無(wú)機(jī)納米材料在紡織品抗菌性能中的應(yīng)用

1 引言

傳統(tǒng)的纖維和聚合物等紡織品不僅對(duì)微生物及其代謝產(chǎn)生的物質(zhì)沒(méi)有抗性，而且更容易使微生物在其表面積累、增殖。特別是附著在紡織品表面壞死的皮膚細(xì)胞、皮膚分泌的汗水和油脂、食物和飲料污漬、灰塵等為微生物生長(zhǎng)提供了適宜的生存環(huán)境，是微生物滋生的良好媒介[1]。因此為了人體健康，提高衛(wèi)生生活水平，控制微生物在織物表面的生命活動(dòng)是必要的。目前很多研究都集中在紡織品的抗菌改性上。近年來(lái)，由于化學(xué)抗菌劑可能具有毒性，對(duì)人體有危害，具有良好抗菌活性的無(wú)機(jī)納米材料成為紡織品抗菌改性的首選材料[2]。

2 無(wú)機(jī)納米材料及其抗菌原理

總體上，無(wú)機(jī)納米結(jié)構(gòu)材料一般包括二氧化鈦、銀、氧化鋅、銅、鎵、金等納米粒子及它們的納米復(fù)合材料，無(wú)毒性、廣譜殺菌能力是其被廣泛關(guān)注的原因。在某些研究結(jié)果中可以達(dá)到對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌99.9%的殺菌率，并能夠很好地抑制病毒的增殖[3]。無(wú)機(jī)納米材料應(yīng)用于紡織品中的主要抗菌原理有金屬離子接觸機(jī)理和光催化機(jī)理。按照抗菌原理也可把抗菌劑分為金屬離子負(fù)載型抗菌劑和光催化型抗菌劑。

2.1 金屬離子接觸機(jī)理

許多金屬離子能夠起到殺菌的功效。因此通常使用吸附、離子交換和包覆等方式將金屬離子與載體結(jié)合獲得抗菌劑。微生物細(xì)胞膜通常帶負(fù)電荷，當(dāng)微生物靠近微量金屬離子時(shí)，由于庫(kù)倫引力作用，使得金屬離子能夠很好地吸附于微生物表面。而金屬離子能夠穿透細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，并與細(xì)胞中硫基發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，破壞了細(xì)胞中酶的功能，進(jìn)而影響細(xì)胞的代謝活動(dòng)，使其無(wú)法正常分裂增殖而死亡。當(dāng)細(xì)胞失活死亡后，金屬離子又能從菌體中解離出來(lái)，作用于其他菌體表面，形成一個(gè)良性循環(huán)的過(guò)程，因此也使得這種抗菌作用具備一定的長(zhǎng)久性。其中銀離子負(fù)載型是目前認(rèn)為殺菌能力最強(qiáng)的抗菌劑。

2.2 光催化機(jī)理

光催化抗菌主要是利用·OH較強(qiáng)的化學(xué)活性，能夠快速與菌體內(nèi)有機(jī)物反應(yīng)，主要影響菌體細(xì)胞DNA復(fù)制和細(xì)胞膜代謝的功能，從而起到殺死菌體的作用[4]。在紫外光作用下，納米級(jí)二氧化鈦、氧化鋅、二氧化硅等能夠產(chǎn)生活性較強(qiáng)·OH。特別是納米級(jí)二氧化鈦具有粒度小、比表面積大的特點(diǎn)，更容易產(chǎn)生“表面效應(yīng)”，在紫外光的作用下能夠產(chǎn)生帶負(fù)電荷的電子和帶正電荷的空穴，從而進(jìn)一步激發(fā)周圍環(huán)境中的氧氣和水產(chǎn)生·OH，見(jiàn)反應(yīng)式（1）～（8）。

