高取向紡粘非織造布制備與抗菌后整理研究

李晨旭，李孫輝，鄧偉雄，湯振榮，于暉

（1.五邑大學(xué) 紡織材料與工程學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020；2.廣東必得福醫(yī)衛(wèi)科技股份有限公司，廣東 佛山 528000；3.江門(mén)市舒而美醫(yī)療用品有限公司，廣東 江門(mén) 529000）

由于疫情肆虐，人們對(duì)醫(yī)用口罩、非織造防護(hù)服、消毒濕巾和一次性衛(wèi)生用品等產(chǎn)品的需求快速增長(zhǎng)，其中制備原料紡粘非織造布備受關(guān)注.紡粘法始于20 世紀(jì)40 年代，即在聚合物成形過(guò)程中利用冷氣流對(duì)擠出的熔體進(jìn)行冷卻，熔體細(xì)絲在冷卻過(guò)程中受到氣流牽伸，形成連續(xù)的長(zhǎng)絲、再成網(wǎng)，進(jìn)一步加固形成非織造布[1].紡粘法非織造工藝具有生產(chǎn)流程短、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品性能優(yōu)良以及應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn).目前對(duì)一些無(wú)紡擦拭布、單向彈力無(wú)紡布等紡粘非織造布制成品，要求其在縱向有足夠的拉伸強(qiáng)度，以保證產(chǎn)品在使用時(shí)不會(huì)被輕易拉伸變形.從微觀角度觀察，這類(lèi)產(chǎn)品縱向纖維的數(shù)量多于橫向的，有這樣結(jié)構(gòu)的非織造布簡(jiǎn)稱為高取向紡粘非織造布.從紡粘非織造布的結(jié)構(gòu)可知，纖維取向排列是影響非織造材料力學(xué)強(qiáng)度的重要因素[2].在實(shí)際生產(chǎn)中，紡粘工藝參數(shù)對(duì)非織造布的結(jié)構(gòu)有影響，文獻(xiàn)[3]討論了牽伸風(fēng)速、網(wǎng)簾頻率、原料擠出速度等工藝參數(shù)對(duì)聚乳酸（PLA）紡粘非織造布的纖維結(jié)晶度、纖維力學(xué)強(qiáng)度以及孔徑分布的影響；Y.E.Lee 等[4]探究了接收距離（DCD）對(duì)聚氨酯熔噴非織造布纖維直徑和纖維取向度的影響.但目前對(duì)紡粘非織造布纖維取向排列相關(guān)的研究較少，所以有必要探究紡粘工藝參數(shù)對(duì)纖維取向排列的影響.

微膠囊技術(shù)是利用高分子材料將一些易揮發(fā)的、不穩(wěn)定的活性物質(zhì)包埋起來(lái)的微觀級(jí)別包埋技術(shù)[5].在微膠囊后整理技術(shù)方面，鄭云龍等[6]將殼聚糖與明膠作為壁材，通過(guò)二者帶有相反電荷發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，將綠莧、龍葵等天然提取物包裹作為芯材制備出抗菌微膠囊，通過(guò)優(yōu)化制備條件，將抗菌微膠囊整理到棉織物上以增強(qiáng)抗菌性能；葉景鵬等[7]通過(guò)乳化交聯(lián)法，將玫瑰精油作為芯材，殼聚糖作為殼材，戊二醛作為交聯(lián)劑，制備出芳香微膠囊并整理到絲綢紡織品上.通過(guò)以上研究可知，微膠囊可用于紡織品的后整理工藝，增強(qiáng)紡織品的抗菌香氛等性能.

