氯胺接枝滌綸/錦綸超細纖維針織物的抗菌性能

熊坦平，譚 飛，黃 成，閻克路，鄒 妮，王 政，葉敬平，紀柏林

(1.上海利以德特種絲有限公司，上海 201508；2.東華大學 化學化工與生物工程學院，上海 201620；3.上海市第一人民醫院，上海 201620；4.福建百宏聚纖科技實業有限公司，福建 泉州 362200)

抗菌紡織品是一類十分重要的功能性紡織品，可應用于服飾、床品、醫療、衛生清潔等行業，保護人體免受病毒、細菌、孢子和真菌等微生物傷害，并保護環境衛生安全。紡織品的抗菌功能通常需要采用抗菌劑來實現，包括季銨鹽化合物、鹵代酚、殼聚糖、多雙胍、鹵胺化合物、光催化型抗菌劑(如二氧化鈦)和納米抗菌劑(如納米銀)等[1-3]。紡織品最理想的抗菌性能應該是在很短的接觸時間內使微生物完全失活，且對人體沒有危害、對皮膚無刺激。另外，其抗菌功能還應具有耐久性，經50次家庭洗滌后仍然保持該功能。但并不是所有抗菌劑都能達到這些要求，鹵胺化合物則具備優異的控菌性能和耐洗滌性能。

鹵胺結構大都來自含N—Cl或N—Br鍵的雜環化合物，3-烯丙基-5,5-二甲基乙內酰脲(ADMH)就是其中的一種環鹵胺前驅體結構，采用接枝共聚的方法可使ADMH與紡織纖維表面以共價鍵牢固結合。而前驅體化合物中的N—H與漂白水中的活性氯反應，生成氯胺結構(N—Cl)，這一過程被稱為活化。在潮濕條件下，N—Cl斷裂釋放出Cl+，殺死細菌；此時，N—Cl變為N—H，其可再次被活化而獲得抗菌性能。鹵胺紡織品的抗菌劑結構及其機制已有許多詳細的研究報道[4-5]，可再生是鹵胺類抗菌劑最突出的優勢之一。

本文研究了已有文獻中未涉及的氯胺紡織品在實際應用中的情況，并檢測其抗菌速率，評價30 s～30 min內的抗菌性能。另外，大量的檢測報告顯示，疾病的爆發與物體表面的細菌污染密切相關，導致嚴重的公共安全問題[6-8]，因此，本文將以氯胺改性的清潔布擦拭醫院病床和公共食堂餐桌的表面，用以評價其實際應用的抗菌性能，并對所制備織物的抗病毒效果進行了檢測。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

3-烯丙基-5,5-二甲基乙內酰脲(ADMH，工業品)；滌綸/錦綸(80/20)超細纖維針織物，紗線線密度為18.6 tex，橫密為16縱行/(5 cm)，縱密為 18橫列/(5 cm)，面密度為160 g/m2，蘇州德賽斯日用品有限公司；革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌(S.aureus,ATCC6538)和革蘭氏陰性菌大腸桿菌(E.coli,ATCC8099)，南京便診生物科技有限公司；酵母提取物、胰蛋白胨(生化試劑)，英國OXOID公司；氯化鈉(分析純)、硫代硫酸鈉(Na2S2O3，分析純)、可溶性淀粉(分析純)、硫酸(分析純)、次氯酸鈉(化學純)、瓊脂粉(生化試劑)，國藥集團化學試劑有限公司；碘化鉀(分析純)，上海泰坦科技股份有限公司。

1.2 實驗設備

ZHWY-200H型恒溫培養振蕩器(上海智城分析儀器制造有限公司)，ZHJH-C1112B型超凈工作臺(上海智城分析儀器制造有限公司)，GHP-9080型恒溫培養箱(上海一恒科學儀器有限公司)，Washtec-P A2型標準洗衣機(上海羅中科技發展有限公司)。

1.3 實驗方法

1.3.1 ADMH對織物的接枝整理工藝

按照文獻[9]工藝采用ADMH對織物進行接枝整理。首先配制含ADMH(質量分數為7%)、過氧化苯甲酰(質量分數為2%)、10%苯甲酸乙酯(質量分數為10%)的改性整理液；然后將織物浸軋整理液(軋余率為90%)，于80 ℃烘干1 min；接著將烘干織物再次浸軋整理液(軋余率為90%)，于180 ℃焙烘1.5 min，得到ADMH接枝整理織物。

