氯胺接枝滌綸/錦綸超細(xì)纖維針織物的抗菌性能

熊坦平，譚 飛，黃 成，閻克路，鄒 妮，王 政，葉敬平，紀(jì)柏林

(1.上海利以德特種絲有限公司，上海 201508；2.東華大學(xué) 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院，上海 201620；3.上海市第一人民醫(yī)院，上海 201620；4.福建百宏聚纖科技實(shí)業(yè)有限公司，福建 泉州 362200)

抗菌紡織品是一類(lèi)十分重要的功能性紡織品，可應(yīng)用于服飾、床品、醫(yī)療、衛(wèi)生清潔等行業(yè)，保護(hù)人體免受病毒、細(xì)菌、孢子和真菌等微生物傷害，并保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生安全。紡織品的抗菌功能通常需要采用抗菌劑來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括季銨鹽化合物、鹵代酚、殼聚糖、多雙胍、鹵胺化合物、光催化型抗菌劑(如二氧化鈦)和納米抗菌劑(如納米銀)等[1-3]。紡織品最理想的抗菌性能應(yīng)該是在很短的接觸時(shí)間內(nèi)使微生物完全失活，且對(duì)人體沒(méi)有危害、對(duì)皮膚無(wú)刺激。另外，其抗菌功能還應(yīng)具有耐久性，經(jīng)50次家庭洗滌后仍然保持該功能。但并不是所有抗菌劑都能達(dá)到這些要求，鹵胺化合物則具備優(yōu)異的控菌性能和耐洗滌性能。

鹵胺結(jié)構(gòu)大都來(lái)自含N—Cl或N—Br鍵的雜環(huán)化合物，3-烯丙基-5,5-二甲基乙內(nèi)酰脲(ADMH)就是其中的一種環(huán)鹵胺前驅(qū)體結(jié)構(gòu)，采用接枝共聚的方法可使ADMH與紡織纖維表面以共價(jià)鍵牢固結(jié)合。而前驅(qū)體化合物中的N—H與漂白水中的活性氯反應(yīng)，生成氯胺結(jié)構(gòu)(N—Cl)，這一過(guò)程被稱(chēng)為活化。在潮濕條件下，N—Cl斷裂釋放出Cl+，殺死細(xì)菌；此時(shí)，N—Cl變?yōu)镹—H，其可再次被活化而獲得抗菌性能。鹵胺紡織品的抗菌劑結(jié)構(gòu)及其機(jī)制已有許多詳細(xì)的研究報(bào)道[4-5]，可再生是鹵胺類(lèi)抗菌劑最突出的優(yōu)勢(shì)之一。

本文研究了已有文獻(xiàn)中未涉及的氯胺紡織品在實(shí)際應(yīng)用中的情況，并檢測(cè)其抗菌速率，評(píng)價(jià)30 s～30 min內(nèi)的抗菌性能。另外，大量的檢測(cè)報(bào)告顯示，疾病的爆發(fā)與物體表面的細(xì)菌污染密切相關(guān)，導(dǎo)致嚴(yán)重的公共安全問(wèn)題[6-8]，因此，本文將以氯胺改性的清潔布擦拭醫(yī)院病床和公共食堂餐桌的表面，用以評(píng)價(jià)其實(shí)際應(yīng)用的抗菌性能，并對(duì)所制備織物的抗病毒效果進(jìn)行了檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

3-烯丙基-5,5-二甲基乙內(nèi)酰脲(ADMH，工業(yè)品)；滌綸/錦綸(80/20)超細(xì)纖維針織物，紗線(xiàn)線(xiàn)密度為18.6 tex，橫密為16縱行/(5 cm)，縱密為 18橫列/(5 cm)，面密度為160 g/m2，蘇州德賽斯日用品有限公司；革蘭氏陽(yáng)性菌金黃色葡萄球菌(S.aureus,ATCC6538)和革蘭氏陰性菌大腸桿菌(E.coli,ATCC8099)，南京便診生物科技有限公司；酵母提取物、胰蛋白胨(生化試劑)，英國(guó)OXOID公司；氯化鈉(分析純)、硫代硫酸鈉(Na2S2O3，分析純)、可溶性淀粉(分析純)、硫酸(分析純)、次氯酸鈉(化學(xué)純)、瓊脂粉(生化試劑)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；碘化鉀(分析純)，上海泰坦科技股份有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