本文擬從紡粘法生產(chǎn)工藝參數(shù)與抗菌微膠囊后整理兩方面進(jìn)行探究，選用天然抗菌材料殼聚糖作為殼材，芯材選用對(duì)大腸桿菌等具有很好抑制性的葡萄柚抗菌精油[8]，用浸漬工藝將微膠囊整理在高取向紡粘非織造布上，旨在使非織造布產(chǎn)品具有安全、持久的抗菌性能.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：聚丙烯（?？松梨诠荆?，殼聚糖（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），三聚磷酸鈉、吐溫-80（上海麥克林生化科技有限公司），葡萄柚精油（廣州泰樂(lè)化工科技有限公司），營(yíng)養(yǎng)瓊脂平皿、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌（上海魯微科技有限公司）.

實(shí)驗(yàn)儀器：紡粘無(wú)紡布試驗(yàn)機(jī)FCN-1（淄博市臨淄方辰母料廠），超景深顯微鏡（基恩士），萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（深圳蘭博三思材料檢測(cè)有限公司），懸臂式機(jī)械攪拌器、磁力攪拌器（德國(guó)IKA），集熱式磁力攪拌器（西安儀貝爾儀器設(shè)備有限公司），冷凍離心機(jī)（SIGMA），冷凍干燥機(jī)（斯沃德儀器設(shè)備有限公司），納米粒度儀（Brookhaven），傅里葉紅外光譜儀（Thermo-Fisher），掃描電鏡（捷克TESCAN），恒溫培養(yǎng)箱（上海一恒儀器有限公司）.

1.2 紡粘非織造布的制備

紡粘非織造布的生產(chǎn)工藝流程是：將干燥后的聚丙烯樹(shù)脂顆粒放入螺桿擠出機(jī)熔融加壓，經(jīng)過(guò)計(jì)量泵定量擠出；經(jīng)熔體分配過(guò)濾板從噴絲板中噴出形成一定細(xì)度的初生長(zhǎng)絲，經(jīng)側(cè)吹風(fēng)裝置將初生長(zhǎng)絲冷卻、正壓牽伸裝置中的牽伸氣流拉伸后在成網(wǎng)簾上形成纖維網(wǎng)；最后經(jīng)過(guò)熱加固工序形成非織造布.

本文通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)探究影響纖維取向度的因素，調(diào)整紡粘工藝參數(shù)的4 組實(shí)驗(yàn)如下，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后收集制備出的紡粘非織造布，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)5 次取平均值.

1）原料擠出速度依次為26、27、28、29、30、31g/min，網(wǎng)簾速度為5.6 m/min，牽伸風(fēng)速為15 m/s，吸風(fēng)風(fēng)速為6.8 m/s.

2）網(wǎng)簾速度依次為2.6、3.6、4.6、5.6、6.6、7.6、8.6、9.6 m/min，原料擠出速度為28 g/min，牽伸風(fēng)速為15 m/s，吸風(fēng)風(fēng)速為6.8 m/s.

3）牽伸風(fēng)速依次為13、14、15、16、17、18 m/s，網(wǎng)簾速度為5.6 m/min，原料擠出速度為28 g/min，吸風(fēng)風(fēng)速為6.8 m/s.

4）吸風(fēng)風(fēng)速依次為6.2、6.5、6.8、7.1、7.4、7.7 m/s，網(wǎng)簾速度為5.6 m/min，原料擠出速度為28 g/min，牽伸風(fēng)速為15 m/s.

1.3 抗菌微膠囊的制備

將一定量的殼聚糖粉末放入1%的乙酸溶液中，用磁力攪拌器攪拌至完全溶解.向殼聚糖溶液中滴入適量乳化劑吐溫-80，在40°C 水浴溫度下攪拌，標(biāo)為溶液A.取適量葡萄柚精油逐滴加入溶液A中，在900 r/min 的速度下機(jī)械攪拌20 min，形成水包油乳液，標(biāo)為溶液B.將溶液B 逐滴加入到一定濃度的三聚磷酸鈉溶液中，并緩慢攪拌，制備成抗菌乳液.將制得的抗菌乳液離心，過(guò)濾出沉淀后，用去離子水將沉淀重懸，形成抗菌微膠囊乳液.抗菌微膠囊乳液冷凍干燥48 h，得到微膠囊粉末.