雖然從概念上將無(wú)機(jī)納米材料的抗菌原理分為兩種，抗菌劑在實(shí)際應(yīng)用中并非僅一種機(jī)理單獨(dú)作用。例如，抗菌劑能夠緩慢釋放出少量銀離子，并通過(guò)接觸作用發(fā)揮殺菌作用。同時(shí)，銀離子能在光照下激發(fā)氧氣產(chǎn)生·OH和O2-。氧化鋅的抗菌作用則被認(rèn)為是以下三個(gè)過(guò)程共同作用的結(jié)果：（1）與上述二氧化鈦相似的光催化機(jī)理；（2）鋅離子溶出后與蛋白質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，并繼續(xù)“良性循環(huán)”的殺菌過(guò)程；（3）活性氧抗菌機(jī)理，主要活性物質(zhì)為過(guò)氧化氫。無(wú)機(jī)納米抗菌劑被廣泛關(guān)注，但是也存在許多劣勢(shì)與不足，目前研究的熱點(diǎn)關(guān)注于無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料，如金屬離子/光催化性復(fù)合抗菌劑。直接分散法、溶液凝膠、化學(xué)還原、直接沉淀法等是常用復(fù)合無(wú)機(jī)納米材料抗菌劑的制備方法。

3 抗菌紡織品加工方法

抗菌劑在紡織品表面發(fā)揮抗菌作用主要通過(guò)原纖維紡絲法、后整理法來(lái)實(shí)現(xiàn)。紡織品通過(guò)整理后能夠達(dá)到較好的抗菌性能。

3.1 原纖維紡絲法

顧名思義，原纖維紡絲法是將成纖聚合物和抗菌劑混合后，通過(guò)紡織工藝紡織抗菌纖維[5]。由于抗菌成分同時(shí)存在于纖維表面和內(nèi)部且分散較為均勻，這種整理方法往往能獲得較好的抗菌性能，并且能夠在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度上維持這種抗菌效果。但是原纖維紡絲法也存在生產(chǎn)成本和技術(shù)難度高的不足，影響其在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用。

在醫(yī)療行業(yè)和裝飾行業(yè)中，多將各類助劑與抗菌劑混合，然后加入纖維基體樹(shù)脂，均勻混合后熔融紡絲加工獲得抗菌纖維，進(jìn)一步加工得到醫(yī)療和裝飾中使用廣泛的滌綸和丙綸。另外，還可將其他纖維與抗菌纖維一起整理，通過(guò)復(fù)合紡織工藝，獲得鑲嵌形、并列形等多種結(jié)構(gòu)的具備抗菌性能的纖維。

3.2 后整理法

后整理法是在紡織品表面利用抗菌整理劑表面改性獲得抗菌性能，由于是通過(guò)處理將抗菌劑整備在其表面，該工藝較簡(jiǎn)單，發(fā)展也較為成熟，但是在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度上其抗菌性能并不具備持久性[6]。根據(jù)處理方式的不同，后整理法又具體可分為表面涂層法、浸軋法、微膠囊法、接枝法。其中，前兩種抗菌劑的整理原理相似，或?qū)⒖咕鷦┡c涂層劑混合均勻后涂布于織物表面，或?qū)⒖咕鷦┲苽錇槿橐籂睿ㄈ苡跇?shù)脂、粘合劑中）后使用浸、軋、烘等工藝將其固定在織物表面。上述兩種手段均不具耐久性，在多次洗滌后抗菌性能會(huì)大打折扣。將抗菌劑置于微膠囊并使用粘合劑固定于織物表面，抗菌劑能緩慢從微膠囊中釋放從而達(dá)到殺菌的效果。接枝法與前三種方法有較大差異，例如丙烯酸和棉纖維與金屬離子的接枝共聚反應(yīng)，主要通過(guò)化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)，首先讓纖維表面生成帶電荷的官能團(tuán)，然后浸入相反電荷的離子溶液中，使纖維與金屬離子之間生成化學(xué)鍵或者以絡(luò)合的形式結(jié)合。由于接枝法生成了化學(xué)鍵，經(jīng)過(guò)整理后的紡織品的抗菌性能通常具有耐久性。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著人們生活水平的提高和對(duì)健康生活的追求，紡織品的抗菌性能需求愈來(lái)愈強(qiáng)。研究高效、綠色、低成本且具有耐久性的抗菌紡織品已成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。單一的無(wú)機(jī)納米抗菌材料往往不能滿足要求，而無(wú)機(jī)復(fù)合材料效果上能夠克服單一材料的不足與劣勢(shì)。同時(shí)，如何將高效的抗菌劑整理于紡織品表面，仍然是未來(lái)學(xué)者研究的主要方向。