針織全成形抗菌防護(hù)口罩的開發(fā)與性能研究

梁鑫花 叢洪蓮 黃嫻 叢啟霞

摘要： 口罩作為人們預(yù)防呼吸道感染的重要防線，特別是在常見的細(xì)菌感染時(shí)期，已成為重要的防護(hù)材料。文章先對(duì)口罩進(jìn)行二維紙樣及編織版型設(shè)計(jì)，分析四針床電腦橫機(jī)編織原理，對(duì)口罩的編織工藝進(jìn)行深入探討，并以抗菌紗線為原料完成該口罩的設(shè)計(jì)與開發(fā)，對(duì)其抗菌性能進(jìn)行了測(cè)試和研究。結(jié)果表明，經(jīng)過50次洗滌，該抗菌防護(hù)口罩對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌率仍超過99%，對(duì)白色念珠菌的抗菌率超過93%，對(duì)大腸桿菌的抗菌率超過81%，符合國(guó)家抗菌紡織品要求。利用針織全成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)抗菌口罩的一次成形，對(duì)豐富針織全成形產(chǎn)品的種類具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 針織全成形;四針床電腦橫機(jī);抗菌率;口罩;編織工藝;抗菌織物

中圖分類號(hào)： TS184.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 10017003（2021）07011705

引用頁碼： 071302

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.07.019（篇序）

Research on development and performance of knitted full-formed anti-bacterial protective mask

LIANG Xinhua1， CONG Honglian1， HUANG Xian2， CONG Qixia2

（1.Engineering Research Center of Knitting Technology， Ministry of Education， Jiangnan University， Wuxi 214122， China;2.Wuxi Pacific knitting Co.， Ltd.， Wuxi 214037， China）

Abstract： As an important defense line for people to prevent respiratory tract infection， especially in the period of common bacterial infections， the mask has become an important protective material. The authors first designed the two-dimensional paper pattern and knitting pattern of the mask， analyzed the knitting principle of the four-needle bed computerized flat knitting machine， conducted an in-depth discussion on the knitting process of the mask， and used the antibacterial yarn as the raw material to complete the design and development of the mask. Its antibacterial properties were also tested and studied. The results show that after 50 times of washing， the anti-bacterial protective mask still had an anti-bacterial rate of over 99% against Staphylococcus aureus， over 93% against Candida albicans and 81% against E.coli， meeting national anti-bacterial textile requirements. The use of knitted full-forming technology to realize the one-time forming of antibacterial masks is of great significance for enriching the types of knitted full-forming products.

Key words： knitted full-forming; four-needle computerized flat knitting machine; anti-bacterial rate; mask; knitting process; anti-bacterial fabric

收稿日期： 20201222;

修回日期： 20210611

基金項(xiàng)目： 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（JUSRP52013B）;國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61772238）

作者簡(jiǎn)介： 梁鑫花（1996），女，碩士研究生，研究方向?yàn)獒樋棶a(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與性能研究。通信作者：叢洪蓮，教授，cong-wkrc@163.com。

口罩作為人們?nèi)粘５姆雷o(hù)衛(wèi)生用品，佩戴時(shí)可有效阻擋空氣中的飛沫、細(xì)小顆粒及病菌等進(jìn)入人體呼吸道[1]，在人與外界環(huán)境中建立了一層很好的物理保護(hù)屏障[2]，尤其在新冠肺炎疫情期間，其需求更為迫切。

