針織全成形抗菌防護口罩的開發與性能研究

梁鑫花 叢洪蓮 黃嫻 叢啟霞

摘要： 口罩作為人們預防呼吸道感染的重要防線，特別是在常見的細菌感染時期，已成為重要的防護材料。文章先對口罩進行二維紙樣及編織版型設計，分析四針床電腦橫機編織原理，對口罩的編織工藝進行深入探討，并以抗菌紗線為原料完成該口罩的設計與開發，對其抗菌性能進行了測試和研究。結果表明，經過50次洗滌，該抗菌防護口罩對金黃色葡萄球菌的抗菌率仍超過99%，對白色念珠菌的抗菌率超過93%，對大腸桿菌的抗菌率超過81%，符合國家抗菌紡織品要求。利用針織全成形技術實現抗菌口罩的一次成形，對豐富針織全成形產品的種類具有重要意義。

關鍵詞： 針織全成形;四針床電腦橫機;抗菌率;口罩;編織工藝;抗菌織物

中圖分類號： TS184.5

文獻標志碼： A

文章編號： 10017003（2021）07011705

引用頁碼： 071302

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.07.019（篇序）

Research on development and performance of knitted full-formed anti-bacterial protective mask

LIANG Xinhua1， CONG Honglian1， HUANG Xian2， CONG Qixia2

（1.Engineering Research Center of Knitting Technology， Ministry of Education， Jiangnan University， Wuxi 214122， China;2.Wuxi Pacific knitting Co.， Ltd.， Wuxi 214037， China）

Abstract： As an important defense line for people to prevent respiratory tract infection， especially in the period of common bacterial infections， the mask has become an important protective material. The authors first designed the two-dimensional paper pattern and knitting pattern of the mask， analyzed the knitting principle of the four-needle bed computerized flat knitting machine， conducted an in-depth discussion on the knitting process of the mask， and used the antibacterial yarn as the raw material to complete the design and development of the mask. Its antibacterial properties were also tested and studied. The results show that after 50 times of washing， the anti-bacterial protective mask still had an anti-bacterial rate of over 99% against Staphylococcus aureus， over 93% against Candida albicans and 81% against E.coli， meeting national anti-bacterial textile requirements. The use of knitted full-forming technology to realize the one-time forming of antibacterial masks is of great significance for enriching the types of knitted full-forming products.

Key words： knitted full-forming; four-needle computerized flat knitting machine; anti-bacterial rate; mask; knitting process; anti-bacterial fabric

收稿日期： 20201222;

修回日期： 20210611

基金項目： 中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（JUSRP52013B）;國家自然科學基金資助項目（61772238）

作者簡介： 梁鑫花（1996），女，碩士研究生，研究方向為針織產品的創新設計與性能研究。通信作者：叢洪蓮，教授，cong-wkrc@163.com。

口罩作為人們日常的防護衛生用品，佩戴時可有效阻擋空氣中的飛沫、細小顆粒及病菌等進入人體呼吸道[1]，在人與外界環境中建立了一層很好的物理保護屏障[2]，尤其在新冠肺炎疫情期間，其需求更為迫切。

針織全成形技術的生產流程短、織造效率高，織造的織物一次成形，表面無縫紉線，貼體舒適，因而被廣泛地應用于織物的生產織造中。目前國外電腦橫機全成形編織技術的發展頗為成熟，通過其特有的鍥形編織、局部編織、收放針等編織方法，可形成多種立體成形產品，在針織毛衫、全成形針織裙、非傳統西服等[3-5]服飾領域已得到廣泛應用，在雙針床電腦橫機上也已進行了普通型口罩的織造嘗試[6]。本文以日本島精公司生產的MACH2X153型四針床電腦橫機為依托，借助SDS-ONE APEX3花型設計系統，以抗菌紗線為原料進行抗菌防護口罩的開發，并對其編織工藝進行深入探討，同時對其抗菌性能進行研究分析，增加抗菌防護口罩的織造可能性，為以后防護口罩的生產提供一定的借鑒意義。

1 口罩版型設計

1.1 設計理念

本次設計的針織全成形抗菌防護口罩包括口罩罩體和兩側的左右耳帶部分，采用一體成形的方式進行編織，耳帶部分包括耳前帶、耳后帶及耳背帶三部分，考慮與人體耳部的佩戴舒適性，對其進行了一定弧度的設計;為使耳帶與口罩罩體的編織部分有很好的過渡作用，在耳背與口罩罩體兩側部分添加了一定形狀的廢紗編織;在口罩罩體的左側部位設置開口，以便后期及時對填充在內部的過濾材料進行更換，保證口罩具有良好的顆粒物過濾性能及佩戴時呼吸的順暢性;為保證口罩罩體與人體臉部的貼合舒適性，在口罩罩體的上下邊緣部分均進行了一定的曲線設計，使其更加符合人體工學，從而增加口罩的防護效果。口罩具體的二維紙樣設計如圖1所示。