1.3.2 ADMH接枝整理織物的活化工藝

將ADMH接枝整理織物置于次氯酸鈉溶液(pH值約為11)中浸泡進行活化處理，一定時間后用去離子水充分沖洗，最后于一定溫度下進行烘干，得到活化處理后的ADMH接枝整理織物，簡稱氯胺抗菌織物。研究了烘干溫度(自然風干、60、70、80、90 ℃)、烘干時間(20、30、40、50、60 min)、活化時間(10、15、20、25、30、35 min)、溶液中活性氯含量(500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 mg/kg)對整理織物上活性氯含量的影響。

1.4 測試與表征

1.4.1 活性氯含量測試

干燥后通過碘滴定法對活化織物表面活性氯進行定量測試[10]。稱取一定質量的活化氯胺抗菌織物，投入含有10 mL硫酸(質量分數為10%)、10 mL碘化鉀溶液(質量分數為10%)及50 mL去離子水的溶液中，振蕩30 min充分反應，然后再加入2 mL淀粉溶液(質量分數為10%)。采用Na2S2O3溶液(濃度為1 mol/L)對上述反應后溶液進行滴定，溶液由藍色變為無色時為滴定終點[11-12]。按下式計算氯胺抗菌織物上的活性氯含量：

式中：V1為ADMH接枝整理織物Na2S2O3的消耗量，mL；V2為氯胺抗菌織物Na2S2O3的消耗量，mL；C為Na2S2O3的濃度，mol/L；m為織物質量，kg。

織物上活性氯損失率按下式進行計算：

式中：Cl1為自然風干時氯胺抗菌織物上的活性氯含量，mg/kg；Cl2為一定溫度下烘干時氯胺抗菌織物上的活性氯含量，mg/kg。

1.4.2 氯胺抗菌織物抗菌性能測試

1.4.2.1抑菌率測試 參考AATCC 100—2004《紡織品材料上耐細菌整理：評定》，并根據文獻[4]中方法進行測試。織物尺寸裁剪為3.5 cm × 3.5 cm，原樣需要經過滅菌處理(蒸汽滅菌鍋121 ℃下處理15 min)，活化的氯胺抗菌織物無需滅菌處理。將織物放于培養基上，在織物上均勻滴加0.6 mLS.aureus(或者E.coli)菌液(按具體實驗指定濃度)；一定時間(0.5、1、3、5、10、30 min)后，將織物轉入60 mL Na2S2O3溶液(質量分數為0.05%)中，振蕩反應3 min，淬滅織物上殘余的活性氯，并使織物上的細菌脫落，在溶液中均勻分散[11-12]。按10倍系列稀釋法稀釋振蕩溶液，滴入培養基，培養箱溫度設定為37 ℃，S.aureus培養18 h，E.coli培養10 h。按下式計算抑菌率：

式中：A為原樣培養基上的菌落個數；B為氯胺抗菌織物培養基上的菌落個數。

1.4.2.2ICU病房擦拭抗菌性能定性測試 將活化氯胺抗菌織物應用于醫院ICU病房的清潔處理，試樣的抗菌性能測試均在該醫院微生物實驗室進行。具體步驟為：1)擦拭前取樣。將滅菌后的規格板(5 cm × 5 cm)放在邊柜上，用棉拭子預先浸漬無菌中和液，然后在規格板內按水平和垂直方向各涂抹5次；連續取樣4個不同點并做標記，將取樣棉拭子立即放入試管(含9 mL取樣液)中并送檢(簡稱取樣送檢)。將取樣液充分振蕩并取1 mL加入培養基中，在37 ℃恒溫下培養24 h。采用相同方法擦拭床欄取樣，擦拭長度約為10 cm，取樣送檢和培養過程同前。2)將活化氯胺抗菌織物用自來水浸潤，對床欄和邊柜進行擦拭，然后將擦拭織物立即投入質量分數為0.1%的Na2S2O3溶液(浴比為1∶50)中。3)擦拭后取樣。按步驟1)準備滅菌規格板和進行棉拭子處理；連續取樣步驟1)中選取的4個點并做好標記，取樣送檢和培養過程同步驟1)。采用棉拭子在步驟1)中擦拭的床欄位置進行取樣，取樣送檢和培養過程同步驟1)。

1.4.2.3公共食堂桌面擦拭和抗菌性能測試 對100 mL去離子水進行滅菌處理，然后將其用于潤濕活化氯胺抗菌織物。剪取尺寸為30 cm × 30 cm的織物，連續擦拭30張不同的餐桌表面。在擦拭完第1張、第10張、第20張、第30張桌面后，分別用已滅菌的衛生棉球對桌面進行采樣。將擦拭桌面的活化氯胺抗菌織物和采樣棉拭子立即浸入準備好的Na2S2O3溶液，室溫振蕩3 min，取1 mL振蕩后的溶液滴入培養基培養24 h，觀察細菌生長情況。

