無機納米材料在紡織品抗菌性能中的應用

1 引言

傳統的纖維和聚合物等紡織品不僅對微生物及其代謝產生的物質沒有抗性，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提供了適宜的生存環境，是微生物滋生的良好媒介[1]。因此為了人體健康，提高衛生生活水平，控制微生物在織物表面的生命活動是必要的。目前很多研究都集中在紡織品的抗菌改性上。近年來，由于化學抗菌劑可能具有毒性，對人體有危害，具有良好抗菌活性的無機納米材料成為紡織品抗菌改性的首選材料[2]。

2 無機納米材料及其抗菌原理

總體上，無機納米結構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合材料，無毒性、廣譜殺菌能力是其被廣泛關注的原因。在某些研究結果中可以達到對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]。無機納米材料應用于紡織品中的主要抗菌原理有金屬離子接觸機理和光催化機理。按照抗菌原理也可把抗菌劑分為金屬離子負載型抗菌劑和光催化型抗菌劑。

2.1 金屬離子接觸機理

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合獲得抗菌劑。微生物細胞膜通常帶負電荷，當微生物靠近微量金屬離子時，由于庫倫引力作用，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胞壁進入細胞內部，并與細胞中硫基發生反應，導致蛋白質變性，破壞了細胞中酶的功能，進而影響細胞的代謝活動，使其無法正常分裂增殖而死亡。當細胞失活死亡后，金屬離子又能從菌體中解離出來，作用于其他菌體表面，形成一個良性循環的過程，因此也使得這種抗菌作用具備一定的長久性。其中銀離子負載型是目前認為殺菌能力最強的抗菌劑。

2.2 光催化機理

光催化抗菌主要是利用·OH較強的化學活性，能夠快速與菌體內有機物反應，主要影響菌體細胞DNA復制和細胞膜代謝的功能，從而起到殺死菌體的作用[4]。在紫外光作用下，納米級二氧化鈦、氧化鋅、二氧化硅等能夠產生活性較強·OH。特別是納米級二氧化鈦具有粒度小、比表面積大的特點，更容易產生“表面效應”，在紫外光的作用下能夠產生帶負電荷的電子和帶正電荷的空穴，從而進一步激發周圍環境中的氧氣和水產生·OH，見反應式（1）～（8）。

雖然從概念上將無機納米材料的抗菌原理分為兩種，抗菌劑在實際應用中并非僅一種機理單獨作用。例如，抗菌劑能夠緩慢釋放出少量銀離子，并通過接觸作用發揮殺菌作用。同時，銀離子能在光照下激發氧氣產生·OH和O2-。氧化鋅的抗菌作用則被認為是以下三個過程共同作用的結果：（1）與上述二氧化鈦相似的光催化機理；（2）鋅離子溶出后與蛋白質發生反應，并繼續“良性循環”的殺菌過程；（3）活性氧抗菌機理，主要活性物質為過氧化氫。無機納米抗菌劑被廣泛關注，但是也存在許多劣勢與不足，目前研究的熱點關注于無機納米復合材料，如金屬離子/光催化性復合抗菌劑。直接分散法、溶液凝膠、化學還原、直接沉淀法等是常用復合無機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揮抗菌作用主要通過原纖維紡絲法、后整理法來實現。紡織品通過整理后能夠達到較好的抗菌性能。

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，通過紡織工藝紡織抗菌纖維[5]。由于抗菌成分同時存在于纖維表面和內部且分散較為均勻，這種整理方法往往能獲得較好的抗菌性能，并且能夠在較長的時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成本和技術難度高的不足，影響其在大規模生產中的應用。

在醫療行業和裝飾行業中，多將各類助劑與抗菌劑混合，然后加入纖維基體樹脂，均勻混合后熔融紡絲加工獲得抗菌纖維，進一步加工得到醫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，通過復合紡織工藝，獲得鑲嵌形、并列形等多種結構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，由于是通過處理將抗菌劑整備在其表面，該工藝較簡單，發展也較為成熟，但是在較長的時間尺度上其抗菌性能并不具備持久性[6]。根據處理方式的不同，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，或將抗菌劑與涂層劑混合均勻后涂布于織物表面，或將抗菌劑制備為乳液狀（溶于樹脂、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，主要通過化學方法實現，首先讓纖維表面生成帶電荷的官能團，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鍵或者以絡合的形式結合。由于接枝法生成了化學鍵，經過整理后的紡織品的抗菌性能通常具有耐久性。

4 結語

近年來，隨著人們生活水平的提高和對健康生活的追求，紡織品的抗菌性能需求愈來愈強。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發展的趨勢。單一的無機納米抗菌材料往往不能滿足要求，而無機復合材料效果上能夠克服單一材料的不足與劣勢。同時，如何將高效的抗菌劑整理于紡織品表面，仍然是未來學者研究的主要方向。