根據電腦橫機常編織的織物組織結構及考慮口罩的功能性，口罩罩體和耳帶部分采用了透氣性和保暖性均良好的空氣層組織;在口罩罩體豎直中線與嘴部和下巴處接觸的位置采用了2+2羅紋組織，使得口罩前后片相連接，使口罩具有一定的立體結構;為防止口罩開口線圈脫散，在開口邊緣應用2+2羅紋組織進行鎖邊。

1.2 編織版型設計

在與全成形電腦橫機配套使用的SDS-ONE APEX3花型設計系統進行口罩的編織版型設計，如圖2所示。其中A和A′分別表示右、左耳帶的耳背帶，B和B′分別表示右、左耳帶的前后帶，C和C′分別表示口罩罩體與右左耳帶的連接部分，D和D′分別表示口罩罩體后片的右左部分，E和E′分別表示口罩罩體前片的右左部分，F和F′表示右、左耳帶的廢紗，G表示口罩罩體的開口部位。編織時按照從下往上的方向進行編織。

2 工藝設計

2.1 成形原理

2.1.1 四針床電腦橫機

本次設計選擇在日本島精公司生產的MACH2X153型電腦橫機上進行口罩的開發。該橫機配備前上、前下、后上、后下四個編織針床和一個紗環壓腳針板，如圖3所示。其中前下、后下針床可進行成圈、集圈、浮線編織，其余兩個針床進行成圈和浮線編織;機頭配置有一個編織系統和兩個翻針系統，豐富了橫機的編織與移圈功能，可實現全成形產品的滿針編織[7];可用電磁鐵系統直接選針，大幅提高了編織效率;裝有i-DSCS智能型數控紗環系統和DSCS數控紗環系統[8]，織造的智能化水平得到提高;配備了R2CARRIAGE急速回轉機頭TM系統，加快了每行的機頭回轉速度[9]，最大機速可達16 m/s，同時可實現高品質織物的多樣化生產。

2.1.2 編織原理

在橫機上多采用空起編織、收放針及局部編織等編織方式實現針織全成形織物的編織，同時結合不同的織物組織結構，完成對口罩的設計開發。

電腦橫機空起編織是指織物在沒有正常起底牽拉力的情況下，在其編織過程中進行新的編織層起底編織的技術。考慮針織物的結構特性，常用羅紋起底的方式進行空起編織，主要有1+1羅紋、2+1羅紋和袋編羅紋等[10]，本次口罩設計有開口結構，類似袋狀，故采用袋編羅紋的起底方式。

收針是指將準備退出編織的織針轉移到相鄰的織針上，使其退出工作，從而使得織物按照要求進行尺寸縮減的編織方式[11]，這一編織方式要通過翻轉線圈、針床橫移等動作來完成。電腦橫機上通常是通過移圈的方式鎖住織片的邊緣。在編織口罩開口結構時，為防止邊緣線圈脫散，需要進行拷針編織，以達到鎖邊效果。

放針原理與收針原理相反，該編織動作是通過增加工作針數的方式來改變織物的尺寸。將收放針的編織方式應用到口罩的織造中，可以使口罩的耳帶和罩體形成符合人體臉部的尺寸，增加口罩與人體臉部的貼合度。

局部編織是指在編織時部分織針不進行編織動作，只鉤住線圈，當需要時這些織針再重新參與編織過程，從而使得織物具有一定的形狀。利用“兩邊暫停中間編織的編織方式”，可使編織的織物形成多余量的凸起。考慮人體面部結構，將局部編織應用于口罩罩體的編織中，可使覆蓋于口鼻處的口罩部位形成適當的凸起效果，增加口罩的立體效果，既有一定的美觀性，也使得其更符合人體工學，增加佩戴舒適感。

2.2 編織工藝

口罩的編織共分為左耳帶編織、右耳帶編織和口罩罩體編織三部分，編織順序為右耳帶→口罩罩體→左耳帶。選用三把紗嘴進行編織，其中兩把紗嘴編織口罩部分，一把紗嘴編織廢紗。

