青蒿改性粘膠纖維結(jié)構(gòu)與性能研究

李 冰 胡雪敏 邢善靜 謝躍亭 楊文秀

（1.河北科技大學(xué)，河北石家莊，050018；2.新鄉(xiāng)白鷺化纖集團(tuán)有限公司，河南新鄉(xiāng)，453000）

2020年，新冠肺炎疫情的爆發(fā)，使人們意識到細(xì)菌、病毒對人類的巨大威脅，對細(xì)菌以及病毒的預(yù)防成為人們生活中的常態(tài)。隨之而來，人們對日常使用紡織品的要求也越來越高，高附加值紡織品的生產(chǎn)和研究也成為熱點(diǎn)。目前，抗菌劑可以分為無機(jī)類、有機(jī)類和天然類［1］。無機(jī)類抗菌劑殺菌效果好，以無機(jī)金屬作為抗菌成分的抗菌紡織品成本低，無機(jī)金屬抗菌劑對細(xì)菌的作用將會是永久有效的［2］，且一些特殊的無機(jī)抗菌劑對病毒、細(xì)菌的抑制能力也較強(qiáng)［3］，但毒副作用高。有機(jī)抗菌劑是目前在抗菌整理劑中占有領(lǐng)先地位的一類抗菌劑，除了廣泛應(yīng)用于醫(yī)療環(huán)保領(lǐng)域外，還在廢水處理、建筑材料防銹、木材防腐等方面得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。有機(jī)抗菌劑不僅具有良好的抑菌效果，還易于處理加工，而且來源廣泛，品種繁多。但有機(jī)抗菌劑本身的毒性較高、耐熱性差，容易引起微生物的耐藥性等缺陷也限制了其應(yīng)用。天然抗菌劑的有效成分大都是來源于植物和動物體內(nèi)［4］。其中，甲殼素、殼聚糖就是一種綠色環(huán)保的抗菌性能纖維［5-7］。安利霞把漢麻提取物整理到幾種天然及合成纖維上，賦予織物良好的抗菌性能［8］。田翠芳等人研制的大青葉纖維對金黃色葡萄球菌的抗菌率為93.8%［9］。

新鄉(xiāng)白鷺化纖集團(tuán)有限公司研發(fā)人員從諾貝爾獲獎?wù)咄肋线咸崛∏噍锼販鐨懺x中獲取靈感，從青蒿中提取抗菌物質(zhì)，并將抗菌物質(zhì)添加到纖維素纖維中，研制出純天然抗菌纖維（商品名為蒿潔絲）。青蒿改性粘膠纖維使再生纖維素纖維不經(jīng)后加工具有一定的抗菌性，具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。青蒿改性粘膠纖維作為新型紡織原料，除具有抗菌除臭效果之外，還具有抗病毒和驅(qū)蚊功效，廣泛應(yīng)用于保健服飾、家紡、醫(yī)用以及護(hù)理紡織品等領(lǐng)域。為此，我們重點(diǎn)研究了青蒿改性粘膠纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)、主要物理性能、染色性能和抗菌性能，并與普通粘膠纖維進(jìn)行對比，對青蒿改性粘膠纖維紡織品的開發(fā)和應(yīng)用具有借鑒意義。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

原料規(guī)格：普通粘膠133.3 dtex/30 F，青蒿改性粘膠133.3 dtex/30 F。

試驗(yàn)所用染化料：B型活性染料，氯化鈉，無水碳酸鈉，皂片，硅酸鈉（均屬于分析純）。

1.2 試驗(yàn)方法

使用日立TM-3000型臺式電子顯微鏡觀察青蒿改性粘膠纖維和普通粘膠纖維的表面形貌和橫截面。使用TD-3700型X射線能譜儀對纖維結(jié)晶度進(jìn)行測定，測試條件為Cu Kα射線，步長λ＝1.541 8?，掃描范圍0°～80°。使用Bruker ALPHA FT-IR型分光計測兩種纖維的傅里葉變換紅外光譜，測量范圍為0 cm-1～4 000 cm-1。根據(jù)GB/T 6503—2017《化學(xué)纖維 回潮率試驗(yàn)方法》測定青蒿改性粘膠纖維和普通粘膠纖維回潮率。采用ETM101B型萬能強(qiáng)力儀以250 mm的測試長度，5 mm/min的拉伸速率，在溫度18℃、相對濕度35%的環(huán)境下測兩種纖維試樣的機(jī)械性能，每個試樣測3組，取平均值。采用SP-752型紫外可見分光光度計測定染色過程中的吸光度，再根據(jù)GB/T 2391—2014《反應(yīng)染料 固色率的測定》測兩種纖維的固色率；采用SET-HT-45型高壓滅菌器對試驗(yàn)的燒杯等進(jìn)行滅菌，在JY-840無菌操作臺進(jìn)行細(xì)菌的活化，再使用GHP-9050N型隔水恒溫培養(yǎng)箱對細(xì)菌進(jìn)行培養(yǎng)，根據(jù)GB/T 20944.2—2007《紡織品 抗菌性能的評價 第2部分：吸收法》測青蒿改性粘膠纖維的抗菌性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維形態(tài)

