高吸油量抗菌型電子煙用無紡布的研究與應用

黃忠輝+劉鴻+李小蘭+陸漓+梁俊+王萍娟+唐曉林+李典

摘要：利用多巴胺原位聚合對電子煙用無紡布進行改性應用研究，探究經改性后的無紡布煙油吸附性能、力學性能及抗菌性能變化情況。結果表明，①經聚多巴胺改性后的電子煙用無紡布煙油吸附量比未經改善的無紡布材料煙油吸附量提升約50%，且經濃度為2 mg/mL多巴胺改性后的無紡布吸附性能最佳；②聚多巴胺改性后的無紡布最大拉力下降58.86%，斷裂伸長率下降65.89%，對無紡布的力學性能有較大影響；③改性后的無紡布具有抗菌性能，針對大腸桿菌的抗菌率可達76.8%，針對金黃色鏈球菌抗菌率可達78.3%。

關鍵詞：多巴胺；無紡布；吸附性能；力學性能；抗菌性能

中圖分類號：TS174 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）06-1137-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.06.037

Abstract：After the Nonwoven cloth of electronic cigarette is modified with poly-dopamine by in-situ polymerization，its characters have been changed，including the Absorption capability，mechanical and antibacterial properties. The results indicated that：①The oil absorption of the nonwoven cloth was increased 50% more than before poly-dopamine modification，which reaches the best effect when the concentration of dopamine（a.q） is 2 mg/mL；②The max-tension of nonwoven cloth reduces 58.86% and the max-elongation at break reduces 65.89% after modification， which demonstrates the modification could influence the mechanical properties of nonwoven cloth.③The nonwoven cloth possesses antibacterial property after modification，the inhibition rate of E. coli can reach at 76.8%，the inhibition rate of Golden streptococcus can reach at 78.3%.

Key words：dopamine； nonwoven cloth； absorption capability； mechanical property； antibacterial property

電子煙由煙彈、霧化器和鋰電池等部件構成。部分電子煙的霧化器中利用無紡布作為儲油材料，導油繩將無紡布中的煙油引入霧化器的電阻加熱絲上，氣動開關式電子煙的氣流傳感器檢測到用戶抽吸時，觸發信號送至控制電路并導通電路，電池驅動加熱絲加熱霧化煙油產生煙氣，電子煙因不釋放焦油而越來越受關注。無紡布的性能決定了其煙油儲存性能，對無紡布的結構改性可能會對其煙油儲存量有一定的影響，但是國內關于電子煙無紡布改性研究的報道很少[1-3]。

多巴胺是一種神經傳導物質，化學名稱為4-（2-氨基乙基）-1，2-苯二酚，多巴胺在水介質中，能被氧化而發生自聚，形成聚多巴胺[4-6]。聚多巴胺有較強的黏附性能，能附著于多種材料的表面形成聚多巴胺層。由于聚合之后的聚多巴胺剩下大量的酚羥基和氨基作為其側基，在包覆材料之后，能賦予材料較好的表面親水性和生物相容性能，并有報道表明聚多巴胺有一定的抗菌效果，還能使材料增強細菌抑制效果[7，8]。大量的酚羥基和氨基能使材料增強對強氫鍵物質的吸附能力，提高材料的吸附性能[9，10]。

本研究以多巴胺對電子煙用無紡布進行改性，以考察其在煙油吸附性能、力學性能、抗菌性能等方面的影響，探究提高電子煙用無紡布性能的途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 材料 間甲苯二異氰酸酯（98%），甲苯（AR），國藥集團化學試劑有限公司；鹽酸多巴胺（98%），三（羥甲基）氨基甲烷（99%），阿拉丁；電子煙用無紡布，五子登科煙油，廣西中煙工業有限責任公司。