2.2.1 右耳帶編織

右耳帶的編織工藝如圖4所示。在進行編織時，先空起編織若干橫列，進行常規的起底編織，然后第一紗嘴帶入主紗線，在前下針床編織平針，按照設計的耳背帶弧度向兩側逐步加針，進行相應的局部編織，形成耳背帶的前片;按照相同的編織方式在后下針床進行編織，形成耳背帶的后片，右耳耳背帶編織完成。

隨后第二紗嘴引入主紗線，第三紗嘴引入廢紗，三個紗嘴同時進行編織。第一、二紗嘴分別進行右耳帶前后帶的筒形空氣層編織，第三紗嘴進行廢紗的筒形空氣層編織，當廢紗編織到一定橫列高度時，由于負責右后耳帶編織的第二紗嘴還在向外加針，為防止紗嘴碰撞，第三紗嘴停止編織，待前后耳帶編織完成后，廢紗繼續按照設計的形狀進行編織，為后期的口罩罩體編織提供一定的牽拉力。其中第一紗嘴帶入主紗進行編織形成黑色線圈橫列，第二紗嘴帶入主紗進行編織形成紅色線圈橫列，第三紗嘴帶入廢紗進行編織形成藍色線圈橫列。

2.2.2 口罩罩體編織

待右耳帶廢紗編織完成后，依靠廢紗產生的牽拉力進行口罩罩體的起底編織，如圖5所示。第一紗嘴帶入主紗，先在前下、后下針床編織口罩罩體與右耳帶連接的部位，兩個針床均滿針成圈編織;然后按照局部編織的方式編織口罩罩體，按照口罩罩體后片的右半部分→口罩罩體前片的右半部分→口罩罩體前片的左半部分→口罩罩體后片的左半部分的順序進行編織，其中前下針床編織前片，后下針床編織后片;待口罩罩體前片的左半部分編織完成時，前下針床與后上針床進行2+2羅紋編織，以形成前后片連接部位;口罩罩體主體編織結束后，為防止后片開口線圈脫散，后下針床仍進行滿針平針編織，前下針床與后上針床再次進行2+2羅紋編織，形成羅紋鎖邊結構。

2.2.3 左耳帶編織

左耳帶編織工藝與右耳帶正好相反，具體編織工藝如圖6所示。同時使用第一、二、三紗嘴進行編織，帶紗方式與右耳帶相同，第三紗嘴編織廢紗的兩個橫列，與此同時第一、二紗嘴通過左側收針結合筒形編織方式形成左耳前后帶;隨后繼續編織廢紗，兩側同時進行加針，形成一定的形狀后，按照右耳背帶的編織方式形成左耳背帶。

3 口罩織造

3.1 原料與機型選擇

本次選擇在MACH2X153型四針床全成形電腦橫機進行口罩的織造，針床尺寸為150 cm，針數為18針。所用原料為滌氨包覆紗（濰坊佰豐紡織有限公司），成分為15%氨綸和85%滌綸，其中滌綸由40D/36F抗菌滌綸（42.5%）和40D/28F半光滌綸（浙江金霞新材料科技有限公司）（42.5%）按照1︰1的比例混紡而成。廢紗采用500 D的錦綸輔助編織，目的是進行空起編織時提供一定的牽拉作用，保證口罩編織時的張力均勻，提高布面的平整度。該電腦橫機上有4條弧形紗嘴軌道，左右各安裝有8把紗嘴，選擇5、6號紗嘴穿入主紗，7號紗嘴穿入廢紗進行編織。

3.2 織造參數設置

考慮到不同組織結構的編織動作的差異性，需要在與電腦橫機相配套的SDS-ONE花型設計系統中對相應的組織結構的度目（單個線圈的紗環長）、拉力、編織速度等參數進行設置。剛開始編織時應保持較低機速，為0.25～0.30 m/s，保證織針能成功鉤取紗線，紗環長設置為6.7～7.0 mm，拉力大小設置為80～90 N;當編織口罩的主體部位時，此時機器已經處于相對穩定的狀態，機速可適當提高到0.50～0.80 m/s，平針組織的線圈較為均勻且排列緊密，紗環長可適當減小為5.3～

5.5 mm，拉力值應增加為90～95 N，以保證布面平整性;當編織口罩的開口部位時，存在翻針移圈的編織動作，幅度較大，機速應低于編織平針組織的速度，為0.30～0.50 m/s，羅紋組織線圈圈弧與平針組織線圈相比較長，故紗環長應適當增加，為7.5～8.0 mm，拉力大小設置為85～90 N。