普通粘膠纖維和青蒿改性粘膠纖維的SEM圖如圖1和圖2所示。

圖1 普通粘膠纖維的SEM圖

圖2 青蒿改性粘膠纖維的SEM圖

觀察兩種纖維的SEM圖，可以看到兩種纖維的表面都比較光滑，表面有溝槽，這是由于粘膠纖維的濕法紡絲工藝所造成的，這些縱向的溝槽有助于提高纖維的比表面積，利于纖維濕熱性能的提升。兩種纖維橫截面都是不規(guī)則腰圓形，直徑大小相同，這表明青蒿提取物的加入沒有改變纖維的表面形態(tài)。

2.2 纖維X射線衍射圖

青蒿改性粘膠纖維和普通粘膠纖維的X射線衍射圖如圖3所示。

圖3 青蒿改性粘膠纖維和普通粘膠纖維的X射線衍射圖

由圖3可以看出，青蒿改性粘膠纖維與普通粘膠纖維均在12.2°和20.3°處顯示出相同的衍射峰，表明青蒿改性粘膠纖維的晶體結(jié)構(gòu)和普通粘膠纖維的結(jié)構(gòu)相似。根據(jù)圖1和圖2可以看出青蒿提取物的加入，破壞了普通粘膠纖維原有的晶胞結(jié)構(gòu)，青蒿改性粘膠纖維結(jié)晶度降低，各項(xiàng)力學(xué)性能也有所下降。

2.3 纖維紅外光譜圖

青蒿改性粘膠纖維和普通粘膠纖維的紅外光譜圖如圖4所示?？梢钥闯?，青蒿改性粘膠纖維與普通粘膠纖維的紅外吸收光譜十分相似，峰形、峰位一致。在800 cm-1左右的峰是C—O—C面外非對稱彎曲振動，而1 300 cm-1左右的峰是由于C—H彎曲振動，1 569 cm-1是由于CH2的對稱彎曲振動，在1 878 cm-1有一個強(qiáng)度大的峰，是由于C—O鍵的存在，而2 300 cm-1的峰是由于C—H的伸縮振動。

圖4 青蒿改性粘膠纖維和普通粘膠纖維的紅外光譜圖

2.4 物理性能對比

青蒿改性粘膠纖維和普通粘膠纖維的物理指標(biāo)對比結(jié)果如下。

青蒿改性粘膠纖維的干態(tài)斷裂強(qiáng)度和濕態(tài)斷裂強(qiáng)度低于普通粘膠纖維，這是因?yàn)榍噍锾崛∥锏募尤?，破壞了原有的晶胞結(jié)構(gòu)，降低了纖維的結(jié)晶度，使得斷裂強(qiáng)度都有不同程度的降低。從對比結(jié)果還可以看出，青蒿改性粘膠纖維的濕態(tài)斷裂強(qiáng)度略小于干態(tài)斷裂強(qiáng)度，而普通粘膠纖維的濕態(tài)斷裂強(qiáng)度下降明顯。這是因?yàn)槠胀ㄕ衬z纖維和青蒿改性粘膠纖維的斷裂機(jī)理都是大分子鏈的相對滑移，水分子的存在使大分子間的作用力減弱，分子鏈的滑移相對容易，最終導(dǎo)致纖維濕態(tài)斷裂強(qiáng)度降低；普通粘膠纖維結(jié)構(gòu)是樹輪狀、層狀構(gòu)造，層與層之間的空隙較大，結(jié)構(gòu)變得較為疏松，才導(dǎo)致其濕態(tài)斷裂強(qiáng)度大大下降，而青蒿提取物的加入降低了纖維的膨脹系數(shù)，使得濕態(tài)斷裂強(qiáng)度降低不明顯。

