具有熒光和抗菌多功能紡織品的制備與性能

張家耀

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451100）

隨著近年來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，紡織品市場(chǎng)也在不斷革新，熒光型和抗菌型紡織品逐漸走進(jìn)人們的日常生活，并深受消費(fèi)者的喜愛(ài)與關(guān)注。基于此，相關(guān)單位與研究者需要對(duì)兼具熒光和抗菌兩種性能的染料制備進(jìn)行研究，并對(duì)該染料及其染色之后的紡織品進(jìn)行性能測(cè)試。這樣可明確染料在紡織品中的實(shí)際應(yīng)用效果，滿足現(xiàn)代紡織品行業(yè)的實(shí)際經(jīng)營(yíng)與發(fā)展需求。

1 多功能紡織品的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，紡織品行業(yè)以及消費(fèi)者對(duì)熒光功能格外關(guān)注，因此，熒光紡織品在當(dāng)今市場(chǎng)所占比例越來(lái)越大。具備熒光功能的紡織品的顏色亮度更高、飽和度更好以及可見(jiàn)度更強(qiáng)，進(jìn)而使紡織品的外觀更加醒目、時(shí)尚。目前，熒光紡織品在對(duì)可視性要求較高的運(yùn)動(dòng)服、警示服等產(chǎn)品中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)，隨著環(huán)保和養(yǎng)生理念逐漸深入人心，抗菌紡織品也備受關(guān)注。這類紡織品具有綠色、環(huán)保、安全等性能，相比普通紡織品更有利于人體健康，而在現(xiàn)代紡織技術(shù)不斷發(fā)展中，兼具熒光和抗菌性能的多功能紡織品也開(kāi)始走進(jìn)市場(chǎng)，并在諸多領(lǐng)域發(fā)揮了顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，關(guān)于多功能紡織品的制備也開(kāi)始受到紡織行業(yè)與相關(guān)研究者的高度重視。

就目前的紡織品行業(yè)來(lái)看，最常用的熒光染料是萘酰亞胺類染料，這種染料的結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，且易于修飾，在熒光染料和熒光紡織品研究中至關(guān)重要。紡織品中應(yīng)用的抗菌劑主要有3種，分別是無(wú)機(jī)抗菌劑、有機(jī)抗菌劑和自然抗菌劑。其中，季銨鹽類抗菌劑是當(dāng)前紡織品行業(yè)最常用的有機(jī)抗菌劑，來(lái)源十分廣泛，價(jià)格低廉，加之自身帶有正電荷，對(duì)于帶有負(fù)電荷的細(xì)菌具有很好的吸附效果，且能將其細(xì)胞壁破壞，所以抗菌效果也非常好。基于此，在目前的熒光與抗菌多功能紡織品研究中，萘酰亞胺類熒光染料以及季銨鹽類抗菌劑的應(yīng)用是主要的研究方向。

2 多功能紡織品的制備試驗(yàn)

本試驗(yàn)主要探索一種兼具熒光性能和抗菌性能的染料的制備及其在紡織品染色方面的應(yīng)用效果，包括試驗(yàn)材料與設(shè)備選擇、染料合成以及紡織品染色試驗(yàn)。

2.1 材料與設(shè)備選擇

試驗(yàn)所選材料主要包括改性滌綸紡織品、純棉紡織品、4-溴-1,8-萘二甲酸酐試劑、N,N-二甲基-1,3-丙二胺試劑、溴代十二烷試劑、1,3-丙二胺試劑；試驗(yàn)設(shè)備主要包括HMS-14型數(shù)字化磁力加熱攪拌器、RE-2000A型旋轉(zhuǎn)式蒸發(fā)儀、U-3310型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)、AV400型核磁共振儀器、傅里葉紅外光譜儀、Datacolor650型計(jì)算機(jī)測(cè)色配色儀器、超凈工作臺(tái)、恒溫培養(yǎng)振蕩器、恒溫培養(yǎng)箱。

2.2 NA-3熒光抗菌雙子季銨鹽染料的合成

根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)熒光和抗菌型多功能紡織品的實(shí)際需求，試驗(yàn)特別制備了一種NA-3熒光抗菌雙子季銨鹽染料。在制備過(guò)程中，首先讓4-溴-1,8-萘二甲酸酐試劑和N,N-二甲基-1,3-丙二胺試劑反應(yīng)，其次以丙二胺取代，最后實(shí)施季銨化處理，進(jìn)而獲得目標(biāo)化合物。