1.1.2 儀器 SEM，型號VEGA TS 5136MM，捷克TESCAN公司；電子萬能試驗機，型號CMT4104，深圳市新三思材料檢測有限公司；TGA，型號TGA1，瑞士Mettler Toledo公司；振蕩器，型號ZW-A型，中國金壇實驗儀器公司；數碼單反相機，型號5DSR，佳能公司。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備 取100 g 4-（2-氨基乙基）-1，2-苯二酚，溶于去離子水中，配置成1 g/mL的多巴胺水溶液，先用三羥甲基氨基甲烷將溶液的pH調節至8.5，然后再用去離子水將溶液稀釋成1、2、5 mg/mL各100 mL備用。取配置好的多巴胺溶液（1、2、5 mg/mL）50 mL，將0.2 g的無紡布加入其中，充分攪拌，使無紡布完全被溶液浸潤，并在溶液中通入空氣，室溫下氧化自聚反應24 h。反應結束后，將所得的無紡布用去離子水洗滌3次，真空烘干得到不同濃度聚多巴胺改性無紡布樣品。

1.2.2 煙油飽和單位吸附量測試 稱取一定量改性無紡布，初始質量記為m0，置于煙油中，浸泡30 min后將無紡布放置在脫脂棉表面，脫脂棉固定于振蕩器上。振蕩頻率為1 500 r/min，振蕩時間為10 min。以振蕩結束后無紡布重量為飽和吸附量，記為m1，無紡布煙油飽和單位吸附量計算為：飽和單位吸附量=（m1-m0）/m0，其意義為單位重量無紡布飽和吸附煙油的重量。

1.2.3 無紡布拉伸性能測試方法 樣品裁剪為標準樣條，厚度0.12 mm，寬度2.5 mm，長度15 mm。50 N拉力傳感器，拉伸速度30 mm/min。

1.2.4 無紡布抗菌性能測試方法 檢測項目為大腸桿菌和金黃色葡萄球菌。在無紡布上截取20 mm×20 mm×1 mm試件，用蒸餾水沖洗干凈，紫外線照射后備用。在各陰性及對照抗菌試片上加菌懸液，覆蓋消毒PE薄膜，37 ℃恒溫箱中培養24 h，計數菌落數，試驗重復3次，將結果記錄下來。計算抗菌率的公式為R=（A-B）/A×100%，式中，R為抗菌率，%；A為陰性對照組回收殘留菌數，CFU/片；B無紡布組回收殘留菌數（包括改性前和改性后），CFU/片。

2 結果與分析

2.1 普通無紡布性能分析

2.1.1 普通無紡布樣品形貌表征 選取了市售空白無紡布進行SEM分析，其SEM表征見圖1。從圖1可以看出，無紡布表面纖維結構為圓柱形，表面較光滑，直徑約為10 μm。

2.1.2 煙油吸附性能分析 測試市售普通無紡布煙油吸附性能，結果見表1。從表1可以看出，市售無紡布單位重量無紡布煙油吸附量為6.38 g/g（即1 g無紡布的煙油吸附量為6.38 g）。

2.2 多巴胺改性無紡布性能分析

2.2.1 多巴胺改性無紡布樣品形貌表征 多巴胺在水溶液中很容易被空氣中的氧給氧化成醌類物質，進行分子間的偶聯聚合，原位形成聚多巴胺，黏附在材料的表面，形成一層強黏附性能的聚多巴胺（圖2）。其強黏附能力主要是來自于其酚羥基和側鏈氨基和無紡布的主要原料PET形成較強的氫鍵，因此，采用此種方式在無紡布纖維上包覆聚多巴胺是牢固不易脫落的。

研究采取了3個濃度多巴胺水溶液對無紡布進行改性處理，分別用濃度為1、2、5 mg/mL的多巴胺水處理無紡布，處理后的無紡布SEM表征見圖3。比較圖1和圖3可知，經過多巴胺改性后，無紡布纖維的表面變得粗糙；隨著多巴胺濃度增加，表面粗糙度增大。

經不同濃度多巴胺溶液處理的無紡布樣品表面形貌如圖4。從圖4中可以看出，未改性無紡布樣品的整體形貌平整。多巴胺改性后，無紡布整體變得疏松，而且表面顏色隨多巴胺濃度增加而加深。