針織全成形技術(shù)的生產(chǎn)流程短、織造效率高，織造的織物一次成形，表面無縫紉線，貼體舒適，因而被廣泛地應(yīng)用于織物的生產(chǎn)織造中。目前國(guó)外電腦橫機(jī)全成形編織技術(shù)的發(fā)展頗為成熟，通過其特有的鍥形編織、局部編織、收放針等編織方法，可形成多種立體成形產(chǎn)品，在針織毛衫、全成形針織裙、非傳統(tǒng)西服等[3-5]服飾領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，在雙針床電腦橫機(jī)上也已進(jìn)行了普通型口罩的織造嘗試[6]。本文以日本島精公司生產(chǎn)的MACH2X153型四針床電腦橫機(jī)為依托，借助SDS-ONE APEX3花型設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以抗菌紗線為原料進(jìn)行抗菌防護(hù)口罩的開發(fā)，并對(duì)其編織工藝進(jìn)行深入探討，同時(shí)對(duì)其抗菌性能進(jìn)行研究分析，增加抗菌防護(hù)口罩的織造可能性，為以后防護(hù)口罩的生產(chǎn)提供一定的借鑒意義。

1 口罩版型設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)理念

本次設(shè)計(jì)的針織全成形抗菌防護(hù)口罩包括口罩罩體和兩側(cè)的左右耳帶部分，采用一體成形的方式進(jìn)行編織，耳帶部分包括耳前帶、耳后帶及耳背帶三部分，考慮與人體耳部的佩戴舒適性，對(duì)其進(jìn)行了一定弧度的設(shè)計(jì);為使耳帶與口罩罩體的編織部分有很好的過渡作用，在耳背與口罩罩體兩側(cè)部分添加了一定形狀的廢紗編織;在口罩罩體的左側(cè)部位設(shè)置開口，以便后期及時(shí)對(duì)填充在內(nèi)部的過濾材料進(jìn)行更換，保證口罩具有良好的顆粒物過濾性能及佩戴時(shí)呼吸的順暢性;為保證口罩罩體與人體臉部的貼合舒適性，在口罩罩體的上下邊緣部分均進(jìn)行了一定的曲線設(shè)計(jì)，使其更加符合人體工學(xué)，從而增加口罩的防護(hù)效果?？谡志唧w的二維紙樣設(shè)計(jì)如圖1所示。

根據(jù)電腦橫機(jī)常編織的織物組織結(jié)構(gòu)及考慮口罩的功能性，口罩罩體和耳帶部分采用了透氣性和保暖性均良好的空氣層組織;在口罩罩體豎直中線與嘴部和下巴處接觸的位置采用了2+2羅紋組織，使得口罩前后片相連接，使口罩具有一定的立體結(jié)構(gòu);為防止口罩開口線圈脫散，在開口邊緣應(yīng)用2+2羅紋組織進(jìn)行鎖邊。

1.2 編織版型設(shè)計(jì)

在與全成形電腦橫機(jī)配套使用的SDS-ONE APEX3花型設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行口罩的編織版型設(shè)計(jì)，如圖2所示。其中A和A′分別表示右、左耳帶的耳背帶，B和B′分別表示右、左耳帶的前后帶，C和C′分別表示口罩罩體與右左耳帶的連接部分，D和D′分別表示口罩罩體后片的右左部分，E和E′分別表示口罩罩體前片的右左部分，F(xiàn)和F′表示右、左耳帶的廢紗，G表示口罩罩體的開口部位。編織時(shí)按照從下往上的方向進(jìn)行編織。

2 工藝設(shè)計(jì)

2.1 成形原理

2.1.1 四針床電腦橫機(jī)

本次設(shè)計(jì)選擇在日本島精公司生產(chǎn)的MACH2X153型電腦橫機(jī)上進(jìn)行口罩的開發(fā)。該橫機(jī)配備前上、前下、后上、后下四個(gè)編織針床和一個(gè)紗環(huán)壓腳針板，如圖3所示。其中前下、后下針床可進(jìn)行成圈、集圈、浮線編織，其余兩個(gè)針床進(jìn)行成圈和浮線編織;機(jī)頭配置有一個(gè)編織系統(tǒng)和兩個(gè)翻針系統(tǒng)，豐富了橫機(jī)的編織與移圈功能，可實(shí)現(xiàn)全成形產(chǎn)品的滿針編織[7];可用電磁鐵系統(tǒng)直接選針，大幅提高了編織效率;裝有i-DSCS智能型數(shù)控紗環(huán)系統(tǒng)和DSCS數(shù)控紗環(huán)系統(tǒng)[8]，織造的智能化水平得到提高;配備了R2CARRIAGE急速回轉(zhuǎn)機(jī)頭TM系統(tǒng)，加快了每行的機(jī)頭回轉(zhuǎn)速度[9]，最大機(jī)速可達(dá)16 m/s，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)織物的多樣化生產(chǎn)。