制備步驟具體如下：首先，將5.54 g 4-溴-1,8-萘二甲酸酐試劑分散到40.0 mL乙醇中，在3.06 g N,N-二甲基-1,3-丙二胺試劑中加入20.0 mL乙醇進(jìn)行稀釋，將稀釋后的溶液緩慢滴入反應(yīng)液內(nèi)，在常溫條件下反應(yīng)2.0 h；將溫度提升到40 ℃，再反應(yīng)0.5 h；待反應(yīng)體系冷卻到室溫，將反應(yīng)液倒入水中析出和抽濾處理，直到濾液變澄清[1]；在60 ℃條件下烘干濾餅至恒重，獲得6.86 g NA-1。其次，在40.0 mL二甲基亞砜中溶解3.64 g NA-1以及0.37 g 1,3-丙二胺，用氮?dú)膺M(jìn)行氛圍保護(hù)，在80 ℃條件下反應(yīng)50.0 h；將反應(yīng)體系冷卻到室溫，使用二氯甲烷將其中的二甲基亞砜萃取去除，再通過(guò)乙酸乙酯對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行重結(jié)晶純化處理，之后在60 ℃條件下將烘干收集到的粉末稱至恒重，獲得2.95 g NA-2。最后，在15.0 mL二甲基甲酰胺（Dimethylformamide，DMF）中溶解1.27 g NA-2以及4.98 g溴代十二烷，用氮?dú)膺M(jìn)行氛圍保護(hù)，在120 ℃條件下反應(yīng)68.0 h；采取減壓蒸餾的方式將DMF去除，使用少量無(wú)水乙醚多次進(jìn)行洗滌處理，將其中多余的溴代十二烷去除；通過(guò)丙酮重結(jié)晶法獲得1.18 g NA-3染料。

2.3 紡織品的NA-3染色

首先是改性滌綸紡織品的NA-3染色：（1）按照1∶20的浴比配制染液，使用冰乙酸將染液pH調(diào)節(jié)到1.5；（2）在30 ℃條件下將染液加入改性滌綸紡織品中，以1 ℃/min的速度將溫度提升到120 ℃；（3）使該溫度保持70 min，之后降低到室溫；（4）用質(zhì)量濃度為1 g/L、浴比為1∶30的皂液在85 ℃條件下對(duì)染色紡織品實(shí)施15 min的皂洗；（5）通過(guò)水洗的方式去除皂洗泡沫；（6）在60 ℃條件下將染色紡織品烘干。

其次是純棉紡織品的NA-3染色：（1）按照1∶30的浴比進(jìn)行染液配制；（2）在30 ℃條件下將染液加入改性滌綸紡織品中，以1 ℃/min的速度將溫度提升到90 ℃；（3）使該溫度保持20 min，加入1/2元明粉（質(zhì)量濃度為10 g/L），進(jìn)行20 min續(xù)染之后，再加入剩余1/2元明粉，并進(jìn)行20 min續(xù)染；（4）將溫度降低到50 ℃后取出試樣，用冷水清洗后烘干。

3 多功能紡織品性能測(cè)試分析

3.1 NA-3染料性能測(cè)試

3.1.1 熒光性能測(cè)試

對(duì)于本試驗(yàn)制備的NA-3染料，主要通過(guò)U-3310型紫外-可見(jiàn)分光度計(jì)對(duì)水溶液進(jìn)行熒光光譜測(cè)定。物質(zhì)吸收電磁輻射后受到激發(fā)，在去激發(fā)過(guò)程中可發(fā)射出不同波長(zhǎng)的熒光[2]。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該染料在450 nm激發(fā)光條件下的吸收強(qiáng)度最大。考慮到熒光性能受染料濃度的直接影響，在具體測(cè)試中，按照0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.20、0.40、0.60 mmol/L進(jìn)行染液配制，并分別測(cè)定其熒光強(qiáng)度。圖1為不同濃度NA-3水溶液的熒光光譜，結(jié)果表明，當(dāng)濃度為0.08 mmol/L時(shí)，其熒光強(qiáng)度數(shù)量級(jí)可達(dá)106；當(dāng)濃度超過(guò)0.08 mmol/L，染料分子出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，降低了熒光強(qiáng)度；當(dāng)濃度達(dá)到0.40 mmol/L時(shí)，染液基本沒(méi)有熒光性能。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該染料的吸收波長(zhǎng)最大值隨著濃度的增加有輕微紅移情況，由此可以判斷出低濃度的NA-3染液具有高熒光強(qiáng)度。

圖1 不同濃度NA-3水溶液的熒光光譜

3.1.2 抗菌性能測(cè)試

在NA-3染料的抗菌性能測(cè)試中，主要應(yīng)用最小抑菌濃度（MIC）測(cè)定法，選擇金黃色葡萄球菌和大腸埃希菌進(jìn)行抑菌測(cè)試[3]。其中，金黃色葡萄球菌需要在營(yíng)養(yǎng)液里培養(yǎng)18.0 h，大腸埃希菌需要在培養(yǎng)液里培養(yǎng)10.0 h，之后用緩沖液對(duì)其進(jìn)行稀釋，將其濃度控制在104CFU/mL。將0.1 mL稀釋液加入1.0 mL NA-3染液中靜置1.0 h，分別按照0.1倍、100.0倍以及1 000.0倍稀釋，再分別取出0.1 mL稀釋液滴加到培養(yǎng)基上的4個(gè)區(qū)域進(jìn)行培養(yǎng)。染液抑菌率的計(jì)算公式如下：