2.2.2 煙油吸附性能分析 經濃度為1、2、5 mg/mL的多巴胺溶液改性后的無紡布煙油吸附性能，結果見表2。從表2可以看出，聚多巴胺改性后的無紡布對煙油的單位吸附量顯著增加，其中經濃度分別為1、2、5 mg/mL的多巴胺溶液處理后，單位重量無紡布煙油吸附量分別為9.27、10.36、9.38 g/g。比較表1和表2可以看出，經過聚多巴胺改性的無紡布樣品煙油吸附量相比未改性樣品提高了50%，其中多巴胺濃度為2 mg/mL時，改性后的無紡布對煙油的吸附量最大。經過聚多巴胺改性的無紡布煙油吸附性能顯著提升，結合圖1和圖3的SEM表征，分析其原因可能是聚多巴胺改性后無紡布纖維表面粗糙度增大，使纖維比表面積增大；另一方面，聚多巴胺具有大量的酚羥基和氨基，能與煙油基質的丙二醇、丙三醇形成氫鍵作用，加強了煙油與纖維的相互作用力。這也可能是無紡布經過聚多巴胺包覆改性后，其煙油吸附性能提升的原因。

2.3 無紡布改性前后拉伸性能測試

測試聚多巴胺改性后無紡布的力學性能，結果見表3和表4。經聚多巴胺改性的無紡布，其拉伸測試最大拉伸力下降58.86%，斷裂伸長率下降65.89%，改性操作對無紡布力學性能有較大影響。結合圖4中樣品表面形貌來看，經過聚多巴胺改性后無紡布疏松程度增加，表明聚合過程對纖維本身結構有一定的影響。分析原因可能是在氧化聚合過程中產生的自由基對纖維造成一定的損傷；或是在多巴胺的聚合過程中，多巴胺和PET纖維發生反應，降低了纖維的規整度，使其纖維強度降低。

2.4 多巴胺改性無紡布抗菌性能分析

聚多巴胺本身具有抗菌性能，利用聚多巴胺對無紡布進行改性后，針對常見的大腸桿菌和金黃色葡萄鏈球菌測試改性無紡布的抗菌性能，測試結果如表4。從表4可以看出，未經改性的無紡布對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌無抑制作用，使用聚多巴胺改性的無紡布具有抑制細菌生長的能力，針對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率分別能達到76.8%和78.3%以上，說明聚多巴胺改性的無紡布還具有了抗菌性能。

3 結論

在無紡布纖維的表面進行多巴胺的原位聚合，將聚多巴胺包覆在無紡布纖維的表面，隨著多巴胺濃度的增大，無紡布纖維表面粗糙度提高，無紡布整體變得疏松，而且表面顏色隨多巴胺濃度增加而加深：①煙油吸附量方面，分別測試了濃度為1、2、5 mg/mL的多巴胺溶液對電子煙用無紡布煙油吸附性能的影響，發現多巴胺改性后的無紡布對煙油的單位吸附量增加，其吸附量相比未改性樣品提高了近50%，其中濃度為2 mg/mL的多巴胺溶液處理后的無紡布煙油吸附性能提升最大；②力學性能方面，改性后的無紡布拉伸最大力下降58.86%，斷裂伸長率下降65.89%，對無紡布的力學性能有較大影響，但不影響其使用功能；③抗菌性能方面，測試了多巴胺改性后無紡布的抗菌性能。結果表明，針對大腸桿菌和金黃葡萄球菌的抗菌率分別能達到76.8%和78.3%。

聚多巴胺改性后，無紡布的煙油吸附性能大幅提高可能存在兩方面的原因：一方面得益于無紡布纖維表面粗糙度的提高，比表面積增大，煙油吸附量提高；另一方面，纖維表面包覆的聚多巴胺具有大量的酚羥基和氨基，能與煙油基質的丙二醇、丙三醇形成氫鍵作用，加強了煙油與纖維的作用力，增大了纖維表面吸附煙油的能力。該方法操作簡單，效果顯著，能有效提升電子煙用無紡布的煙油儲存量，具有潛在的應用前景。

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