1.4 紡粘非織造布的抗菌整理

將制備的高取向紡粘非織造布用去離子水清洗晾干，再放入抗菌微膠囊乳液中浸漬處理.浴比為 1 :50，浸漬溫度為40°C.浸漬1 h 后，在80°C的溫度下烘干3 min，再在室溫下完全晾干，制備出抗菌非織造布.

1.5 測(cè)試與表征

1.5.1 纖維取向度的測(cè)量

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中收集非織造布樣品，首先用200 倍率超景深顯微鏡對(duì)不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)布樣的整體進(jìn)行觀察，然后用500 倍率超景深顯微鏡隨機(jī)選取布樣的5 個(gè)區(qū)域并保存圖像.采用直接測(cè)角法測(cè)量纖維取向，用ImageJ 軟件測(cè)量纖維與網(wǎng)簾運(yùn)行方向（MD）的角度，測(cè)量圖像中10 根纖維的角度，求平均值.纖維取向度f(wàn)采用Hermans 夾角余弦均方值函數(shù)計(jì)算如下:

式中，θ為纖維與網(wǎng)簾運(yùn)行方向（MD）的夾角；取向度f(wàn)越接近1，則纖維的縱向取向度越高.

1.5.2 紡粘非織造布的力學(xué)性能

為了驗(yàn)證非織造布的纖維取向度，對(duì)樣品進(jìn)行力學(xué)性能的測(cè)試.在樣品的網(wǎng)簾運(yùn)行方向（MD）和垂直網(wǎng)簾運(yùn)行方向（CD），各裁取5塊規(guī)格為15 cm ×5 cm的樣條.在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸測(cè)試，求出每個(gè)樣品縱橫向斷裂強(qiáng)力的平均值，算出每個(gè)樣品的縱橫向強(qiáng)力比（MD/CD）.縱橫向強(qiáng)力比越大，纖維的縱向取向度越高

1.5.3 微膠囊包封率、載藥率的測(cè)定

首先繪制精油的標(biāo)準(zhǔn)曲線.用無(wú)水乙醇將抗菌精油配置成1、2、3、4、5 μg/mL 的乙醇-精油溶液，使用紫外分光光度計(jì)在206 nm 測(cè)定各濃度溶液的吸光度，以吸光度為縱坐標(biāo)、抗菌精油濃度為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線.

然后將抗菌微膠囊乳液在9 000 r/min 下離心，取100 μL 上清液，用無(wú)水乙醇定容至10 mL.用分光光度計(jì)測(cè)定溶液的吸光值，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)曲線算出游離精油量.包封率為總投入量減去游離量之差與總投入量之比，載藥率為總投入量減去游離量之差與微膠囊粉末質(zhì)量之比：

1.5.4 微膠囊表面形貌觀察與粒徑測(cè)量

將抗菌乳液滴在載玻片上，用另一片載玻片蓋住除去氣泡，用超景深顯微鏡觀察表面形貌.將抗菌乳液稀釋，使用納米粒度儀對(duì)微膠囊粒徑進(jìn)行測(cè)量.

1.5.5 微膠囊化學(xué)結(jié)構(gòu)表征

用傅里葉紅外光譜儀對(duì)抗菌微膠囊粉末、殼聚糖粉末、精油進(jìn)行紅外測(cè)試，在500～ 4 000 cm-1范圍進(jìn)行掃描，掃描次數(shù)為32次.

1.5.6 抗菌非織造布的表面形貌表征

將未經(jīng)后整理的高取向紡粘非織造布，以及制備出的高取向抗菌紡粘非織造布剪成合適的大小，再貼附在電鏡臺(tái)上，經(jīng)過(guò)噴金處理后，使用掃描電鏡觀察高取向抗菌紡粘非織造布上微膠囊的分布狀態(tài).

