抗菌聚丙烯專用料的研制及應(yīng)用

吳建東

(中國石化上海石油化工股份有限公司塑料部，200540)

纖維及非織造布用抗菌聚丙烯專用料具有內(nèi)在抗菌性，所制成的抗菌纖維及抗菌非織造布可以將沾污在纖維和布面上的細(xì)菌在一定時(shí)間內(nèi)殺死或抑制其增殖，保持自身清潔狀態(tài)。與常規(guī)的化學(xué)和物理消毒方法相比，使用抗菌纖維及抗菌非織造布既經(jīng)濟(jì)方便，又可通過長期殺死或抑制細(xì)菌增殖，預(yù)防或降低疾病傳播，從而提高人民健康水平。在此對(duì)纖維及非織造布用抗菌聚丙烯專用料的開發(fā)和研制進(jìn)行介紹。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原輔料

原輔料主要包括:纖維級(jí)聚丙烯粉料(中國石化上海石油化工股份有限公司塑料部生產(chǎn))、抗氧劑、成核劑、過氧化物等少許添加劑(市售)、抗菌劑(市售和自行復(fù)配)。

1.2 試驗(yàn)用主要設(shè)備

主要設(shè)備有:GH—10DQ型混料機(jī)、D303帶型螺桿造粒機(jī)、GH—50DQ型混料機(jī)、STSH—Z72雙螺桿配混擠出造粒機(jī)。

1.3 測試儀器

(1)熔體流動(dòng)速率測試:采用美國TINUSOLSEN987熔體流動(dòng)速率測定儀;

(2)熱性能測試:采用美國 TA儀器公司DSC—10型差示掃描量熱儀;

(3)力學(xué)性能測試:日本島津公司的萬能材料試驗(yàn)機(jī)，日本東洋精機(jī)的AGS—5KND懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，美國DYNISW公司的低溫沖擊儀;

(4)模量測試:島津拉力機(jī)AJS—5000N;

(5)抗菌劑分布觀測:日本電子株式會(huì)社的透射電子顯微鏡(TEM);

(6)抗菌性能測試:由上海市工業(yè)微生物研究所測試。

1.4 分析測試方法

1.4.1 抗菌性能測試采用的標(biāo)準(zhǔn)

抗菌防霉測試:QB/T 2591—2003;抗菌防霉長久性測試:JC/T 939—2004;纖維和非織造布抗菌防霉測試:QB/T 20944.2—2008。

1.4.2 常規(guī)力學(xué)性能測試采用的標(biāo)準(zhǔn)

熔體流動(dòng)速率:GB/T 3682—2000;拉伸屈服應(yīng)力:ASTMD 638;彎曲模量:ASTMD 256;懸臂梁沖擊強(qiáng)度:ASTMD 256。

1.4.3 DSC分析

在氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下，取少量試樣，以10 K/min的速率升溫至200℃，然后再以同樣的速率冷卻至室溫，進(jìn)行熔融態(tài)及結(jié)晶態(tài)測試(DSC TA TNSTRUMENTS)。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗菌劑的選擇及其在聚丙烯中的分散性

聚丙烯所用抗菌劑是1種具有殺滅微生物或抑制微生物繁殖的新型添加劑，添加微量抗菌劑即賦予聚丙烯長期的抗菌和殺菌能力。

為此先后對(duì)有機(jī)－無機(jī)復(fù)合型和新型高效有機(jī)型等多種抗菌劑進(jìn)行了研制、復(fù)配，并進(jìn)行了反復(fù)的紡絲試驗(yàn)和技術(shù)探索。采用以上兩種抗菌劑制成的抗菌聚丙烯專用料，其本身都具備了強(qiáng)抗菌防霉能力，但有機(jī)－無機(jī)復(fù)合型抗菌劑由于粒徑太小，表面能大，微粒在持續(xù)的紡絲高溫下，出現(xiàn)了部分團(tuán)聚現(xiàn)象，影響了專用料的可紡性及其抗菌性能;而新型高效有機(jī)型抗菌劑則能“忍受”住紡絲持續(xù)高溫以及過量降溫母粒(過氧化物)的影響，不僅其結(jié)構(gòu)性能未變，而且在高溫聚丙烯熔體中表現(xiàn)出良好的分散狀態(tài)，隨后反復(fù)試驗(yàn)優(yōu)化了分散劑配方，把易于凝結(jié)的成分去除，從而使其分散狀態(tài)更佳(見圖1)。