ZHWY-200H型恒溫培養(yǎng)振蕩器(上海智城分析儀器制造有限公司)，ZHJH-C1112B型超凈工作臺(tái)(上海智城分析儀器制造有限公司)，GHP-9080型恒溫培養(yǎng)箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)，Washtec-P A2型標(biāo)準(zhǔn)洗衣機(jī)(上海羅中科技發(fā)展有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 ADMH對(duì)織物的接枝整理工藝

按照文獻(xiàn)[9]工藝采用ADMH對(duì)織物進(jìn)行接枝整理。首先配制含ADMH(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%)、過(guò)氧化苯甲酰(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%)、10%苯甲酸乙酯(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%)的改性整理液；然后將織物浸軋整理液(軋余率為90%)，于80 ℃烘干1 min；接著將烘干織物再次浸軋整理液(軋余率為90%)，于180 ℃焙烘1.5 min，得到ADMH接枝整理織物。

1.3.2 ADMH接枝整理織物的活化工藝

將ADMH接枝整理織物置于次氯酸鈉溶液(pH值約為11)中浸泡進(jìn)行活化處理，一定時(shí)間后用去離子水充分沖洗，最后于一定溫度下進(jìn)行烘干，得到活化處理后的ADMH接枝整理織物，簡(jiǎn)稱(chēng)氯胺抗菌織物。研究了烘干溫度(自然風(fēng)干、60、70、80、90 ℃)、烘干時(shí)間(20、30、40、50、60 min)、活化時(shí)間(10、15、20、25、30、35 min)、溶液中活性氯含量(500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 mg/kg)對(duì)整理織物上活性氯含量的影響。

1.4 測(cè)試與表征

1.4.1 活性氯含量測(cè)試

干燥后通過(guò)碘滴定法對(duì)活化織物表面活性氯進(jìn)行定量測(cè)試[10]。稱(chēng)取一定質(zhì)量的活化氯胺抗菌織物，投入含有10 mL硫酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%)、10 mL碘化鉀溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%)及50 mL去離子水的溶液中，振蕩30 min充分反應(yīng)，然后再加入2 mL淀粉溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%)。采用Na2S2O3溶液(濃度為1 mol/L)對(duì)上述反應(yīng)后溶液進(jìn)行滴定，溶液由藍(lán)色變?yōu)闊o(wú)色時(shí)為滴定終點(diǎn)[11-12]。按下式計(jì)算氯胺抗菌織物上的活性氯含量：

式中：V1為ADMH接枝整理織物Na2S2O3的消耗量，mL；V2為氯胺抗菌織物Na2S2O3的消耗量，mL；C為Na2S2O3的濃度，mol/L；m為織物質(zhì)量，kg。

織物上活性氯損失率按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Cl1為自然風(fēng)干時(shí)氯胺抗菌織物上的活性氯含量，mg/kg；Cl2為一定溫度下烘干時(shí)氯胺抗菌織物上的活性氯含量，mg/kg。

1.4.2 氯胺抗菌織物抗菌性能測(cè)試

1.4.2.1抑菌率測(cè)試 參考AATCC 100—2004《紡織品材料上耐細(xì)菌整理：評(píng)定》，并根據(jù)文獻(xiàn)[4]中方法進(jìn)行測(cè)試?？椢锍叽绮眉魹?.5 cm × 3.5 cm，原樣需要經(jīng)過(guò)滅菌處理(蒸汽滅菌鍋121 ℃下處理15 min)，活化的氯胺抗菌織物無(wú)需滅菌處理。將織物放于培養(yǎng)基上，在織物上均勻滴加0.6 mLS.aureus(或者E.coli)菌液(按具體實(shí)驗(yàn)指定濃度)；一定時(shí)間(0.5、1、3、5、10、30 min)后，將織物轉(zhuǎn)入60 mL Na2S2O3溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%)中，振蕩反應(yīng)3 min，淬滅織物上殘余的活性氯，并使織物上的細(xì)菌脫落，在溶液中均勻分散[11-12]。按10倍系列稀釋法稀釋振蕩溶液，滴入培養(yǎng)基，培養(yǎng)箱溫度設(shè)定為37 ℃，S.aureus培養(yǎng)18 h，E.coli培養(yǎng)10 h。按下式計(jì)算抑菌率：