2.1.2 編織原理

在橫機(jī)上多采用空起編織、收放針及局部編織等編織方式實(shí)現(xiàn)針織全成形織物的編織，同時(shí)結(jié)合不同的織物組織結(jié)構(gòu)，完成對(duì)口罩的設(shè)計(jì)開發(fā)。

電腦橫機(jī)空起編織是指織物在沒有正常起底牽拉力的情況下，在其編織過程中進(jìn)行新的編織層起底編織的技術(shù)?？紤]針織物的結(jié)構(gòu)特性，常用羅紋起底的方式進(jìn)行空起編織，主要有1+1羅紋、2+1羅紋和袋編羅紋等[10]，本次口罩設(shè)計(jì)有開口結(jié)構(gòu)，類似袋狀，故采用袋編羅紋的起底方式。

收針是指將準(zhǔn)備退出編織的織針轉(zhuǎn)移到相鄰的織針上，使其退出工作，從而使得織物按照要求進(jìn)行尺寸縮減的編織方式[11]，這一編織方式要通過翻轉(zhuǎn)線圈、針床橫移等動(dòng)作來完成。電腦橫機(jī)上通常是通過移圈的方式鎖住織片的邊緣。在編織口罩開口結(jié)構(gòu)時(shí)，為防止邊緣線圈脫散，需要進(jìn)行拷針編織，以達(dá)到鎖邊效果。

放針原理與收針原理相反，該編織動(dòng)作是通過增加工作針數(shù)的方式來改變織物的尺寸。將收放針的編織方式應(yīng)用到口罩的織造中，可以使口罩的耳帶和罩體形成符合人體臉部的尺寸，增加口罩與人體臉部的貼合度。

局部編織是指在編織時(shí)部分織針不進(jìn)行編織動(dòng)作，只鉤住線圈，當(dāng)需要時(shí)這些織針再重新參與編織過程，從而使得織物具有一定的形狀。利用“兩邊暫停中間編織的編織方式”，可使編織的織物形成多余量的凸起。考慮人體面部結(jié)構(gòu)，將局部編織應(yīng)用于口罩罩體的編織中，可使覆蓋于口鼻處的口罩部位形成適當(dāng)?shù)耐蛊鹦Ч?，增加口罩的立體效果，既有一定的美觀性，也使得其更符合人體工學(xué)，增加佩戴舒適感。

2.2 編織工藝

口罩的編織共分為左耳帶編織、右耳帶編織和口罩罩體編織三部分，編織順序?yàn)橛叶鷰А谡终煮w→左耳帶。選用三把紗嘴進(jìn)行編織，其中兩把紗嘴編織口罩部分，一把紗嘴編織廢紗。

2.2.1 右耳帶編織

右耳帶的編織工藝如圖4所示。在進(jìn)行編織時(shí)，先空起編織若干橫列，進(jìn)行常規(guī)的起底編織，然后第一紗嘴帶入主紗線，在前下針床編織平針，按照設(shè)計(jì)的耳背帶弧度向兩側(cè)逐步加針，進(jìn)行相應(yīng)的局部編織，形成耳背帶的前片;按照相同的編織方式在后下針床進(jìn)行編織，形成耳背帶的后片，右耳耳背帶編織完成。