圖1 新型高效有機(jī)型抗菌劑在纖維中分布情況

從圖1可見:新型高效有機(jī)型抗菌劑均勻地分散在聚丙烯纖維中。

2.2 抗菌劑對(duì)聚丙烯材料熱力學(xué)結(jié)晶性能的影響

聚丙烯大分子雖經(jīng)抗菌功能團(tuán)的改性，但其主體結(jié)構(gòu)仍達(dá)99%以上，不失其優(yōu)異的特性，只是大分子聚集態(tài)情況稍有變化。在小試經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了放大試驗(yàn)及生產(chǎn)，制出了若干批符合紡絲特性的抗菌聚丙烯專用料，具體DSC數(shù)據(jù)見表1。

表1 聚丙烯專用料樣品DSC數(shù)據(jù)

從表1中可知:抗菌聚丙烯樣品的結(jié)晶速度低于同類普通聚丙烯樣品，而過冷度前者大于后者，從而抗菌聚丙烯的球晶粒度較同類普通聚丙烯要大。在表1中也顯示了前者的結(jié)晶度較后者小，這是因?yàn)榭咕鷦┏虱h(huán)狀結(jié)構(gòu)妨礙了大分子的結(jié)晶。

2.3 抗菌劑對(duì)材料力學(xué)性能的影響

從前面的研究可知，由于抗菌功能團(tuán)的進(jìn)入，材料結(jié)晶速度變慢，球晶變大，結(jié)晶度有所減少，并且使聚丙烯材料的力學(xué)性能也有所變化，如表2所示。

表2 抗菌聚丙烯專用料(中試)力學(xué)性能測試

從表2中可以看出:抗菌聚丙烯專用料樣品的力學(xué)性能數(shù)據(jù)的變化，在理論上與大分子聚集態(tài)的變化一致。

2.4 抗菌劑對(duì)纖維及非織造布質(zhì)量的影響

2.4.1 抗菌劑對(duì)聚丙烯非織造布力學(xué)性能的影響

表3為抗菌聚丙烯非織造布力學(xué)性能測試情況。

表3 抗菌聚丙烯非織造布力學(xué)性能測試

從表3可知:抗菌聚丙烯非織造布其縱、橫向強(qiáng)度好于普通聚丙烯非織造布，這是由于抗菌聚丙烯結(jié)晶度低，纖維與纖維間的粘結(jié)強(qiáng)度增加所致。另外，由于抗菌聚丙烯結(jié)晶度低、軟化點(diǎn)低，非織造布熱軋溫度降低，從而使非織造布質(zhì)地更加柔軟，透氣、透濕效應(yīng)更強(qiáng)，用于即棄衛(wèi)生用品質(zhì)量會(huì)更上一個(gè)臺(tái)階。

2.4.2 抗菌劑對(duì)聚丙烯纖維質(zhì)量的影響

表4為對(duì)抗菌聚丙烯纖維力學(xué)性能的測試情況。

表4 抗菌聚丙烯纖維力學(xué)性能測試

從表4可見:抗菌聚丙烯纖維力學(xué)性能數(shù)據(jù)全部好于普通聚丙烯纖維標(biāo)準(zhǔn)，這就說明所采用的抗菌劑對(duì)纖維質(zhì)量沒有不利影響。

2.4.3 抗菌劑對(duì)聚丙烯可紡性的影響

由于該抗菌劑與聚丙烯的相容性好，抗菌劑在聚丙烯基體中分散性好，故其熔體流動(dòng)性不受影響，仍具有良好的可紡性。抗菌專用料在用紡黏法紡制非織造布時(shí)，生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)都達(dá)到了普通聚丙烯的正常速度。紡絲無噴絲孔堵塞，紡絲過濾無壓力驟增，沒有出現(xiàn)非正常斷絲等現(xiàn)象，纖維成型卷裝和非織造布布面外觀理想。

2.5 抗菌聚丙烯專用料的抗菌性能特點(diǎn)

抗菌基團(tuán)能夠消除細(xì)菌的離子梯度，而細(xì)菌就是通過這種離子梯度進(jìn)行正常呼吸和獲得營養(yǎng)。由于離子梯度的消除，細(xì)菌不能進(jìn)行呼吸和獲得營養(yǎng)，最終必然死亡，而它在殺死細(xì)菌的同時(shí)本身并未被消耗，保證了抗菌效果的持久性。表5是測出的抗菌防霉數(shù)據(jù)。

表5 抗菌聚丙烯的抗菌效果

表5中抗菌塑料板是根據(jù)建筑用抗細(xì)菌塑料管抗細(xì)菌性能標(biāo)準(zhǔn)JC/T939—2004試驗(yàn)后進(jìn)行檢測，即:塑料板在50℃溫水連續(xù)沖洗16 h后再進(jìn)行抗菌防霉檢測。從表5可知:該抗菌聚丙烯專用料具有持久、高效、廣譜的抗菌能力。在紡絲持續(xù)高溫、高濃度的色母粒、高含量的降溫母粒(過氧化物)作用下，其纖維和非織造布仍能符合抗菌防霉要求。

