石墨烯改性纖維水刺非織造布制備與性能研究

郭 奇，郭守才，蘇懷平，艾現(xiàn)國，田明偉

(1.山東盛和紡織股份有限公司，山東 臨沂 276200；2.青島大學(xué)，山東 青島，266071)

石墨烯是目前世界上最薄材料，其獨(dú)特的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)性能[1]。氧化石墨烯微觀結(jié)構(gòu)與石墨烯相似，但其表面富含有羥基、羧基等極性基團(tuán)，可以與微生物對(duì)發(fā)生作用，從而表現(xiàn)優(yōu)異的抗菌性[2，3]。

石墨烯改性纖維一般是指將一定量的石墨烯或氧化石墨烯與紡絲液共混紡絲或者將其涂覆在纖維表面形成的一種新型改性纖維[1]，因此石墨烯改性纖維具有石墨烯或氧化石墨烯的遠(yuǎn)紅外發(fā)射、防紫外線、抗菌抑菌性、抗靜電性等。

為探究石墨烯改性纖維水刺非織造材料功能性，本文選用石墨烯改性纖維多種功能性纖維混合水刺，制備了系列石墨烯改性纖維水刺非織造材料，并對(duì)其抗菌性進(jìn)行了測(cè)試評(píng)價(jià)，為企業(yè)研發(fā)及研究工作提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料分別為石墨烯改性纖維、海藻纖維、聚乳酸纖維、中藥改性纖維和天絲，實(shí)驗(yàn)原料規(guī)格見表1，其中石墨烯改性纖維是指將一定量的石墨烯材料摻雜在纖維內(nèi)部或者涂覆在纖維表面形成的一種新型改性纖維。石墨烯改性纖維除具有基材纖維的常規(guī)特性外，還具備高吸附性、抗菌抑菌和抗靜電等功能；海藻纖維吸濕性好，能吸收自重 20 倍的水分，因此可以用做醫(yī)用敷料繃帶，能很好的吸收傷口滲出液，使敷料更換的時(shí)間間隔延續(xù)一段較長(zhǎng)時(shí)間，減少細(xì)菌的滋生，降低敷料更換次數(shù)，有利于患者治療；聚乳酸纖維是由乳酸聚合而成的高純度的半合成纖維，紡絲設(shè)備與工藝簡(jiǎn)單，常溫下可進(jìn)行，具有良好的生物降解性，被廢棄后分解成乳酸，最終完全分解成 CO2和H2O。中藥改性纖維是在天然纖維素的紡絲液中加入從中藥中提取的有效成分，與粘膠共混經(jīng)過濕法紡絲而成的一種新型的植物抗菌纖維，其具有天然的抗菌和養(yǎng)護(hù)功能，效果持久，耐洗滌性好；天絲是一種采用溶劑紡絲技術(shù)加工而成的再生纖維素纖維，具有優(yōu)良的性能，纖維干濕強(qiáng)度高，韌性好，干濕強(qiáng)度較粘膠纖維改善明顯，具有很高的初始模量以及抗彎剛度，極具剛性，是集合成纖維和天然纖維優(yōu)點(diǎn)于一體的再生纖維素纖維。

表1 實(shí)驗(yàn)原料規(guī)格

1.1.2水刺方案

實(shí)驗(yàn)采用多種纖維混紡，試樣的纖維種類、混合比、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)克重見表2。水刺法非織造主要工藝流程為纖維原料準(zhǔn)備→開松混合→梳理成網(wǎng)→鋪網(wǎng)→預(yù)濕→水刺加固→脫水→烘燥定型→卷繞分切和檢驗(yàn)包裝等，如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

表2 水刺方案

1.2 測(cè)試方法

產(chǎn)品性能參照FZ/T 64012-2013《衛(wèi)生用水刺法非織造布》進(jìn)行測(cè)試；按照GB/T 20944.3-2008《紡織品 抗菌性能的評(píng)價(jià) 第3部分 振蕩法》測(cè)試其抗菌性。

2 測(cè)試結(jié)果與討論

表3為各樣品單位面積質(zhì)量偏差率、單位面積質(zhì)量變異系數(shù)、斷裂強(qiáng)力、液體吸收量、pH值、抑菌率的測(cè)試結(jié)果。由表3可知，縱向強(qiáng)力明顯強(qiáng)于橫向強(qiáng)力，這表明纖維的縱橫向分布的概率是有差異的。這是由于加工工藝的影響：在纖維成網(wǎng)過程中，縱向受到拉力較大，纖維呈平行分布，取向度高，而橫向纖維一般混雜分布。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，縱向和橫向組中的數(shù)據(jù)均有個(gè)別差異較大的數(shù)據(jù)，這與所選試樣的位置有關(guān)，但并不影響對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的判斷與分析。

2.1 石墨烯改性纖維/海藻纖維樣品

樣品1～3中石墨烯改性纖維/海藻纖維的混紡比為30/70、40/60、50/50，由表3可知，三種樣品單位面積質(zhì)量偏差率均小于10%，單位面積質(zhì)量變異系數(shù)均小于5%，液體吸收量均大于700%，pH值均在5.5～8.5，均滿足FZ/T 64012-2013《衛(wèi)生用水刺法非織造布》要求。

樣品1～3對(duì)大腸桿菌的抑菌率均大于98%，GB/T 20944.3-2008《紡織品 抗菌性能的評(píng)價(jià) 第3部分 振蕩法》規(guī)定對(duì)大腸桿菌的抑菌率≥70%，即說明樣品具有抗菌效果。