隨后第二紗嘴引入主紗線，第三紗嘴引入廢紗，三個(gè)紗嘴同時(shí)進(jìn)行編織。第一、二紗嘴分別進(jìn)行右耳帶前后帶的筒形空氣層編織，第三紗嘴進(jìn)行廢紗的筒形空氣層編織，當(dāng)廢紗編織到一定橫列高度時(shí)，由于負(fù)責(zé)右后耳帶編織的第二紗嘴還在向外加針，為防止紗嘴碰撞，第三紗嘴停止編織，待前后耳帶編織完成后，廢紗繼續(xù)按照設(shè)計(jì)的形狀進(jìn)行編織，為后期的口罩罩體編織提供一定的牽拉力。其中第一紗嘴帶入主紗進(jìn)行編織形成黑色線圈橫列，第二紗嘴帶入主紗進(jìn)行編織形成紅色線圈橫列，第三紗嘴帶入廢紗進(jìn)行編織形成藍(lán)色線圈橫列。

2.2.2 口罩罩體編織

待右耳帶廢紗編織完成后，依靠廢紗產(chǎn)生的牽拉力進(jìn)行口罩罩體的起底編織，如圖5所示。第一紗嘴帶入主紗，先在前下、后下針床編織口罩罩體與右耳帶連接的部位，兩個(gè)針床均滿針成圈編織;然后按照局部編織的方式編織口罩罩體，按照口罩罩體后片的右半部分→口罩罩體前片的右半部分→口罩罩體前片的左半部分→口罩罩體后片的左半部分的順序進(jìn)行編織，其中前下針床編織前片，后下針床編織后片;待口罩罩體前片的左半部分編織完成時(shí)，前下針床與后上針床進(jìn)行2+2羅紋編織，以形成前后片連接部位;口罩罩體主體編織結(jié)束后，為防止后片開口線圈脫散，后下針床仍進(jìn)行滿針平針編織，前下針床與后上針床再次進(jìn)行2+2羅紋編織，形成羅紋鎖邊結(jié)構(gòu)。

2.2.3 左耳帶編織

左耳帶編織工藝與右耳帶正好相反，具體編織工藝如圖6所示。同時(shí)使用第一、二、三紗嘴進(jìn)行編織，帶紗方式與右耳帶相同，第三紗嘴編織廢紗的兩個(gè)橫列，與此同時(shí)第一、二紗嘴通過左側(cè)收針結(jié)合筒形編織方式形成左耳前后帶;隨后繼續(xù)編織廢紗，兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行加針，形成一定的形狀后，按照右耳背帶的編織方式形成左耳背帶。

3 口罩織造

3.1 原料與機(jī)型選擇

本次選擇在MACH2X153型四針床全成形電腦橫機(jī)進(jìn)行口罩的織造，針床尺寸為150 cm，針數(shù)為18針。所用原料為滌氨包覆紗（濰坊佰豐紡織有限公司），成分為15%氨綸和85%滌綸，其中滌綸由40D/36F抗菌滌綸（42.5%）和40D/28F半光滌綸（浙江金霞新材料科技有限公司）（42.5%）按照1︰1的比例混紡而成。廢紗采用500 D的錦綸輔助編織，目的是進(jìn)行空起編織時(shí)提供一定的牽拉作用，保證口罩編織時(shí)的張力均勻，提高布面的平整度。該電腦橫機(jī)上有4條弧形紗嘴軌道，左右各安裝有8把紗嘴，選擇5、6號(hào)紗嘴穿入主紗，7號(hào)紗嘴穿入廢紗進(jìn)行編織。

3.2 織造參數(shù)設(shè)置

考慮到不同組織結(jié)構(gòu)的編織動(dòng)作的差異性，需要在與電腦橫機(jī)相配套的SDS-ONE花型設(shè)計(jì)系統(tǒng)中對(duì)相應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)的度目（單個(gè)線圈的紗環(huán)長(zhǎng)）、拉力、編織速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。剛開始編織時(shí)應(yīng)保持較低機(jī)速，為0.25～0.30 m/s，保證織針能成功鉤取紗線，紗環(huán)長(zhǎng)設(shè)置為6.7～7.0 mm，拉力大小設(shè)置為80～90 N;當(dāng)編織口罩的主體部位時(shí)，此時(shí)機(jī)器已經(jīng)處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，機(jī)速可適當(dāng)提高到0.50～0.80 m/s，平針組織的線圈較為均勻且排列緊密，紗環(huán)長(zhǎng)可適當(dāng)減小為5.3～

