低溫陽離子抑菌吸濕快干滌綸織物的開發與性能研究

胡云中澤 夏帥飛 祝成炎 田偉 張紅霞 王國夫

摘要： 本文應用改性低溫陽離子可染的十字形截面滌綸長絲與抑菌滌綸長絲開發了一種抑菌吸濕快干的多功能滌綸織物，運用十字正交法以緞紋組織制得一系列具有吸濕速干和抗菌功能的低溫陽離子染料可染織物。首先采用振蕩法測定織物的抑菌性能，再通過測定其芯吸高度、滴水擴散速度、吸水率、蒸發速率、透濕性等指標對其吸濕速干性能進行評價，然后運用TOPSIS算法進行綜合分析。結果表明，交織面料具有優秀的抑菌性能，且十字形截面吸濕快干滌綸緯紗比例越高，織物的吸濕速干性能越佳，十字形滌綸與抑菌滌綸比例為1 ︰ 4時交織所制得的織物綜合性能最優。

關鍵詞： 抑菌;功能性織物;滌綸改性;異形滌綸;吸濕快干

中圖分類號： TS101.923 ? ?文獻標志碼： A ? ?文章編號： 1001-7003（2022）01-0051-07

引用頁碼： 011108DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2022.01.008

近年來，具有功能性的紡織品越來越受到消費者的青睞，其中應用于戶外運動和貼身衣物等產品的具有吸濕快干功能的面料銷售額增長迅速，具有廣闊的市場前景[1]。隨著消費者對服裝舒適和功能性的不斷追求，國內外對于多功能面料已逐漸從單一性能向高性能、多功能、低成本方向綜合發展[2]。與此同時2021年新冠肺炎在國內外的肆虐，使得抑菌和病毒防護等功能的紡織品需求也出現了爆發式增長[3]。

滌綸（PET）是目前紡織行業對聚酯原料消耗量最大的工業化產品之一，其大分子排列緊密，結晶取向度高，且有斷裂強度高、耐熱性好及價格低廉等一系列的優點，但其也存在染色難、吸濕性差等缺陷[4]，對于其吸濕性差的特性可以采用改變截面形狀的方式來改善。十字形截面聚酯纖維作為異形截面產品中的一個常見品種[5]，其在纖維縱向擁有多道溝槽，增加的空隙和通道使纖維具有良好的透氣透濕性能，讓纖維比表面積大幅增加，使得面料可染性能及吸濕排汗性能較普通產品均有較大的提高[6]。紡織品抑菌功能則一般可以通過接枝、共混、后整理等方法實現，其中通過在化纖母粒中摻雜抗菌母粒的共混方法較為簡便，且抗菌性能較為穩定[7]。PET纖維的染色改性則一般是采用添加改性劑至第三、第四組分，通過降低其結晶結構來提高染色性能[8]，再通過改性后的PET可以在常溫或低溫下被陽離子染料染色，且上染性較好。本文通過正交試驗法開發了一種具有持久抗菌、吸濕速干且性能優異的多功能滌綸織物，織物經紗和緯紗分別是具有吸濕速干及抑菌性的功能性滌綸長絲。通過不同交織比制成織物小樣，并對其進行抗菌性和吸濕快干性能的測定，最后通過TOPSIS綜合分析確定最佳工藝參數，為滌綸多功能面料的開發提供借鑒。

1 試 驗

1.1 材 料

低溫陽離子5.6 tex/24 f十字形截面滌綸長絲S捻向6 T/cm、低溫陽離子8.3 tex/36 f十字形截面滌綸長絲、低溫陽離子8.3 tex/36 f抗菌滌綸長絲（紹興九洲化纖有限公司），織物柔軟劑（陽離子型表面活性劑）、PBS溶液（磷酸緩沖鹽溶液）（上海瑞楚生物科技有限公司），LB瓊脂固體培養基（OKOID，自配），LB液體培養基（OKOID，自配），氯化鈉（江蘇強盛功能化學股份有限公司）。