式中：A為原樣培養(yǎng)基上的菌落個(gè)數(shù)；B為氯胺抗菌織物培養(yǎng)基上的菌落個(gè)數(shù)。

1.4.2.2ICU病房擦拭抗菌性能定性測(cè)試 將活化氯胺抗菌織物應(yīng)用于醫(yī)院ICU病房的清潔處理，試樣的抗菌性能測(cè)試均在該醫(yī)院微生物實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。具體步驟為：1)擦拭前取樣。將滅菌后的規(guī)格板(5 cm × 5 cm)放在邊柜上，用棉拭子預(yù)先浸漬無(wú)菌中和液，然后在規(guī)格板內(nèi)按水平和垂直方向各涂抹5次；連續(xù)取樣4個(gè)不同點(diǎn)并做標(biāo)記，將取樣棉拭子立即放入試管(含9 mL取樣液)中并送檢(簡(jiǎn)稱(chēng)取樣送檢)。將取樣液充分振蕩并取1 mL加入培養(yǎng)基中，在37 ℃恒溫下培養(yǎng)24 h。采用相同方法擦拭床欄取樣，擦拭長(zhǎng)度約為10 cm，取樣送檢和培養(yǎng)過(guò)程同前。2)將活化氯胺抗菌織物用自來(lái)水浸潤(rùn)，對(duì)床欄和邊柜進(jìn)行擦拭，然后將擦拭織物立即投入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的Na2S2O3溶液(浴比為1∶50)中。3)擦拭后取樣。按步驟1)準(zhǔn)備滅菌規(guī)格板和進(jìn)行棉拭子處理；連續(xù)取樣步驟1)中選取的4個(gè)點(diǎn)并做好標(biāo)記，取樣送檢和培養(yǎng)過(guò)程同步驟1)。采用棉拭子在步驟1)中擦拭的床欄位置進(jìn)行取樣，取樣送檢和培養(yǎng)過(guò)程同步驟1)。

1.4.2.3公共食堂桌面擦拭和抗菌性能測(cè)試 對(duì)100 mL去離子水進(jìn)行滅菌處理，然后將其用于潤(rùn)濕活化氯胺抗菌織物。剪取尺寸為30 cm × 30 cm的織物，連續(xù)擦拭30張不同的餐桌表面。在擦拭完第1張、第10張、第20張、第30張桌面后，分別用已滅菌的衛(wèi)生棉球?qū)ψ烂孢M(jìn)行采樣。將擦拭桌面的活化氯胺抗菌織物和采樣棉拭子立即浸入準(zhǔn)備好的Na2S2O3溶液，室溫振蕩3 min，取1 mL振蕩后的溶液滴入培養(yǎng)基培養(yǎng)24 h，觀察細(xì)菌生長(zhǎng)情況。

1.4.3 氯胺抗菌織物抗病毒性能測(cè)試

抗病毒測(cè)試由廣東省微生物分析檢測(cè)中心完成。按照ISO 18184—2014《抗病毒紡織品測(cè)試》中的感染病毒滴度法，測(cè)試氯胺抗菌織物的抗病毒性能。測(cè)試3次，取平均值。將氯胺抗菌織物(測(cè)試樣)和未經(jīng)抗菌整理的織物(對(duì)照樣)各稱(chēng)取(0.40 ± 0.05) g，剪成20 mm × 20 mm尺寸，放入瓶中、鋁箔紙密封，然后在121 ℃、103 kPa條件下滅菌15 min。將0.2 mL的H1N1病毒懸浮液(108PFU/mL)均勻滴在樣品上接種，將對(duì)照樣立即進(jìn)行洗滌并收集洗滌液；測(cè)試樣和對(duì)照樣在 25 ℃ 下孵育2 h后分別進(jìn)行洗滌，收集洗滌液。采用混勻器將各自洗滌液混勻，每次5 s，共計(jì)5次，然后將洗滌液按照10倍系列稀釋法進(jìn)行稀釋并在培養(yǎng)板(含有細(xì)胞)上進(jìn)行測(cè)試，在CO2培養(yǎng)箱中34 ℃保持1 h，讓細(xì)胞吸收病毒。然后，加入維持介質(zhì)后，繼續(xù)在CO2培養(yǎng)箱中于34 ℃保持 7 d；取出后用顯微鏡觀察細(xì)胞病變情況。感染病毒滴度V按下式進(jìn)行計(jì)算：