5.5 mm，拉力值應(yīng)增加為90～95 N，以保證布面平整性;當(dāng)編織口罩的開口部位時(shí)，存在翻針移圈的編織動(dòng)作，幅度較大，機(jī)速應(yīng)低于編織平針組織的速度，為0.30～0.50 m/s，羅紋組織線圈圈弧與平針組織線圈相比較長(zhǎng)，故紗環(huán)長(zhǎng)應(yīng)適當(dāng)增加，為7.5～8.0 mm，拉力大小設(shè)置為85～90 N。

3.3 織造工藝

在編織口罩時(shí)，由于氨綸彈性紗的紗線張力易受到機(jī)器編織動(dòng)作的影響，為保證紗線張力的均勻一致性，利用四針床電腦橫機(jī)上的i-DSCS+DTC（智能型數(shù)控紗環(huán)系統(tǒng)+能動(dòng)張力控制裝置）來實(shí)現(xiàn)電子自動(dòng)控制送紗，在機(jī)器高速運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)紗線張力的精準(zhǔn)控制，保證口罩的線圈大小是均勻的。電腦橫機(jī)上還安裝了新型分段牽拉裝置，根據(jù)口罩組織結(jié)構(gòu)及編織部位的不同對(duì)牽拉張力進(jìn)行分段設(shè)計(jì)。起始編織時(shí)，紗嘴先帶入廢紗編織一定的布片長(zhǎng)度，起底板上升拉住布片以提供均勻的拉力;當(dāng)編織口罩主體時(shí)，起底板釋放布片并退出工作，由排布羅拉進(jìn)行夾持，以給口罩提供穩(wěn)定、可靠的拉力，保證口罩布面的平整性。

3.4 舒適性能評(píng)價(jià)

最終織造的口罩如圖7所示，口罩布面緊實(shí)，彈性良好，具有良好的立體效果。由于口罩主要佩戴于人的口鼻（呼吸系統(tǒng)）處，其透氣性能是影響舒適性能的重要指標(biāo)，采用YG461E-Ⅲ型全自動(dòng)透氣儀（寧波紡織儀器廠）對(duì)口罩進(jìn)行透氣性測(cè)試。當(dāng)壓差為100 Pa，測(cè)試面積為20 cm2時(shí)，口罩的透氣性為291 mm/s，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測(cè)定》，大于等于250，透氣效果良好。同時(shí)由于該口罩采用針織結(jié)構(gòu)，柔軟舒適，曲線設(shè)計(jì)效果使得口罩與人體臉部貼合度良好，符合人體工學(xué)。

4 抗菌性能研究

4.1 抗菌性能測(cè)試

為了對(duì)口罩的抗菌性能進(jìn)行較為準(zhǔn)確的判定，本文選用定量檢測(cè)的方法對(duì)其抗菌性能進(jìn)行測(cè)試，并按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 73203—2006《抗菌針織品》進(jìn)行。

4.1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本次抗菌測(cè)試所選菌種為ATCC6538金黃色葡萄球菌、ATCC29522大腸桿菌和ATCC10231白色念珠菌。所用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有B0803電子天平（沉陽龍騰電子有限公司）、B0736高壓蒸汽滅菌器（山東博科生物實(shí)業(yè)有限公司）、B0716生化培養(yǎng)箱（山東博科生物實(shí)業(yè)有限公司）、B0719和B0730振蕩培養(yǎng)箱（上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司），實(shí)驗(yàn)試劑有營(yíng)養(yǎng)瓊脂、金黃色葡萄球菌顯色培養(yǎng)基、營(yíng)養(yǎng)肉湯、沙氏培養(yǎng)基（青島海博生物技術(shù)有限公司）等，并以符合FZ/T 73023—2006國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的標(biāo)準(zhǔn)空白布作為對(duì)照樣。