1.2 設 備

AL204-IC電子天平（梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司），GSP-9270MBE隔水式恒溫培養箱、BJ-CD超凈臺（上海博迅實業有限公司），20～200 μL/100～1 000 μL移液槍（普蘭德（上海）貿易有限公司），90 mm一次性培養皿、一次性丁腈手套（艾邁柯思（上海）有限公司），HVE-50高壓滅菌鍋（HIRAYAMA日本平山制作所株式會社），哈式切片器、JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡（日本電子株式會社），YG（B）871毛細管效應測定儀（溫州市大榮紡織儀器有限公司），YG601-Ⅰ/Ⅱ型織物透濕量儀（寧波紡織儀器廠）。

1.3 織物制備

采用同種工藝制備試樣，試織過程中緯紗按不同比例投緯，組織采用五枚緞紋，經密為650 根/10 cm，緯密為450 根/10 cm，為了使得織物具有較好的手感和外觀效應，符合產品吸濕和抗菌應用的要求，試驗選擇緞紋組織。織物下機后為了消除表面覆蓋的油劑和靜電，采用織物柔軟劑進行清洗烘干后置于標準溫濕度大氣環境調濕24 h備用。不同投緯比的試樣編號及具體參數如表1所示。

1.4 測試方法

1.4.1 纖維的形態結構

應用哈式切片器對長絲進行切片處理，之后鍍金并用掃描電子顯微鏡觀察拍攝纖維縱向和橫向截面形態結構，并計算纖維異形度。纖維異形度DR計算公式[9]如下：

DR/%=R-rR×100（1）

式中：R為纖維截面外接圓半徑，單位取像素大小;r為纖維內切圓半徑，單位取像素大小。

1.4.2 抑菌性能測試

抑菌性能測試依據國標GB/T 20944.3—2008《紡織品抗菌性能的評價第3部分：振蕩法》執行，測試菌種為革蘭氏陽性細菌金黃色葡萄球菌（ATCC25923）與革蘭氏陰性細菌大腸桿菌（ATCC25922）。根據式（2）計算試樣活菌濃度，并根據式（3）計算試驗菌增長值F，當F≥1.5時試驗有效。最后通過對照樣與抗菌試樣內的活菌濃度按照式（4）計算抑菌率（保留兩位有效數字）。

K=Z×R（2）

F=lgWt-lgW0（3）

Y/%=Wt-QtWt×100（4）

式中：K為每個試樣中的活菌濃度，CFU/mL;Z為平板菌落數平均值;R為稀釋倍數;F為對照樣的試驗菌增長值;Y為試樣的抑菌率;Wt為對照樣18 h振蕩培養后的活菌濃度平均值，CFU/mL;W0為對照樣“0”接觸時間的活菌濃度平均值，CFU/mL;Qt為試驗樣18 h振蕩培養后的活菌濃度平均值，CFU/mL。

以抑菌率Y的數值作為試驗結果，如果試驗樣品對于兩菌種的抑菌率≥70%，則說明樣品具有抗菌效果。

1.4.3 吸濕速干性能測試

吸濕速干性能測試依據國標GB/T 21655.1—2008《紡織品吸濕速干性的評定第1部分：單項組合試驗法》執行，按式（5）計算總吸水率，按式（6）計算水分蒸發量，按式（7）計算蒸發速率并繪圖。

A/%=m-m0m0×100（5）

Δmi=m-mi（6）

Ei/%=Δmim0×100（7）

式中：A為吸水率，%;m0為原始質量，g;m為試樣滴水后質量及浸濕后質量，g;Δmi為水分蒸發量，g;mi為試樣滴水后某一時刻質量，g;Ei為水分蒸發率，%。

滴水擴散時間采用精確滴管將200 μL的蒸餾水從1 cm高度滴到10 cm×10 cm的試樣上，觀察水滴的擴散情況，記錄水滴從接觸試樣到完全擴散（液滴不在呈現鏡面反射）所消耗時間，每個試樣測試3次取平均值，結果精確到0.1 s。