1.5.7 抗菌非織造布的抗菌性能測(cè)試

采用抑菌圈法對(duì)高取向抗菌非織造布的抗菌性能進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)菌種為大腸桿菌和金黃色葡萄球菌.將非織造布剪成直徑為25 mm 的圓形，放入細(xì)菌培養(yǎng)基中.培養(yǎng)基在37°C 恒溫條件下培養(yǎng)24 h，然后觀察抑菌圈，每種菌種的抗菌實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次.

2 結(jié)果與討論

2.1 紡粘非織造布的圖像采集

用200 倍率超景深顯微鏡對(duì)不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)布樣的整體進(jìn)行觀察，如圖1-a 所示；用500 倍率超景深顯微鏡隨機(jī)選取布樣的5 個(gè)位置，如圖1-b 所示.保存圖像進(jìn)行后續(xù)纖維取向度的測(cè)量.

圖1 高取向紡粘非織造布超景深顯微鏡圖像

2.2 紡粘非織造布取向度的影響因素

2.2.1 網(wǎng)簾速度對(duì)纖維取向的影響

圖2-a顯示：網(wǎng)簾速度從2.6 m/min 提高到9.6 m/min，非織造布纖維取向度f(wàn)從0.148增長(zhǎng)到0.441；圖2-b顯示：網(wǎng)簾速度從2.6 m/min 提高到9.6 m/min，非織造布縱橫向拉伸比從1.603增長(zhǎng)到3.054；圖2-c顯示：當(dāng)網(wǎng)簾速度超過(guò)7.6 m/min 時(shí)，縱向斷裂強(qiáng)力已經(jīng)減小到30 N 以下，顯示紡粘非織造布縱向強(qiáng)力過(guò)小.即，網(wǎng)簾速度提高，纖維的縱向取向度增大，非織造布中纖維整體沿縱向取向的趨勢(shì)更明顯.

圖2 網(wǎng)簾速度對(duì)纖維取向的影響

分析認(rèn)為，纖網(wǎng)鋪網(wǎng)速度的縱向分量會(huì)隨著網(wǎng)簾頻率的提高而增大，但其橫向分量保持不變，其結(jié)果導(dǎo)致纖維在整體上趨于沿縱向排列[9].隨著網(wǎng)簾速度的提高，纖維在牽伸器出口到網(wǎng)簾上停留的時(shí)間會(huì)減少，使得纖維以平直的方式落在網(wǎng)簾上.因此，網(wǎng)簾速度的提高可以使纖維的縱向取向度增大；但當(dāng)網(wǎng)簾速度超過(guò)7.6 m/min 時(shí)，非織造布的克重降低，導(dǎo)致其縱向斷裂強(qiáng)力過(guò)低.

2.2.2 原料擠出速度對(duì)纖維取向的影響

如圖3所示：隨著原料擠出速度從26 g/min 提高到31 g/min，纖維取向度f(wàn)在0.22和0.25之間波動(dòng)，其縱橫向拉伸比從1.947上升到2.376，同時(shí)紡粘非織造布的縱向斷裂強(qiáng)力有明顯提高.即，原料擠出速度對(duì)纖維取向度的影響不明顯.分析認(rèn)為，隨著原料擠出速度的增加，作用在熔體細(xì)流單位流量上的氣流拉伸力會(huì)減小，使纖維的拉伸程度降低，纖維直徑變大.因此，原料擠出速度對(duì)纖維取向排列的變化不明顯，但會(huì)增大紡粘非織造布的縱向斷裂強(qiáng)力.