4.1.2 抗菌預(yù)處理

先用家用雙桶洗衣機(jī)（慈溪市美樂電器有限公司）將試樣充分洗滌，達(dá)到規(guī)定的洗滌次數(shù)（50次）。然后從抗菌織物大樣中取3個(gè)小樣（每個(gè)尺寸10 cm×10 cm，剪成2塊），用耐洗色牢度試驗(yàn)機(jī)洗滌，直到規(guī)定的洗滌次數(shù)（50次）。為防止殘留的洗滌劑干擾抗菌性能測(cè)試，結(jié)束時(shí)充分清洗樣品并晾干。

4.1.3 抗菌測(cè)試方法

準(zhǔn)備九個(gè)250 mL三角燒瓶，分別加入三份對(duì)照樣、三份樣品，剩余三個(gè)燒瓶不加試樣作為空白對(duì)照，然后在每個(gè)燒瓶中各加入70 mL PBS緩沖液和5 mL接種菌液進(jìn)行“0”接觸時(shí)間（實(shí)驗(yàn)條件1）和定時(shí)接觸振蕩（24 ℃、150 r/min、18 h）（實(shí)驗(yàn)條件2）測(cè)試。到規(guī)定時(shí)間后，從每個(gè)燒瓶中吸取1 mL試液，移入裝有9 mL PBS緩沖液的試管中，充分混勻。用10倍稀釋法系列稀釋至合適稀釋倍數(shù)，制作平板，培養(yǎng)（37 ℃、48 h）后進(jìn)行計(jì)數(shù)。

4.2 抗菌性能評(píng)價(jià)

對(duì)實(shí)驗(yàn)中的菌落數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，對(duì)平板菌落數(shù)進(jìn)行3次計(jì)數(shù)后取平均值，如表1所示。

樣菌的增長(zhǎng)值F需大于等于1.0（0.5）才可判斷實(shí)驗(yàn)有效，通過計(jì)算抑菌率來對(duì)口罩的抗菌性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，增長(zhǎng)值F和抑菌率Y的計(jì)算分別如下式所示：

F=lgWb-lgWa（1）

Y/%=Wb-WcWb×100（2）

計(jì)算所得三種菌種的增長(zhǎng)值和抑菌率如表2所示，表明三種菌種的F值均達(dá)到要求，即說明了實(shí)驗(yàn)的有效性;經(jīng)過50次洗滌后，口罩的抑菌率仍滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，抗菌效果良好。

5 結(jié) 論

本文主要介紹了針織全成形抗菌防護(hù)口罩的開發(fā)與抗菌性能研究，運(yùn)用針織全成形編織技術(shù)，采用具有抗菌效果的功能性紗線編織成的口罩具有良好的抗菌效果。結(jié)論如下：

1）通過在四針床全成形電腦橫機(jī)上成功織造針織全成形抗菌防護(hù)口罩，說明了該種織造方式的可行性，為口罩的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了一種新的思路;

2）本次抗菌防護(hù)口罩的功能性原料為抗菌滌綸，經(jīng)水洗50次后對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌率仍達(dá)到99%以上，對(duì)白色念珠菌的抑菌率達(dá)到93%以上，對(duì)大腸桿菌的抑菌率達(dá)到81%以上，符合國(guó)家抗菌紡織品要求，之后應(yīng)擴(kuò)大該種抗菌滌綸的應(yīng)用領(lǐng)域，充分發(fā)揮其抗菌功能性;

3）未來應(yīng)加強(qiáng)對(duì)抗菌防護(hù)口罩的功能性開發(fā)，在具備良好抗菌性的同時(shí)也要兼具多種功能性要求，以滿足大眾不斷增長(zhǎng)的功能性需求。

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