大的吸收峰，該吸收峰屬于C1s和O1s，這是由于纖維素本身含有大量的碳、氧等元素且交聯(lián)劑和抗菌劑中同樣含有碳、氧等元素。此外XPS圖譜中還在195.8eV和401.5eV出現(xiàn)了Cl2p和N1s的吸收峰，401.5eV的吸收峰歸屬于C－N＋，說明了季銨鹽被成功接枝到纖維上[10]。且從表中可以看到氮元素的含量較高，而纖維素纖維氮含量一般不大于0.1%，此外由于該樣品在進行XPS測試時經過溶解并提純，可以排除交聯(lián)劑和抗菌劑物理吸附的情況，因此該譜圖可以有效的表明交聯(lián)劑將抗菌劑接枝到纖維素纖維上了。

圖6 改性纖維的XPS譜圖

表1 XPS測試結果

2.2 抗菌劑的抗菌效果

QAS12－OH為季銨鹽，其化合物具有正電荷，可以吸引帶有負電荷的細菌，疏水的長鏈刺入細胞膜后可以改變細胞膜的通透性，使得細菌內容物流出而死亡，因此該化合物具有很好的抗菌效果。最小抑菌濃度的實驗表明256μg/mL的QAS12－OH對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果分別為99.21%和99.46%。值得注意的是最低抑菌濃度實驗中采用的是OD值來表征細菌的濃度，當細菌濃度較小時會有部分誤差。因此又采用定量測量的方法評估QAS12－OH的抗菌性能，實驗結果如圖7所示，結果表明200μg/mL的QAS12－OH對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果分別為99.975%和99.991%，證明了QAS12－OH對大腸桿菌具有良好的抗菌效果。

圖7 QAS12－OH的抗菌性能

2.3 改性對機械性能的影響

改性前后纖維素纖維的機械性能如下頁圖8所示，在經過改性后纖維素纖維的斷裂強力5.42cN和斷裂強度4.08 cN/dtex下降至4.98 cN和3.74 cN/dtex，在經過改性后纖維的強力下降了8.2%，這可能是由于在改性過程中經過高溫，水和堿的共同作用導致纖維素纖維結晶度降低引起的。此外還可以看到纖維在經過改性后斷裂伸長率并未發(fā)生明顯的增加，這可能是由于雖然萊賽爾纖維的結晶度出現(xiàn)了下降，但羥基交聯(lián)劑的作用使得萊賽爾纖維中分子鏈間作用力增加，分子鏈間的滑移變得困難，從而導致斷裂伸長沒有發(fā)生明顯增加。

圖8 纖維的機械性能

2.4 改性后纖維素纖維的抗菌性能

改變QAS12－OH的投入量分別為20 mg、30 mg、40 mg、50 mg、60mg，得到經改性后的纖維素纖維，對不同的改性纖維進行抗菌測試后，結果如圖9及表2所示。這表明經過改性后的纖維素纖維有良好的抗菌性能，在投入量為30mg的情況下，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果分別達到了98.577%和99.368%。

表2 投入量對抗菌效果的影響

圖9 不同投入量改性的纖維素纖維抗菌效果

3 結論

(1)通過十二烷基二甲基叔胺和3－氯－1－丙醇制備得到的含羥基的季銨鹽，該季銨鹽經提純后具有很高的純度，且該季銨鹽具有良好的抗菌效果，最小抑菌濃度測試結果表明該季銨鹽的最小抑菌濃度為256μg/mL，且當QAS12－OH的濃度達到200μg/mL時，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果分別達到了98.5770%和99.3683%。

(2)通過羥基交聯(lián)劑三羥甲基丙烷－三[3－(2－甲基氮丙啶基)丙酸酯]將季銨鹽接枝到萊賽爾纖維上，當季銨鹽的投料為15mg每克纖維時，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果分別達到了99.368%和98.577%。