V=X×10∑p+0.5×C

式中：X為起始病毒懸浮液的稀釋倍數(shù)；p為病毒懸浮液在各自稀釋倍數(shù)下的細(xì)胞病變效應(yīng)的比率；C為洗脫病毒懸浮液的體積，mL。

抗病毒活性值M按下式進(jìn)行計(jì)算：

M=lgv1-lgv2

式中：v1為對(duì)照樣的感染病毒滴度；v2為測(cè)試樣的感染病毒滴度(接種孵育時(shí)間均為2 h)。根據(jù)M計(jì)算抗病毒活性率：

P=(1-10-M)×100%

1.4.4 氯胺抗菌織物耐洗性測(cè)試

按照AATCC 61—2006《耐家庭和商業(yè)洗滌色牢度：加速法》，將氯胺抗菌織物放入鋼杯(額外加50粒不銹鋼鋼珠)，加入150 mL的標(biāo)準(zhǔn)洗滌劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%)溶液進(jìn)行洗滌，設(shè)定洗滌溫度為49 ℃，洗滌時(shí)間為45 min，最后用清水充分水洗。以上工序稱(chēng)為1次洗滌循環(huán)，等同于5次家庭洗衣機(jī)洗滌[11-12]，織物共計(jì)進(jìn)行10次洗滌循環(huán)。每個(gè)洗滌循環(huán)后，按照1.3.1節(jié)的方法進(jìn)行活化，并測(cè)試織物上的活性氯含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 氯胺抗菌織物活化工藝分析

滌綸/錦綸超細(xì)纖維針織物經(jīng)ADMH乳液整理后，接枝的亞胺結(jié)構(gòu)需要經(jīng)過(guò)活化才能發(fā)揮抗菌作用?；罨劝房咕椢锷螻—Cl基團(tuán)越多，則抗菌性能越好，但其數(shù)量受ADMH接枝率和后續(xù)活化工藝的影響。不同活化工藝參數(shù)對(duì)織物上活性氯含量的影響如圖1所示。

由圖1(a)可見(jiàn)，經(jīng)活化處理并在60 ℃烘30 min，織物上的活性氯含量由自然風(fēng)干時(shí)的336 mg/kg降為314 mg/kg，損失率約為6.5%。隨著烘干溫度繼續(xù)升高，織物上活性氯減少較多，90 ℃時(shí)織物上活性氯含量?jī)H為229 mg/kg，損失率為31.8%。當(dāng)固定織物烘干溫度為60 ℃時(shí)，隨著織物烘干時(shí)間的延長(zhǎng)，織物上活性氯含量逐漸下降(見(jiàn)圖1(b))，變化趨勢(shì)與溫度增加時(shí)的相同。圖1(c)表明，隨著活化時(shí)間增加，織物上活性氯含量逐漸增加，但在20 min以后增加趨勢(shì)放緩。次氯酸鈉溶液中活性氯含量對(duì)織物活化也有較大影響，隨著溶液中活性氯含量的增加，織物上的活性氯含量也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(見(jiàn)圖1(d))，最高達(dá)到319 mg/kg，此時(shí)次氯酸鈉溶液活性氯含量為 3 000 mg/kg。

圖1 活化工藝條件對(duì)織物上活性氯含量的影響Fig.1 Effect of different factors on active chlorine content in fabric:(a) Drying temperature;(b) Drying time;(c) Activating time;(d) Concentration of active chlorine in solution

基于以上分析，確定氯胺抗菌織物的最佳活化工藝為：溶液中活性氯含量3 000 mg/kg，活化時(shí)間20 min，烘干溫度60 ℃，烘干時(shí)間20 min。

2.2 氯胺抗菌織物的抗菌性能分析

采用最佳活化工藝對(duì)氯胺抗菌織物進(jìn)行活化，然后測(cè)試其抗菌性能，結(jié)果如表1所示?？梢?jiàn)，在活化氯胺織物接觸細(xì)菌時(shí)間分別為0.5、1、3、5、10、30 min，接觸細(xì)菌濃度為105CFU/mL條件下，無(wú)論是大腸桿菌還是金黃色葡萄球菌，其與氯胺抗菌織物接觸 1 min 后均被殺滅90%以上；在接觸3 min后，細(xì)菌被殺滅99.999%，因此，活化氯胺抗菌織物表現(xiàn)出快速、高效的殺菌能力。

表1 氯胺抗菌織物對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌能力Tab.1 Antibacterial property of chloramine modified fabrics against S. aureus and E. coli

2.3 氯胺抗菌織物的抗病毒性能分析

將活化并烘干的氯胺抗菌織物送往廣東省微生物分析檢測(cè)中心進(jìn)行抗病毒檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，氯胺抗菌織物的抗病毒活性率為99.94%，抗病毒活性值為3.22，表明氯胺抗菌織物也具有優(yōu)異的抗菌毒性能。