3.3 織造工藝

在編織口罩時，由于氨綸彈性紗的紗線張力易受到機器編織動作的影響，為保證紗線張力的均勻一致性，利用四針床電腦橫機上的i-DSCS+DTC（智能型數控紗環系統+能動張力控制裝置）來實現電子自動控制送紗，在機器高速運行時實現紗線張力的精準控制，保證口罩的線圈大小是均勻的。電腦橫機上還安裝了新型分段牽拉裝置，根據口罩組織結構及編織部位的不同對牽拉張力進行分段設計。起始編織時，紗嘴先帶入廢紗編織一定的布片長度，起底板上升拉住布片以提供均勻的拉力;當編織口罩主體時，起底板釋放布片并退出工作，由排布羅拉進行夾持，以給口罩提供穩定、可靠的拉力，保證口罩布面的平整性。

3.4 舒適性能評價

最終織造的口罩如圖7所示，口罩布面緊實，彈性良好，具有良好的立體效果。由于口罩主要佩戴于人的口鼻（呼吸系統）處，其透氣性能是影響舒適性能的重要指標，采用YG461E-Ⅲ型全自動透氣儀（寧波紡織儀器廠）對口罩進行透氣性測試。當壓差為100 Pa，測試面積為20 cm2時，口罩的透氣性為291 mm/s，符合國家標準GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》，大于等于250，透氣效果良好。同時由于該口罩采用針織結構，柔軟舒適，曲線設計效果使得口罩與人體臉部貼合度良好，符合人體工學。

4 抗菌性能研究

4.1 抗菌性能測試

為了對口罩的抗菌性能進行較為準確的判定，本文選用定量檢測的方法對其抗菌性能進行測試，并按照國家標準FZ/T 73203—2006《抗菌針織品》進行。

4.1.1 實驗準備

本次抗菌測試所選菌種為ATCC6538金黃色葡萄球菌、ATCC29522大腸桿菌和ATCC10231白色念珠菌。所用到的實驗設備有B0803電子天平（沉陽龍騰電子有限公司）、B0736高壓蒸汽滅菌器（山東博科生物實業有限公司）、B0716生化培養箱（山東博科生物實業有限公司）、B0719和B0730振蕩培養箱（上海博迅醫療生物儀器股份有限公司），實驗試劑有營養瓊脂、金黃色葡萄球菌顯色培養基、營養肉湯、沙氏培養基（青島海博生物技術有限公司）等，并以符合FZ/T 73023—2006國家標準要求的標準空白布作為對照樣。

4.1.2 抗菌預處理

先用家用雙桶洗衣機（慈溪市美樂電器有限公司）將試樣充分洗滌，達到規定的洗滌次數（50次）。然后從抗菌織物大樣中取3個小樣（每個尺寸10 cm×10 cm，剪成2塊），用耐洗色牢度試驗機洗滌，直到規定的洗滌次數（50次）。為防止殘留的洗滌劑干擾抗菌性能測試，結束時充分清洗樣品并晾干。

4.1.3 抗菌測試方法

準備九個250 mL三角燒瓶，分別加入三份對照樣、三份樣品，剩余三個燒瓶不加試樣作為空白對照，然后在每個燒瓶中各加入70 mL PBS緩沖液和5 mL接種菌液進行“0”接觸時間（實驗條件1）和定時接觸振蕩（24 ℃、150 r/min、18 h）（實驗條件2）測試。到規定時間后，從每個燒瓶中吸取1 mL試液，移入裝有9 mL PBS緩沖液的試管中，充分混勻。用10倍稀釋法系列稀釋至合適稀釋倍數，制作平板，培養（37 ℃、48 h）后進行計數。

4.2 抗菌性能評價

對實驗中的菌落數進行數據整理，對平板菌落數進行3次計數后取平均值，如表1所示。

樣菌的增長值F需大于等于1.0（0.5）才可判斷實驗有效，通過計算抑菌率來對口罩的抗菌性能進行評價，增長值F和抑菌率Y的計算分別如下式所示：

F=lgWb-lgWa（1）

Y/%=Wb-WcWb×100（2）

計算所得三種菌種的增長值和抑菌率如表2所示，表明三種菌種的F值均達到要求，即說明了實驗的有效性;經過50次洗滌后，口罩的抑菌率仍滿足國家標準，抗菌效果良好。

5 結 論

本文主要介紹了針織全成形抗菌防護口罩的開發與抗菌性能研究，運用針織全成形編織技術，采用具有抗菌效果的功能性紗線編織成的口罩具有良好的抗菌效果。結論如下：

1）通過在四針床全成形電腦橫機上成功織造針織全成形抗菌防護口罩，說明了該種織造方式的可行性，為口罩的設計開發提供了一種新的思路;