圖3 原料擠出速度對(duì)纖維取向的影響

2.2.3 牽伸風(fēng)速對(duì)纖維取向的影響

如圖4所示：隨著牽伸風(fēng)速?gòu)?3 m/s 提高到18 m/s 時(shí)，纖維取向度f(wàn)從0.194增長(zhǎng)到0.248又下降到0.196，呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)；非織造布縱橫向拉伸比從1.918增長(zhǎng)到2.491后也有回落的趨勢(shì).即，適當(dāng)?shù)臓可祜L(fēng)速可以使纖維取向度增大.分析認(rèn)為，隨著牽伸風(fēng)速的增大，正壓牽伸風(fēng)會(huì)向網(wǎng)簾行進(jìn)方向給纖維增加力，使纖維沿著縱向鋪在網(wǎng)簾上，但過(guò)快的風(fēng)力（牽伸風(fēng)速超過(guò)16 m/s 時(shí)）會(huì)影響纖維的排列，導(dǎo)致纖維在網(wǎng)簾上趨于無(wú)序排列，使得纖維取向度又下降.

圖4 牽伸風(fēng)速對(duì)纖維取向的影響

2.2.4 吸風(fēng)風(fēng)速對(duì)纖維取向的影響

如圖5所示：吸風(fēng)風(fēng)速?gòu)?.2 m/s 提高到7.7 m/s，纖維取向度f(wàn)從0.201增長(zhǎng)到0.316，非織造布縱橫向拉伸比從1.987增長(zhǎng)到2.406.即，增大吸風(fēng)風(fēng)速，可以增加纖維縱向取向度.分析認(rèn)為，吸風(fēng)的作用是把纖維吸附在網(wǎng)簾上以免被牽伸風(fēng)吹散，吸風(fēng)風(fēng)速增大纖維網(wǎng)能更好地貼附在網(wǎng)簾上.

圖5 吸風(fēng)風(fēng)速對(duì)纖維取向的影響

2.3 抗菌微膠囊制備工藝的優(yōu)化

2.3.1 芯壁比對(duì)微膠囊包封率和載藥率的影響

在恒定乳化劑和三聚磷酸鈉的濃度下，改變抗菌精油的投入量，進(jìn)而改變芯壁比.如圖6所示，當(dāng)芯壁比從 1 :0.4增長(zhǎng)到 1 :1.4 時(shí)，微膠囊包封率呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì).當(dāng)芯壁比為 1 :1時(shí)，測(cè)得最大包封率為62.38%，之后再增加精油量，微膠囊的包封率開(kāi)始下降.在芯壁比超過(guò) 1 :1后，微膠囊的載藥率也穩(wěn)定在28%左右.產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是隨著芯材含量的增加，其負(fù)載量已飽和，相對(duì)于加入精油的總量，比例降低[10].故制備微膠囊的最佳芯壁比為 1 :1.

圖6 芯壁比對(duì)微膠囊包封率和載藥率的影響

2.3.2 TPP對(duì)微膠囊包封率和載藥率的影響

如圖7所示：固定芯壁比和乳化劑的用量、改變?nèi)哿姿徕c（TPP）的質(zhì)量濃度，當(dāng)其從0.2 mg/mL增加到1.2 mg/mL 時(shí)，微膠囊的包封率呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì).ρTPP為0.8 mg/mL 時(shí)，包封率為63.23%，之后微膠囊包封率明顯下降.這是因?yàn)門(mén)PP濃度過(guò)大，過(guò)量的帶負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)無(wú)法與殼聚糖交聯(lián)成納米液滴，在攪拌時(shí)，納米乳液間相互碰撞而粘連形成了更大的聚集體，進(jìn)而絮凝沉淀，使得包封率降低[11].同樣，包封率的下降也導(dǎo)致載藥率的下降.故，TPP最佳質(zhì)量濃度為0.8 mg/mL.