2.5 染色性能

2.5.1 漂白工藝

青蒿改性粘膠纖維具有綠色可降解的特點(diǎn)，當(dāng)純紡或者與其他纖維混紡深色織物時可以不進(jìn)行漂白工藝，但用于淺色織物則需要進(jìn)行漂白工藝，此時，應(yīng)注意漂白程度，減少漂白工藝對纖維強(qiáng)度的破壞。基于上述原因，本研究采用氧漂工藝對纖維進(jìn)行漂白［10］，具體漂白工藝：溫度90℃～100℃，p H值10.5～11，滲透劑JFC 1 g/L，穩(wěn)定劑（硅酸鈉）8 g/L，雙氧水4 g/L，氫氧化鈉1 g/L，浴比10∶1，漂白工藝曲線見圖5。2.5.2 染色工藝

圖5 漂白工藝曲線

采用活性染料的三原色對青蒿改性粘膠纖維進(jìn)行染色，測試其染色性能。具體染色工藝：染料濃度2%（owf），氯化鈉40 g/L，純堿10 g/L，浴比1∶50，染色時間60 min。固色階段：皂片2 g/L，純堿2 g/L，95℃，浴比1∶30，固色時間10 min。染色工藝曲線見圖6。

圖6 染色工藝曲線

2.5.3 染色性能指標(biāo)

按照圖6所示的工藝曲線，根據(jù)GB/T 2391—2014測固色率，并計算K/S值，K/S值主要是用來表示織物染色深度，進(jìn)而表示染色性能的好壞，K/S值的計算公式見式（1）［11］。

式中：K為被測物體的吸收系數(shù)，S為被測物體的散射系數(shù)，P∞為被測物體為無限厚時的反射率因數(shù)。

普通粘膠纖維和青蒿改性粘膠纖維的染色性能指標(biāo)見表1。

表1 青蒿改性粘膠纖維和普通粘膠纖維的染色性能

從表1可以看出，與普通粘膠纖維相比，青蒿改性粘膠纖維上染料的上染率和固色率都有小幅度降低，這是因?yàn)榛钚匀玖吓c纖維結(jié)合發(fā)生了反應(yīng)，生成了共價鍵，而青蒿提取物的加入減少了青蒿改性粘膠纖維上與活性染料發(fā)生共價結(jié)合的基團(tuán)，使得活性染料的上染率、固色率都有所下降。青蒿改性粘膠纖維的K/S值有所升高，這表明青蒿改性粘膠纖維染色后的色澤要比普通粘膠纖維深，染色性能更好。

2.6 抗菌性能

按照GB/T 20944.2—2007對青蒿改性粘膠纖維和普通粘膠纖維進(jìn)行抗菌性能測試，具體步驟：稱取0.4 g試樣滅菌，分別用移液器取0.2 mL大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的試液進(jìn)行接種，確保菌液不要黏在瓶壁上，蓋緊瓶蓋，放在37℃的隔水恒溫箱中培養(yǎng)20 h，在培養(yǎng)后的各小瓶中加入生理鹽水20 mL，蓋緊瓶蓋搖晃30 s，以10倍稀釋法稀釋6次，再將試液吸取1 mL放入培養(yǎng)皿中，在隔水恒溫培養(yǎng)箱中以37℃培養(yǎng)25 h，最后讀取出培養(yǎng)皿中不同稀釋倍數(shù)試液的菌落數(shù)，并且根據(jù)公式（2）計算抑菌率，計算結(jié)果見表2。

表2 青蒿改性粘膠纖維和普通粘膠纖維的抑菌率

式中：Ct是3個對照樣接種并培養(yǎng)后測得細(xì)菌數(shù)的平均值，Tt是3個試樣接種并培養(yǎng)后測得細(xì)菌數(shù)的平均值。

GB/T 20944.2—2007中對抗菌效果的評價規(guī)定：當(dāng)抑菌率大于等于90%時，樣品具有抗菌效果；當(dāng)抑菌率大于等于99%時，樣品具有良好的抗菌效果。由表2可以看出，青蒿改性粘膠纖維對3類細(xì)菌的抑菌率都高于普通粘膠纖維，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率更是大于99%，說明從青蒿中提取的抗菌物質(zhì)可以有效抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長，青蒿改性粘膠纖維具有良好的抗菌作用。

3 結(jié)論

青蒿改性粘膠纖維的成功研發(fā)，使纖維素纖維不經(jīng)后加工而具有一定的抗菌性，具有良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。青蒿改性粘膠纖維與普通粘膠纖維形貌和組成相似；青蒿改性粘膠纖維結(jié)晶度、機(jī)械性能、回潮率、上染率和固色率略低于普通粘膠纖維，但K/S值高于普通粘膠纖維。與普通粘膠纖維相比，青蒿改性粘膠纖維具有良好的抗菌性，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率高達(dá)99%以上，對白色念珠菌的抑菌率達(dá)到91%。