樣品1～3的縱、橫斷裂強(qiáng)力縱、橫均小于50 N，不能滿足FZ/T 64012-2013《衛(wèi)生用水刺法非織造布》要求A類要求。

海藻纖維吸水率高，呈弱酸性，吸水后呈凝膠狀，因此隨著樣品中海藻纖維含量的降低，石墨烯改性纖維/海藻纖維的液體吸收量呈下降趨勢(shì)，如圖2所示，海藻纖維的單纖強(qiáng)力較低，同一成型工藝下，石墨烯改性纖維含量越高，樣品的強(qiáng)力呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，如圖3所示。同時(shí)，樣品1～3 pH值變化不明顯，這可能是因?yàn)闃悠泛Ｔ謇w維含量相對(duì)較高，對(duì)pH值影響不明顯。

圖2 混合比與液體吸收量關(guān)系圖

圖3 混合比與斷裂強(qiáng)力關(guān)系圖

2.2 石墨烯改性纖維/聚乳酸纖維

樣品4～6中石墨烯改性纖維/聚乳酸纖維的混紡比為30/70、40/60、50/50，由表3可知，三種樣品單位面積質(zhì)量偏差率均小于10%，單位面積質(zhì)量變異系數(shù)均小于5%，液體吸收量均大于700%，pH值均在5.5～8.5，均滿足FZ/T 64012-2013《衛(wèi)生用水刺法非織造布》要求。

表3 各樣品測(cè)試結(jié)果

樣品4～6的縱、橫斷裂強(qiáng)力均大于50 N，滿足FZ/T 64012-2013《衛(wèi)生用水刺法非織造布》A類要求。

樣品4、5對(duì)大腸桿菌的抑菌率均小于60%，樣品6對(duì)大腸桿菌的抑菌率為71.4%，因此按照GB/T 20944.3-2008《紡織品 抗菌性能的評(píng)價(jià) 第3部分 振蕩法》規(guī)定只有樣品6具有抗菌效果。

石墨烯改性纖維具有抗菌性，而聚乳酸纖維不具有抗菌性，因此隨著樣品中石墨烯改性纖維含量的增高，樣品的抑菌率上升，抗菌效果越來越好，如圖4所示。聚乳酸纖維呈弱酸性，因此隨著聚乳酸纖維含量的降低，樣品的pH值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，如圖5所示。

圖4 混紡比與抑菌率關(guān)系圖

圖5 混合比與pH值關(guān)系圖

2.3 石墨烯改性纖維/中藥改性纖維

樣品7～9中石墨烯改性纖維/中藥改性纖維的混紡比為30/70、40/60、50/50，由表3可知，三種樣品單位面積質(zhì)量偏差率均小于10%，單位面積質(zhì)量變異系數(shù)均小于5%，液體吸收量均大于700%，pH值均在5.5～8.5，均滿足FZ/T 64012-2013《衛(wèi)生用水刺法非織造布》要求。

樣品7～9對(duì)大腸桿菌的抑菌率均大于98%，GB T 20944.3-2008《紡織品 抗菌性能的評(píng)價(jià) 第3部分 振蕩法》規(guī)定對(duì)大腸桿菌的抑菌率≥70%即說明樣品具有抗菌效果。

樣品7～9的縱、橫斷裂強(qiáng)力均大于50 N，滿足FZ/T 64012-2013《衛(wèi)生用水刺法非織造布》A類要求。

由于中藥改性纖維具有抗菌性，因此樣品中中藥改性纖維的含量對(duì)樣品的抗菌性沒有明顯影響，產(chǎn)品均具有較好的抗菌性。

2.4 石墨烯改性纖維/天絲

樣品10～12中石墨烯改性纖維/天絲的混紡比為30/70、40/60、50/50，由表3可知，三種樣品單位面積質(zhì)量偏差率均小于10%，單位面積質(zhì)量變異系數(shù)均小于5%，液體吸收量均大于700%，pH值均在5.5～8.5，均滿足FZ/T 64012-2013《衛(wèi)生用水刺法非織造布》要求。

樣品10～12的縱、橫斷裂強(qiáng)力均大于50 N，滿足FZ/T 64012-2013《衛(wèi)生用水刺法非織造布》A類要求。

樣品10、11對(duì)大腸桿菌的抑菌率均小于70%，樣品12對(duì)白色念珠菌的抑菌率為74.7%，因此按照GB T 20944.3-2008《紡織品 抗菌性能的評(píng)價(jià) 第3部分 振蕩法》規(guī)定只有樣品12具有抗菌效果。

石墨烯改性纖維具有抗菌性，而天絲不具有抗菌性，因此隨著樣品中石墨烯改性纖維含量的增高，樣品的抑菌率上升，抗菌效果越來越好，如圖6所示。

圖6 混合比與抑菌率關(guān)系圖

3 結(jié)語

石墨烯改性纖維水刺非織造布中纖維的縱橫向分布存在差異，導(dǎo)致縱向強(qiáng)力強(qiáng)于橫向強(qiáng)力；樣品1～12的單位面積質(zhì)量偏差率、單位面積質(zhì)量變異系數(shù)、液體吸收量、pH值均滿足FZ/T 64012-2013《衛(wèi)生用水刺法非織造布》要求；樣品4～6、樣品7～12的縱、橫斷裂強(qiáng)力均大于50 N，滿足FZ/T 64012-2013 A類要求，而樣品1～3的縱、橫斷裂強(qiáng)力縱、橫均小于50 N，不能滿足FZ/T 64012-2013 A類要求；樣品1～3、6、7～9、12對(duì)大腸桿菌的抑菌率均大于70%，滿足GB/T 20944.3-2008《紡織品 抗菌性能的評(píng)價(jià) 第3部分 振蕩法》抗菌性要求，而樣品4、5、10、11對(duì)大腸桿菌的抑菌率均小于70%，因此不具有抗菌效果。