圖7 TPP對(duì)微膠囊包封率和載藥率的影響

2.3.3 乳化劑對(duì)微膠囊包封率和載藥率的影響

如圖8所示：恒定芯壁比和TPP濃度、改變?nèi)榛瘎┩聹?80的用量，當(dāng)乳化劑用量從200 μL 增加到1 200 μL 時(shí)，微膠囊的包封率呈上升趨勢(shì).在乳化劑用量為1 000 μL 時(shí)，包封率達(dá)到60.64%，后面開(kāi)始下降.這是因?yàn)殡S著乳化劑用量的增加，抗菌乳液更穩(wěn)定并有助于包封率的提高；而當(dāng)其用量過(guò)大時(shí)，乳化劑會(huì)粘附在液滴表面，不利于液滴的形成[12].乳化劑會(huì)使微膠囊彼此粘連，不利于精油的包封，導(dǎo)致包封率和載藥率下降.故，乳化劑的最佳用量為1 000 μL.

圖8 乳化劑對(duì)微膠囊包封率和載藥率的影響

2.4 抗菌微膠囊的相關(guān)表征

2.4.1 抗菌微膠囊表面形貌觀察與粒徑測(cè)量

圖9-a為抗菌微膠囊乳液的超景深顯微鏡圖，可以看出乳液中的微膠囊為規(guī)整的球形，表面光滑、具有明顯的殼核結(jié)構(gòu)，證明了精油被包裹在殼聚糖內(nèi)部.圖9-b顯示，微膠囊平均粒徑475 nm 左右，粒徑較小.

圖9 微膠囊表面形貌和平均粒徑

2.4.2 抗菌微膠囊的紅外表征

使用FTIR對(duì)殼聚糖粉末、抗菌精油和微膠囊的化學(xué)成分進(jìn)行分析.如圖10所示：殼聚糖在2870 cm-1（—CH拉伸）、1 590 cm-1（苯基）、1 021 cm-1（C—O—C拉伸）顯示出特征峰；抗菌精油的紅外光譜出現(xiàn)大量特征峰，說(shuō)明存在多種揮發(fā)性化合物，精油中的特征峰1375 cm-1、1 642 cm-1、2 145 cm-1均出現(xiàn)在微膠囊的光譜中；微膠囊的 2 891 cm-1（C—H伸展）強(qiáng)度增加，這是因?yàn)榘窬秃驝—H的含量上升，證明精油被包埋成功.

圖10 殼聚糖、精油和微膠囊的紅外光譜圖

2.5 抗菌非織造布的表征與測(cè)試

2.5.1 抗菌非織造布表面形貌表征結(jié)果

掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)處理的高取向紡粘非織造布纖維表面光滑，無(wú)其他附著物（圖11-a）；而高取向抗菌紡粘非織造布，其纖維表面附著了形狀不規(guī)則的小顆粒（圖11-b），這些顆粒就是包裹了抗菌精油的微膠囊.

圖11 高取向紡粘非織造布的掃描電鏡圖

2.5.2 抗菌非織造布抗菌性能測(cè)試結(jié)果

如圖12所示，抗菌非織造布對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有抗菌性，測(cè)得培養(yǎng)基中抑菌圈直徑分別為26.5 mm 和27 mm.證明微膠囊抗菌效果良好，并具有廣譜抗菌性.

圖12 抑菌圈實(shí)驗(yàn)圖

3 結(jié)論

本文采用狹縫正壓牽伸紡絲工藝，通過(guò)調(diào)整牽伸風(fēng)速、吸風(fēng)風(fēng)速、網(wǎng)簾速度與原料擠出速度等工藝參數(shù)，制備得到縱向高取向紡粘非織造布，其纖維取向度為0.4.采用乳化交聯(lián)法，通過(guò)調(diào)整芯壁比、乳化劑用量與三聚磷酸鈉濃度等工藝參數(shù)，探究出殼聚糖-葡萄柚精油抗菌微膠囊的最佳制備工藝.并通過(guò)浸漬法將微膠囊整理在高取向紡粘非織造布上，最終得到高取向抗菌紡粘非織造布.本文制備的高取向抗菌紡粘非織造布具有優(yōu)異的縱向拉伸強(qiáng)力和抗菌性能，可以應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域中的紡織產(chǎn)品.