液體芯吸高度目的為表征材料毛細效應，即垂直懸掛的紡織材料一端被液體浸濕時，液體通過毛細管作用，在一定時間內沿紡織材料上升的高度。測試按照FZ/T 01071—2008《紡織品毛細效應試驗方法》規定執行，試樣長度不小于250 mm，寬度30 mm，在溫度（20±2） ℃、相對濕度為65%±3%標準大氣中平衡調濕后在標準大氣條件下進行試驗，測量30 min時液體芯吸高度的最大值和最小值，單位為mm。

透濕量測試按照GB/T 12704—2009《紡織品織物透濕性試驗方法第1部分吸濕法》方法A執行，在試樣兩面保持規定的溫濕度條件下，測試規定時間內通過單位面積試樣的水蒸氣質量，每個試樣測試3次取平均值，以g/（m2·h）為單位。

1.4.4 數據處理方法

對上述數據采用TOPSIS法進行綜合分析。TOPSIS是一種基于多決策的統計綜合分析方法，其基本原理是通過正向化標準化和權重處理后，比較所選方案在幾何意義上與理想方案的距離，然后選擇與理想方案最接近且與最差方案距離最遠的方案為最優解[10]。

2 結果與分析

2.1 纖維形態結構

吸濕與芯吸行為在纖維層面主要是毛細壓力的作用，受到纖維空隙間孔隙和纖維表面能大小的影響[11]。通過對SEM纖維截面的圖像表征可以明顯看出（圖1），改性吸濕快干纖維具有十字形截面，以及縱向可見的明顯溝槽。纖維截面異形度可以間接反映纖維溝槽深度，如表2所示。通過對圖像內纖維截面的橫縱向像素長度測試可以得到纖維平均異形度和截面不勻率，發現十字形截面具有較大的縱橫比，且纖維異形度超過50%，表明纖維縱向比表面積和纖維圓周長較普通圓形截面具有大幅提高，而紗線中纖維的比表面積對纖維的毛細效應的影響較大[6]，這在宏觀層面對織物吸濕快干性能起到了決定性的影響。抗菌滌綸長絲則為一般圓形或橢圓形截面，縱向可見細微白色凸起，與普通滌綸長絲區別不明顯。

2.2 抑菌性能評價

本文共對9塊試樣進行抑菌性能測試，試樣規格見表1，其中試樣1#作為對照樣不含抑菌纖維，測試結果如圖2、圖3及圖4所示。據國標GB/T 20944.3—2008《紡織品抗菌性能的評價第3部分：振蕩法》對抗菌效果的評價，首先計算了細菌在培養過程中的增長值F，均大于0.7，說明試驗有效，其中抑菌率如圖4所示，所有試樣對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均大于70%，對大腸桿菌與金黃色葡萄球菌均有顯著的抑菌效果，整體試樣對兩種菌的抑菌率與織物中抑菌滌綸的比例呈正相關。其中金黃色葡萄球菌的抑菌效果與抑菌滌綸比例的相關率較低，這是由于菌落數較少導致的統計偏差。根據抑菌率測試結果可知，樣品的抑菌率效果均符合抑菌產品標準，對于工藝參數的最終選擇影響較小。