抗菌基團(tuán)經(jīng)過精心設(shè)計(jì)和優(yōu)選，對(duì)日常生活環(huán)境常見的細(xì)菌、真菌和霉菌等都有優(yōu)異的抑制效果，可有效抑制易導(dǎo)致常見病、多發(fā)病的細(xì)菌以及常造成的黑點(diǎn)、粘滑和臭氣的霉菌。

2.6 使用安全性

該抗菌聚丙烯薄板的毒理安全性由上海市疾病控制中心檢測，其中急性經(jīng)口毒性試驗(yàn)為:受試薄板按1 cm2加0.2 mL 4%乙酸的比例，在60℃中浸泡2 h，所得浸提液直接對(duì)20只合格昆明種小鼠(雌、雄各10只)按20 mL/kg的標(biāo)準(zhǔn)灌胃。結(jié)果在試驗(yàn)期間各組動(dòng)物活動(dòng)正常，毛色光澤度好，未見任何中毒癥狀和死亡。

根據(jù)上述試驗(yàn)可以得知，該抗菌聚丙烯薄板屬無毒級(jí)物質(zhì)。

皮膚刺激試驗(yàn)為:取合格新西蘭家兔，普通級(jí)4只，體重2.5～3.0 kg，試驗(yàn)前24 h將背部脊柱兩側(cè)去毛，去毛范圍各約3 cm×3 cm。次日在左側(cè)完好去毛皮膚上劃出2.5cm×2.5cm的試驗(yàn)區(qū)，將浸提液0.2 mL均勻涂抹在試驗(yàn)區(qū)皮膚上，并用一層玻璃紙將其覆蓋，再用無刺激膠布固定，使浸提液與皮膚直接接觸，以右側(cè)毛皮膚作對(duì)照。待試驗(yàn)結(jié)束后除去覆蓋物，并用溫水清洗除去殘留浸提液后。分別于除去殘留浸提液后1，24，48 h觀察試驗(yàn)部位皮膚反應(yīng)，按皮膚刺激反應(yīng)強(qiáng)度的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分，并對(duì)皮膚刺激反應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)。

根據(jù)上述試驗(yàn)，可以得知受試物對(duì)家兔急性皮膚刺激均為無刺激性物質(zhì)。

3 抗菌聚丙烯專用料在纖維及非織造布領(lǐng)域中的應(yīng)用

非織造布所用抗菌丙綸抗菌效果顯著，無毒無害，不改變產(chǎn)品的原有性能和質(zhì)量。對(duì)與之接觸細(xì)菌的抑殺率高達(dá)95%以上，因其抑殺細(xì)菌的方式是物理性的，殺菌劑既不溶出，也不分解，更不會(huì)進(jìn)入人體，自然也不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生任何副作用?？咕志茫梢蚤L期保存，使用者即使較長時(shí)間不更換抗菌用品，其自動(dòng)清潔功能也不會(huì)減弱。

(1)抗菌口罩和醫(yī)學(xué)防護(hù)服

在醫(yī)院、康復(fù)院等易感染場所，由于缺乏抗病菌、抗病毒防護(hù)，每年都有相當(dāng)數(shù)量的醫(yī)護(hù)人員和其他工作人員遭受感染，尤其是2003年爆發(fā)的非典型性肺炎初期，由于沒有裝備抗菌口罩和防護(hù)服，致使許多醫(yī)護(hù)人員也受到感染?？咕谡帜苡行У匚讲⑺啦【?，抑制細(xì)菌穿透過濾層。

(2)婦女衛(wèi)生巾、嬰兒尿布、老人失禁墊等用即棄產(chǎn)品

這些產(chǎn)品接觸人類生殖器官、排泄口，是病菌、病毒最易在濕熱環(huán)境下迅速繁殖的地方。如果具備了極強(qiáng)的抑殺細(xì)菌作用，就超越了這些產(chǎn)品只解決吸收污液的單一功能，而是集抗菌、清潔、除異味、保健于一體的高科技新產(chǎn)品。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國處于15～49歲生理期的婦女超過3億，2周歲以下需用尿布的嬰兒5 000萬，60歲以上老年人已達(dá)1.2億。雖然由于中國人節(jié)儉的風(fēng)俗和中國長期欠發(fā)達(dá)的國情，決定了中國用即棄產(chǎn)品的發(fā)展與發(fā)達(dá)國家不盡相同。目前婦女衛(wèi)生巾、嬰兒尿布、成(病、老)人失禁墊等普及率還不高，但隨著人民生活的不斷改善，對(duì)醫(yī)療和衛(wèi)生水平的要求越來越高，抗菌醫(yī)用非織造布的需求量無疑是十分可觀的。