1.4.3 氯胺抗菌織物抗病毒性能測試

抗病毒測試由廣東省微生物分析檢測中心完成。按照ISO 18184—2014《抗病毒紡織品測試》中的感染病毒滴度法，測試氯胺抗菌織物的抗病毒性能。測試3次，取平均值。將氯胺抗菌織物(測試樣)和未經抗菌整理的織物(對照樣)各稱取(0.40 ± 0.05) g，剪成20 mm × 20 mm尺寸，放入瓶中、鋁箔紙密封，然后在121 ℃、103 kPa條件下滅菌15 min。將0.2 mL的H1N1病毒懸浮液(108PFU/mL)均勻滴在樣品上接種，將對照樣立即進行洗滌并收集洗滌液；測試樣和對照樣在 25 ℃ 下孵育2 h后分別進行洗滌，收集洗滌液。采用混勻器將各自洗滌液混勻，每次5 s，共計5次，然后將洗滌液按照10倍系列稀釋法進行稀釋并在培養板(含有細胞)上進行測試，在CO2培養箱中34 ℃保持1 h，讓細胞吸收病毒。然后，加入維持介質后，繼續在CO2培養箱中于34 ℃保持 7 d；取出后用顯微鏡觀察細胞病變情況。感染病毒滴度V按下式進行計算：

V=X×10∑p+0.5×C

式中：X為起始病毒懸浮液的稀釋倍數；p為病毒懸浮液在各自稀釋倍數下的細胞病變效應的比率；C為洗脫病毒懸浮液的體積，mL。

抗病毒活性值M按下式進行計算：

M=lgv1-lgv2

式中：v1為對照樣的感染病毒滴度；v2為測試樣的感染病毒滴度(接種孵育時間均為2 h)。根據M計算抗病毒活性率：

P=(1-10-M)×100%

1.4.4 氯胺抗菌織物耐洗性測試

按照AATCC 61—2006《耐家庭和商業洗滌色牢度：加速法》，將氯胺抗菌織物放入鋼杯(額外加50粒不銹鋼鋼珠)，加入150 mL的標準洗滌劑(質量分數為0.15%)溶液進行洗滌，設定洗滌溫度為49 ℃，洗滌時間為45 min，最后用清水充分水洗。以上工序稱為1次洗滌循環，等同于5次家庭洗衣機洗滌[11-12]，織物共計進行10次洗滌循環。每個洗滌循環后，按照1.3.1節的方法進行活化，并測試織物上的活性氯含量。

2 結果與討論

2.1 氯胺抗菌織物活化工藝分析

滌綸/錦綸超細纖維針織物經ADMH乳液整理后，接枝的亞胺結構需要經過活化才能發揮抗菌作用。活化氯胺抗菌織物上N—Cl基團越多，則抗菌性能越好，但其數量受ADMH接枝率和后續活化工藝的影響。不同活化工藝參數對織物上活性氯含量的影響如圖1所示。

由圖1(a)可見，經活化處理并在60 ℃烘30 min，織物上的活性氯含量由自然風干時的336 mg/kg降為314 mg/kg，損失率約為6.5%。隨著烘干溫度繼續升高，織物上活性氯減少較多，90 ℃時織物上活性氯含量僅為229 mg/kg，損失率為31.8%。當固定織物烘干溫度為60 ℃時，隨著織物烘干時間的延長，織物上活性氯含量逐漸下降(見圖1(b))，變化趨勢與溫度增加時的相同。圖1(c)表明，隨著活化時間增加，織物上活性氯含量逐漸增加，但在20 min以后增加趨勢放緩。次氯酸鈉溶液中活性氯含量對織物活化也有較大影響，隨著溶液中活性氯含量的增加，織物上的活性氯含量也呈現增加趨勢(見圖1(d))，最高達到319 mg/kg，此時次氯酸鈉溶液活性氯含量為 3 000 mg/kg。

圖1 活化工藝條件對織物上活性氯含量的影響Fig.1 Effect of different factors on active chlorine content in fabric:(a) Drying temperature;(b) Drying time;(c) Activating time;(d) Concentration of active chlorine in solution