式中：η代表染液抑菌率；n0代表空白培養(yǎng)基中的菌落數(shù)量；n1代表染料培養(yǎng)基中的菌落數(shù)量。

考慮到該染液抗菌性能會(huì)受到其自身濃度的直接影響，所以在本次測(cè)試中，按照不同濃度對(duì)NA-3染液的抑菌性能進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濃度在40 μmol/L及以上時(shí)，染液對(duì)金黃色葡萄球菌具有最佳抑制效果；當(dāng)濃度在20 μmol/L及以上時(shí)，染液對(duì)大腸埃希菌具有最佳抑制效果。NA-3染液的抑菌性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 NA-3染液的抑菌性能測(cè)試結(jié)果

3.2 NA-3染色紡織品的熒光與抗菌性能測(cè)試

3.2.1 染色性能測(cè)試

使用NA-3染料對(duì)兩種紡織品進(jìn)行染色之后，利用Datacolor650型計(jì)算機(jī)測(cè)色配色儀器對(duì)紡織品進(jìn)行K/S值測(cè)定，進(jìn)而測(cè)定K/S值伴隨著染液濃度的實(shí)際變化，實(shí)現(xiàn)染色性能的合理測(cè)試[4]。圖2為NA-3染料在兩種紡織品中的K/S值隨其質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化情況，結(jié)果表明，在改性滌綸紡織品中染色時(shí)，K/S值隨著染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提升而增大，但是當(dāng)染液中的染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)6.00%時(shí)，K/S值不會(huì)繼續(xù)隨著濃度的提升出現(xiàn)顯著變化；在純棉紡織品中染色時(shí)，K/S值也隨著染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提升而增大，當(dāng)染液中的染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)3.00%時(shí)，K/S值不會(huì)繼續(xù)隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提升出現(xiàn)顯著變化[5]。總體來(lái)看，NA-3染料在改性滌綸紡織品中具有更好的染色性能。

圖2 NA-3染料在兩種紡織品中的K/S值隨其質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化情況

3.2.2 熒光性能測(cè)試

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，NA-3對(duì)兩種紡織品進(jìn)行染色時(shí)，隨著染料用量的增加，其熒光性逐漸增強(qiáng)。但是當(dāng)染料達(dá)到了一定用量之后，由于紡織品表面有染料聚集堆積情況，其熒光強(qiáng)度出現(xiàn)逐漸減弱的趨勢(shì)[6]。經(jīng)進(jìn)一步測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.00%時(shí)，改性滌綸紡織品的熒光強(qiáng)度最大，其數(shù)量級(jí)可達(dá)107；當(dāng)染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.00%時(shí)，純棉紡織品的熒光強(qiáng)度最大，但是其數(shù)量級(jí)僅能達(dá)到106。

3.2.3 抑菌性能測(cè)試

本次染色紡織品抑菌性試驗(yàn)主要通過(guò)振蕩法對(duì)紡織品上染料的抑菌性能進(jìn)行測(cè)定。在培養(yǎng)基上放置兩塊染色后的紡織品，規(guī)格是3 cm×3 cm，采用300 μL濃度為105CFU/mL菌液進(jìn)行接種，靜置1.0 h后，將紡織品浸泡在30 mL的緩沖液中振蕩3 min，最后按照公式（1）計(jì)算抑菌率。

考慮到染液抗菌性能會(huì)受到其自身質(zhì)量分?jǐn)?shù)的直接影響，在本次測(cè)試中，對(duì)不同濃度NA-3染液染色后的兩種紡織品進(jìn)行抑菌性能測(cè)試[5]。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，隨著染液中NA-3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提升，染色紡織品的抑菌率均呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)。但是在同一質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，純棉染色紡織品的抑菌率比改性滌綸染色紡織品的抑菌率高，說(shuō)明其抗菌效果更好[7]。經(jīng)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在兩種紡織品中，NA-3染料對(duì)大腸埃希菌的抑菌率比對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌率高，說(shuō)明NA-3對(duì)大腸埃希菌具有更好的抗菌效果。NA-3染色紡織品的抑菌性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 NA-3染色紡織品的抑菌性能測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

染料對(duì)于紡織品的顏色及其性能具有很大程度的影響。研究表明，NA-3是一種熒光與抗菌性能并存的多功能紡織品染劑，將該染劑合理應(yīng)用于改性滌綸或純棉材質(zhì)的紡織品中，均可以達(dá)到較好的熒光效果與抑菌效果，且在相同濃度下，該染劑在改性滌綸紡織品中具有更好的熒光性能，在純棉紡織品中具有更好的抑菌性能。