(3)空調(diào)機(jī)、除濕機(jī)、環(huán)保和工業(yè)用過濾材料

因?yàn)槠胀ū]及其非織造布所制造的過濾材料不具備抗菌能力，而被過濾的空氣或液體中均存在細(xì)菌，當(dāng)空氣或液體經(jīng)過過濾材料時(shí)，細(xì)菌就會(huì)被吸附在材料上，大量繁殖，并形成一種粘滯物，堵塞過濾材料，導(dǎo)致過濾材料發(fā)霉、發(fā)黑。使用抗菌丙綸非織造布制造的過濾材料，當(dāng)空氣或液體經(jīng)過過濾材料時(shí)，細(xì)菌就會(huì)被吸附抑殺，從而大大延長了過濾材料的使用壽命，并提高被過濾空氣和液體的清潔質(zhì)量。

(4)抗菌丙綸非織造布鞋材

腳氣、腳臭是由細(xì)菌和真菌等微生物引起的，在鞋子所形成的密閉環(huán)境里汗液、皮脂、皮屑為微生物提供了營養(yǎng)，鞋內(nèi)的溫濕度也非常適合其生長，大量繁殖的細(xì)菌和真菌是使鞋子和腳產(chǎn)生異味、腳氣的原因。如果穿上了裝有抗菌鞋材的鞋子，就能有效地抑殺細(xì)菌和真菌，消除由細(xì)菌感染引起的腳氣和腳臭，給人們提供健康衛(wèi)生的生活。

(5)抗菌裝飾用品

據(jù)相關(guān)資料報(bào)導(dǎo)，2000年我國地毯的年產(chǎn)量已達(dá)1.5×108m2，廣泛用于家庭、火車、汽車用毯。各種應(yīng)用環(huán)境對(duì)地毯的功能特性提出了更高的要求，用抗菌丙綸制作的地毯、墻布以及由紡黏法制作的丙綸非織造布可以有效地防止霉變和細(xì)菌的傳播。

(6)抗菌包材用品

我國每年用聚丙烯非織造布制造的裝飾布及包材用品用量巨大，但裝飾布及包材用品有很多由于材料的霉?fàn)€而導(dǎo)致報(bào)廢，更有產(chǎn)品在儲(chǔ)存過程中就已發(fā)生霉變，造成巨大損失。使用帶有抗菌防霉功能的非織造布，不僅能夠避免這一損失，而且會(huì)提高使用質(zhì)量，抑制細(xì)菌轉(zhuǎn)播。

(7)抗菌服用產(chǎn)品

抗菌棉型丙綸在紡織品行業(yè)制作運(yùn)動(dòng)服、T恤、內(nèi)衣、睡衣等貼身穿著的各類服裝和襪子，和羊毛或超暖導(dǎo)濕復(fù)合棉結(jié)合制成具有抗菌效果的保暖內(nèi)膽，不僅可保持原有功能，還可抗菌除臭。抗菌纖維與天然纖維混紡或純紡制成的永久性抗菌紡織品，可用于醫(yī)院專用床單，賓館用床上用品、毛巾、裝飾織物，美容業(yè)用毛巾等，既可防止交叉感染和病菌的傳播，又可簡化各種繁雜的消毒程序并降低使用成本。

4 結(jié)語

新型高效有機(jī)型抗菌聚丙烯(纖維及非織造布)專用料具有高效、廣譜、持久抗菌能力，優(yōu)秀的使用安全性，按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格制成的浸提液無毒性、無刺激性。

抗菌劑與聚丙烯基體相容性好，并在聚丙烯基體中有良好的分散性，也有很好的可紡性。由于專用料中大分子結(jié)晶度有所降低，能增加非織造布纖維間的熱粘性能，從而能提高非織造布的強(qiáng)力和柔軟性，用其專用料制作的衛(wèi)生用品會(huì)性能更好，質(zhì)量更佳。

該抗菌聚丙烯(纖維及非織造布)專用料的開發(fā)成功，使我國聚丙烯纖維和非織造布制品的功能性開發(fā)又邁上了一個(gè)新臺(tái)階。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和生活水平的提高以及國力的增強(qiáng)，人們觀念的更新以及生活水準(zhǔn)的提高，纖維及非織造布用抗菌聚丙烯專用料必然會(huì)迎來美好的前景。