2.3 吸濕速干性能評價

織物的吸濕快干性能主要由織物滴水擴散時間、吸水率、單位時間透濕率、蒸發速率，以及單位時間芯吸高度進行表征，如圖5所示。試樣1#～9#中十字形吸濕快干滌綸緯紗比例遞減，可見試樣滴水擴散時間隨十字形滌綸投緯比例減少呈顯著負相關，其中試樣9#平均滴水擴散時間最久，為4.9 s，1#最快，平均為2.5 s;試樣吸水率則隨十字形滌綸投緯比例減少而下降，呈現正相關，其中1#織物吸水率達到166%，9批試樣均大于100%;透濕率則主要與織物組織結構孔隙率和材料組成有關，從圖5（c）可以看出其與十字形滌綸投緯比例無顯著關聯;通過數據擬合可見，織物蒸發速率曲線均遵循S形曲線，呈現先慢后快再慢的過程，其中所有試樣均在20 min左右接近完全蒸發，平均蒸發速率接近0.6 g/h，顯著快于傳統滌綸織物。試樣芯吸高度測試結果如圖6所示，經向30 min芯吸高度平均下限為20.2 cm，上限為20.7 cm;緯向30 min芯吸高度平均下限為18.4 cm，上限為18.9 cm。其中經向紗線均為吸濕快干十字形滌綸，緯紗投緯比例對于其芯吸速率影響較小，而緯向芯吸速率則與十字形滌綸投緯比例呈現顯著正相關。隨著十字形滌綸比例的減小，1#試樣的緯向30 min芯吸高度最高，為19.5～20.3 cm;9#試樣的緯向30 min芯吸高度最低，為17.5～18 cm。

2.4 綜合性能評價

對照參考國標對吸濕快干織物和抑菌織物的性能指標[10-12]要求可發現，對于機織類產品，其中要求試樣吸水率≥100%，滴水擴散時間≤3 s，芯吸高度≥100 mm，蒸發速率≥0.18 g/h，透濕量≥416 g/（m2·h）即為吸濕速干面料;抑菌率≥70%即為有抗菌效果。比較可知，上述試驗結果中試樣1#～9#在吸濕快干和抑菌等多項指標中均超過國標，除部分試樣由于是純滌綸材料改性，透濕性參數略低于國標要求外，同時符合吸濕快干和抑菌產品的生產工藝要求。通過TOPSIS權重算法進行綜合性能分析，得出各項指標綜合最優解的試樣工藝參數條件，具體計算過程如下：將1#～9#試樣的吸濕快干測試結果與抑菌性測試結果合并構建測試矩陣，在權重選擇上選擇各項元素權重一致，先進行正向化處理得到矩陣Z1，后依據式（7）對矩陣內的元素進行標準化處理得到矩陣Z2。

從而可以得到第i（i=1，2…n）個評價對象的評價得分Si=D-iD+i+D-i，依據式（8）計算所得正負理想解距離綜合評價值Si及試樣綜合評價排序，結果如表4所示。

由表4排序結果可以得出，編號2#、3#、5#、6#排位靠前，參考上文各項指標參數可以發現，試樣符合吸濕快干和抑菌的多功能要求。為了盡可能提高產品的吸濕速干性能，抑菌性均符合要求的情況下，2#試樣可以確定為綜合性能最優解。因此，最終最優工藝條件可以確定為采用改性低溫陽離子可染的5.6 tex/24 f十字形截面滌綸長絲，緯紗采用8.3 tex/36 f低溫陽離子抑菌滌綸長絲和8.3 tex/36 f低溫陽離子十字形異形滌綸長絲，投緯比為1 ︰ 4，織物經密為650 根/10 cm，緯密為450 根/10 cm，組織為五枚緞紋。

3 結 論

本文開發了一種低溫陽離子可染十字形吸濕速干滌綸與抑菌滌綸交織的多功能滌綸織物，試驗結果顯示其具有較好的吸濕速干性能及抑菌效果，能較好地改善滌綸織物透濕性透氣性差、不易上染等缺陷。

1） 在吸濕速干性能方面，隨著吸濕快干滌綸長絲的比例增加，織物在吸水率、芯吸高度、滴水擴散時間和蒸發速率等方面較普通滌綸產品均有較大提升，各項指標符合吸濕快干織物的使用需求。

2） 織物對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均顯示出良好的抑菌效果，平均抑菌率超過80%，符合抑菌產品標準。