表2 氯胺抗菌織物的抗H1N1病毒性能Tab.2 Antiviral property of N-halamine modified fabrics against H1N1

2.4 實(shí)際抗菌效果分析

2.4.1 醫(yī)院ICU病床護(hù)欄和邊柜擦拭實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在合作醫(yī)院的微生物檢驗(yàn)室進(jìn)行織物抗菌性能的定性檢測(cè)，結(jié)果如表3所示?？梢?jiàn)，擦拭醫(yī)院ICU病房床欄及邊柜后，在擦拭后的固體表面均未檢測(cè)到細(xì)菌。

表3 氯胺抗菌織物擦拭床欄和邊柜的抗菌性能Tab.3 Antibacterial property of N-halamine modified fabrics for wiping side cabinet and bedrail in hospital

2.4.2 公共食堂桌面擦拭效果

采用氯胺抗菌織物對(duì)桌面進(jìn)行擦拭，然后對(duì)桌面和織物進(jìn)行細(xì)菌生長(zhǎng)情況測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。從圖2(a)可以看出，未經(jīng)抗菌布擦拭的桌面確實(shí)存在細(xì)菌。在連續(xù)擦拭1張、10張、20張、30張桌面后，桌面(見(jiàn)圖2(b))及擦拭織物(見(jiàn)圖2(c))上均無(wú)細(xì)菌。連續(xù)擦拭30個(gè)桌面后，不僅擦拭的桌面不帶菌，而且擦拭織物上也不帶菌，說(shuō)明織物上不斷分解釋放Cl+，對(duì)微生物發(fā)揮了殺滅作用。這對(duì)于公共場(chǎng)所的表面清潔可起到關(guān)鍵保護(hù)作用。抗菌性的可再生性是接枝改性抗菌織物最大的優(yōu)勢(shì)。擦拭30張桌面后，經(jīng)ADMH改性的織物可由次氯酸鈉溶液再次進(jìn)行活化，以恢復(fù)其高效抗菌性能。以擦拭30張桌面為1個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)后抗菌織物被活化1次即可再次使用。

圖2 氯胺抗菌織物擦拭餐桌表面的抗菌情況Fig.2 Antibacterial property of N-halamine modified fabrics for wiping dining tables.(a) Bacterial growth on tabletop before wiping;(b) Bacterial growth on tabletop after wiping;(c) Bacterial growth on N-halamine fabric

2.5 氯胺抗菌織物耐洗性和可再生性分析

洗滌后織物上活性氯含量變化如圖3所示。可以看出，織物經(jīng)10次洗滌循環(huán)(相當(dāng)于50次普通洗滌)、活化后，其活性氯含量仍達(dá)到311 mg/kg，與未經(jīng)洗滌的織物(336 mg/kg)相比，活性氯含量降低較少，表明ADMH通過(guò)共價(jià)鍵與織物纖維結(jié)合牢度高，賦予整理織物較好的可再生抗菌功能。

圖3 氯胺抗菌織物經(jīng)不同次數(shù)洗滌及活化后的活性氯含量Fig.3 Active chlorine content of fabrics after different washing times and activation

3 結(jié) 論

1)經(jīng)3-烯丙基-5,5-二甲基乙內(nèi)酰脲(ADMH)接枝整理的滌綸/錦綸超細(xì)纖維針織物，其最佳活化工藝為：次氯酸鈉溶液活性氯含量3 000 mg/kg，活化時(shí)間20 min，烘干溫度60 ℃，烘干時(shí)間20 min。

2)活化氯胺抗菌織物與濃度分別為2.51×105、2.19×105的金黃色葡萄球菌和大腸桿菌進(jìn)行接觸，在接觸3 min后抑菌率均達(dá)到99.999%；活化氯胺抗菌織物對(duì)甲型流感病毒H1N1的抗病毒活性率達(dá)到99.94%。

3)活化氯胺抗菌織物用水潤(rùn)濕并擦拭醫(yī)院ICU病房床欄及邊柜后，在擦拭表面未檢測(cè)到細(xì)菌?；罨劝房咕椢镞B續(xù)擦拭30張食堂桌面后，桌面和擦拭織物均無(wú)細(xì)菌生長(zhǎng)；其可耐受50次的家庭洗滌，且活化后織物上的活性氯含量仍達(dá)到311 mg/kg。

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