2）本次抗菌防護口罩的功能性原料為抗菌滌綸，經水洗50次后對金黃色葡萄球菌的抑菌率仍達到99%以上，對白色念珠菌的抑菌率達到93%以上，對大腸桿菌的抑菌率達到81%以上，符合國家抗菌紡織品要求，之后應擴大該種抗菌滌綸的應用領域，充分發揮其抗菌功能性;

3）未來應加強對抗菌防護口罩的功能性開發，在具備良好抗菌性的同時也要兼具多種功能性要求，以滿足大眾不斷增長的功能性需求。

參考文獻：

[1]倪冰選. 日常生活防護口罩質量標準對比分析[J]. 中國纖檢， 2017（11）： 107-109.

NI Bingxuan. Comparative analysis of quality standards for daily protective masks[J]. China Fiber Inspection， 2017（11）： 107-109.

[2]鄧振明. 空氣過濾式口罩專利技術分析與研究[J]. 中國發明與專利， 2020， 17（3）： 94-99.

DENG Zhenming. Analysis and research of patented air filter mask[J]. Chinese Invention & Patent， 2020， 17（3）： 94-99.

[3]王盼， 吳志明. 全成形毛衫橫向編織方式及其成形工藝[J]. 紡織學報， 2019， 40（10）： 73-78.

WANG Pan， WU Zhiming. Transverse knitting method and forming process of fully formed sweater[J]. Journal of Textile Research， 2019， 40（10）： 73-78.

[4]王瑩瑩， 王盼， 任婧媛. 全成形典型針織半身裙設計與成形工藝研究[J]. 絲綢， 2020， 57（11）： 126-130.

WANG Yingying， WANG Pan， REN Jingyuan. Research on the design and forming process of fully formed typical knitted skirt[J]. Journal of Silk， 2020， 57（11）： 126-130.

[5]劉博， 叢洪蓮. 全成形西服橫向編織技術的工藝模型與實現[J]. 紡織學報， 2020， 41（7）： 53-58.

LIU Bo， CONG Honglian. Research and implementation of flat-bed knitting process model of fully formed suit[J]. Journal of Textile Research， 2020， 41（7）： 53-58.

[6]梁鑫花， 叢洪蓮， 董智佳. 橫編全成形3D防護口罩的設計與開發[J]. 針織工業， 2020（6）： 5-8.

LIANG Xinhua， CONG Honglian， DONG Zhijia. Design and development of fully fashioned 3D protective masks with flat knitting technology[J]. Knitting Industries， 2020（6）： 5-8.

[7]王敏， 叢洪蓮， 蔣高明， 等. 四針床電腦橫機的全成形工藝[J]. 紡織學報， 2017， 38（4）： 61-67.

WANG Min， CONG Honglian， JIANG Gaoming， et al. Whole garment knitting process on four-bed computerized flat knitting machine[J]. Journal of Textile Research， 2017， 38（4）： 61-67.

[8]孟海濤. 第19屆上海國際紡織工業展覽會電腦橫機述評[J]. 針織工業， 2019（12）： 7-13.

MENG Haitao. Review of the computerized flat knitting machines on the 19th Shanghai international textile industry exhibition[J]. Knitting Industries， 2019（12）： 7-13.

[9]李煜天， 繆旭紅. 創新技術引導下的電腦橫機發展[J]. 毛紡科技， 2016， 44（10）： 49-52.

LI Yutian， MIAO Xuhong. Innovation and development of computerized knitting machine[J]. Wool Textile Journal， 2016， 44（10）： 49-52.

[10]王衍君. 電腦橫機空起編織技術的研究與設計應用創新[D]. 北京： 北京服裝學院， 2019.

WANG Yanjun. The Research and Innovation Design of Picking up without Pulling Force Technology for Computerized Flat Knitting Machine[D]. Beijing： Beijing Institute of Fashion Technology， 2019.

[11]邱莊巖， 花芬， 吳志明. 四針床全成形編織工藝及其應用[J]. 紡織學報， 2018， 39（8）： 63-70.

QIU Zhuangyan， HUA Fen， WU Zhiming. Process and application of fullforming knitting with four-needle bed[J]. Journal of Textile Research， 2018， 39（8）： 63-70.