3） 從產品開發與市場應用角度，對各項指標運用TOPSIS算法進行綜合分析，結果顯示吸濕快干滌綸長絲與抑菌滌綸長絲投緯比例為1 ︰ 4的產品綜合性能最優，具有較高的產品附加值，可以進行工業化生產應用。

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Abstract： As the functional textiles market expands rapidly， people’s requirements and focus on functional textiles have shifted to multi-functional， cost-effective， and high standards. Meanwhile， the continuously rampant COVID-19 epidemic has greatly increased the demands for antibacterial and antiviral functional textiles. As the most widely produced and sold artificial fibre， traditional PET fabric has some disadvantages： easy to gather static electricity， poor moisture-penetrability， and poor colourability. This study aims to develop a low temperature cationic dyeable environmentally-friendly PET fabric with bacteriostatic and fast-drying functions， and to increase the product added value， thereby meeting the ever-growing consumption needs.

A multi-functional polyester fibre with antibacterial， hydroscopic and fast-drying functions is developed using modified low-temperature cationic dyeable cross-sectional polyester filament yarn and antibacterialpolyester filament yarn. A series of low-temperature cationic dyeable fabrics with hydroscopic， quick-drying and antibacterial properties were prepared by cross orthogonal method. The cross-sectional polyester fibre as a profiled sectional product has multiple grooves longitudinally， greatly increasing its specific surface. The fibres and filament yarns have excellent breathability， moisture permeability， and dyeability. Adding antibacterial masterbatch to PET antibacterial polyester during spinning can achieve reliable antibacterial performance of the fibre layer， which has advantages of good laundering durability， easy production and excellent antibacterial property. In this study， cross-section polyester filament yarn is used as the warp yarn of the fabric. The weft yarn adopts alternative weft knitting between cross-sectional polyester filament yarn andantibacterial polyester filament yarn， with the weft knitting ratio of 1 ︰ 0， 1 ︰ 4， 1 ︰ 3， 1 ︰ 2， 1 ︰ 1， 2 ︰ 1， 3 ︰ 1 and 4 ︰ 1， respectively. The warp density is 650 ends/10 cm， and the weft density is 450 picks/10 cm. The satin weave structure is selected in the experiment for better hand feeling and appearance of the fabric， and to meet the requirements of product hydroscopic and antibacterial application. Its hydroscopic and fast-drying properties are evaluated by measuring its wicking height， dripping diffusion rate， water absorption and evaporation rate， moisture permeability etc. The oscillation method is used to determine the fabric antibacterial properties against Escherichia Coli and Staphylococcus Aureus. TOPSIS integrated algorithm is used to analyze the optimal process. The results show that the interwoven fabric has excellent bacteriostatic performance， and the antibacterial rate of all samples exceeds 70%. At the same time， the fabric has excellent moisture absorption and fast drying performance; the dripping diffusion time is less than 5 seconds， the average water absorption rate exceeds 150% and the average evaporation rate is more than 90% in 20 minutes. Besides， it is found that the higher weft yarn ration of the cross-sectional hydroscopic and fast-drying polyester， the better hydroscopic fast-drying performance of the fabric. The interwoven fabric obtained through TOPSIS algorithm method with cross-sectional polyester/antibacterial polyester proportion of 1 ︰ 4 has the optimal comprehensive performance. Experimental results show that this process can effectively solve polyester fabric disadvantages of poor moisture-penetrability， tendeny to gather static electricity， and poor colourability and add excellent bacteriostatic performance.

The alternative weft knitting between hydroscopic fast-drying polyester and antibacterial polyester， and TOPSIS comprehensive analysis method can help effectively develop multi-functional fabrics. Besides， adding other functional fibre or yarns on this basis is conductive to achieving other functions like ultraviolet protection， deodorization， skin care， etc. The research results of this study can provide a reference for the design of functional textiles.

Key words： antibacterial; functional fabric; polyester modification; profiled polyester; hydroscopic and fast-drying