基于以上分析，確定氯胺抗菌織物的最佳活化工藝為：溶液中活性氯含量3 000 mg/kg，活化時間20 min，烘干溫度60 ℃，烘干時間20 min。

2.2 氯胺抗菌織物的抗菌性能分析

采用最佳活化工藝對氯胺抗菌織物進行活化，然后測試其抗菌性能，結果如表1所示。可見，在活化氯胺織物接觸細菌時間分別為0.5、1、3、5、10、30 min，接觸細菌濃度為105CFU/mL條件下，無論是大腸桿菌還是金黃色葡萄球菌，其與氯胺抗菌織物接觸 1 min 后均被殺滅90%以上；在接觸3 min后，細菌被殺滅99.999%，因此，活化氯胺抗菌織物表現出快速、高效的殺菌能力。

表1 氯胺抗菌織物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌能力Tab.1 Antibacterial property of chloramine modified fabrics against S. aureus and E. coli

2.3 氯胺抗菌織物的抗病毒性能分析

將活化并烘干的氯胺抗菌織物送往廣東省微生物分析檢測中心進行抗病毒檢測，結果見表2。可見，氯胺抗菌織物的抗病毒活性率為99.94%，抗病毒活性值為3.22，表明氯胺抗菌織物也具有優異的抗菌毒性能。

表2 氯胺抗菌織物的抗H1N1病毒性能Tab.2 Antiviral property of N-halamine modified fabrics against H1N1

2.4 實際抗菌效果分析

2.4.1 醫院ICU病床護欄和邊柜擦拭實驗結果

在合作醫院的微生物檢驗室進行織物抗菌性能的定性檢測，結果如表3所示。可見，擦拭醫院ICU病房床欄及邊柜后，在擦拭后的固體表面均未檢測到細菌。

表3 氯胺抗菌織物擦拭床欄和邊柜的抗菌性能Tab.3 Antibacterial property of N-halamine modified fabrics for wiping side cabinet and bedrail in hospital

2.4.2 公共食堂桌面擦拭效果

采用氯胺抗菌織物對桌面進行擦拭，然后對桌面和織物進行細菌生長情況測試，結果如圖2所示。從圖2(a)可以看出，未經抗菌布擦拭的桌面確實存在細菌。在連續擦拭1張、10張、20張、30張桌面后，桌面(見圖2(b))及擦拭織物(見圖2(c))上均無細菌。連續擦拭30個桌面后，不僅擦拭的桌面不帶菌，而且擦拭織物上也不帶菌，說明織物上不斷分解釋放Cl+，對微生物發揮了殺滅作用。這對于公共場所的表面清潔可起到關鍵保護作用。抗菌性的可再生性是接枝改性抗菌織物最大的優勢。擦拭30張桌面后，經ADMH改性的織物可由次氯酸鈉溶液再次進行活化，以恢復其高效抗菌性能。以擦拭30張桌面為1個循環，每個循環后抗菌織物被活化1次即可再次使用。

圖2 氯胺抗菌織物擦拭餐桌表面的抗菌情況Fig.2 Antibacterial property of N-halamine modified fabrics for wiping dining tables.(a) Bacterial growth on tabletop before wiping;(b) Bacterial growth on tabletop after wiping;(c) Bacterial growth on N-halamine fabric

2.5 氯胺抗菌織物耐洗性和可再生性分析

洗滌后織物上活性氯含量變化如圖3所示。可以看出，織物經10次洗滌循環(相當于50次普通洗滌)、活化后，其活性氯含量仍達到311 mg/kg，與未經洗滌的織物(336 mg/kg)相比，活性氯含量降低較少，表明ADMH通過共價鍵與織物纖維結合牢度高，賦予整理織物較好的可再生抗菌功能。

圖3 氯胺抗菌織物經不同次數洗滌及活化后的活性氯含量Fig.3 Active chlorine content of fabrics after different washing times and activation

3 結 論

1)經3-烯丙基-5,5-二甲基乙內酰脲(ADMH)接枝整理的滌綸/錦綸超細纖維針織物，其最佳活化工藝為：次氯酸鈉溶液活性氯含量3 000 mg/kg，活化時間20 min，烘干溫度60 ℃，烘干時間20 min。

2)活化氯胺抗菌織物與濃度分別為2.51×105、2.19×105的金黃色葡萄球菌和大腸桿菌進行接觸，在接觸3 min后抑菌率均達到99.999%；活化氯胺抗菌織物對甲型流感病毒H1N1的抗病毒活性率達到99.94%。

3)活化氯胺抗菌織物用水潤濕并擦拭醫院ICU病房床欄及邊柜后，在擦拭表面未檢測到細菌。活化氯胺抗菌織物連續擦拭30張食堂桌面后，桌面和擦拭織物均無細菌生長；其可耐受50次的家庭洗滌，且活化后織物上的活性氯含量仍達到311 mg/kg。

FZXB