抗菌型多功能聚酰胺纤维的结构与性能yd14916

孙唯唯，张华，周永凯 1.北京服装学院，北京100029；2.总后勤部军需装备研究所，北京 100082)

收稿日期：2011-05-24 修回日期：2011-12-20

基金项目：总后勤部军需装备研究所军用汉麻材料研究中心计划项目(BX110J032)

作者简介：孙唯唯(1988-)，女，硕士生。研究方向为服装新材料的开发。周永凯，通信作者，E-mail：zykbta@yaho.com.cn

原载:纺织学报2012/4;6-

【摘要】抗菌型多功能粉体添加到高聚物熔体后纺丝成纤，可使纤维同时具有高效抗菌、远红外发射和负氧离子发射功能。为此，通过电子扫描显微镜和能谱测试、x射线衍射、热分析及红外光谱测试，对添加抗菌型多功能粉体聚酰胺纤维的结构及功能性进行研究。结果表明抗菌型多功能粉体的加入对聚酰胺纤维的结构性能有～ 定的影响。纤维的功能性测试结果显示：添加抗菌型多功能粉体纤维的抗菌性能非常优越，同时远红外发射和负氧离子发射功能也较好；抗菌型多功能粉体添加量为2.0％时，聚酰胺纤维具备很好的结构稳定性和多功能性。

【关键词】聚酰胺纤维；多功能；抗菌；远红外；负氧离子

【中图分类号】TS 101.2 文献标志码：A 文章编号：0253-9721(2012)04—0006.06

在日常生活中，人们不可避免地会接触到各类细菌、霉菌等微生物，这些微生物在合适的外界条件下会迅速成长、繁殖，并能通过各种途径传播疾病，影响人们正常的工作与学习，而各类纤维制品无疑是这些微生物适宜的生存介质[1-2]。随着社会发展和人民生活水平的不断提高，人们对环境卫生的要求越来越高，自我健康的意识也13益增强，人们不仅注重纤维制品的种类、处观、色彩及服用性质，还要求其具备抗菌防霉等功能性[3]。本文通过实验分析聚酰胺纤维结构性能以及多功能性。该纤维不仅具有抗菌功能，同时又具有远红外和负氧离子发射功能。

1 实验部分

1.1 实验材料制备

采用共混法熔融纺丝得到不同添加比例的抗菌型多功能聚酰胺纤维。纺丝过程中，首先制备母粒，将Ag 、纳米级二氧化钛和电气石粉体与硅烷基偶联剂在140～160℃ 条件下高速混合，混合中加入耐氧剂，得到抗菌型多功能粉体；再在低速状态加到高聚物聚酰胺载体切片中，高速搅拌，同时加入有机分散剂，通过双螺杆挤压机挤压成条，水浴冷却，吹干机吹干，切粒得到抗菌型多功能母粒。纺丝时，根据实际需要，添加不同比例的多功能母粒，先纺出多功能预取向纤维，采取内牵伸假捻加热加弹方法将POY原丝加工成DTY加弹丝，再加油加水，得到抗菌型多功能聚酰胺弹力纤维。本文研究对象即为未添加抗菌型多功能粉体的聚酰胺纤维和添加量分别为1.0％ 、1.5％ 和2.0％ 的聚酰胺纤维。

1.2 结构性能测试

1.2.1 微观形态观察

采用日本电子公司的JSM-7I00F扫描电子显微镜对纤维进行横截面结构形态的观察。纤维横截面制样采用树脂包埋法，首先将纤维撑起放在模子中，再将环氧树脂和氧化剂按1:1的比例调和，倒入模中将纤维完全包住，然后等待树脂试样固化，拿出后环绕树脂一周刻槽，并在液氮中将其掰断，得到纤维的横截面；将其黏在黏有导电胶的台子上，将台子放入真空镀碳机中镀碳膜，以备观察。

1.2.2 X射线衍射实验

将纤维试样剪碎至粉末状，压实压平到玻璃载样台中。实验仪器是日本理学电机公司的dmax-b型x射线衍射仪，实验条件为：管压40 kV，管流50 mA，采用Cu管，DS狭缝1°，RS狭缝0.15 mm，SS狭缝为1°，扫描方式连续，扫描速度6(°)／min，扫描范围6°～36°。

1.2.3 热分析实验

将纤维试样剪碎至粉末状，以备实验。实验仪器是Seiko仪器公司的EXSTAR DSC 6200。实验条件为：升温范围从室温升至300℃ ，升温速率10℃／min，N2流量20 mL／min，纤维定量5 mg。

1.2.4 红外光谱测试

实验仪器是美国Nicolet公司的Nexus 670红外显微拉曼光谱仪。光谱范围为4 000～500 cm-1。

1-3 功能性测试

1.3.1 抗菌功能测试

按照GB／T 20944.3-2008《纺织品抗菌性能的评价第3部分：振荡法》对纤维进行测试，对照样采用纯棉织物，菌种选择金黄色葡萄球菌ATCC 6538，大肠杆菌8099，白色念珠菌ATCC 10231，试样灭菌方式为高压蒸汽121℃ 下灭菌15 min。抑菌率计算公式为

y =	(W1-Q1)	× 100％
	W1

式中：Y为试样的抑菌率，W1为3个对照样l8 h振荡接触后烧瓶内的活菌浓度的平均值，CFU／mL，Q1 为3个抗菌材料18 h振荡接触后烧瓶内的活菌浓度的平均值，CFU／mL。

1.3.2 远红外发射功能测试

远红外发射功能测试按照FZ／T 64010-2000《远红外纺织品》对纤维进行法相发射率的测试。纤维制样是将适量的纤维剪成约0.5 mm长的碎末，用水玻璃调制成糊状，涂在直径为2 cm的铜片上(涂覆厚度与一般织物相近)，再在其表面撒一层干碎末。对比样采用未添加多功能粉体的聚酰胺纤维，制样方法同上。普通聚酰胺纤维远红外发射率为70％ ，当功能聚酰胺纤维法向发射率提高值大于或等于8.0％ ，样品具有远红外发射功能。

1.3.3 负氧离子发射功能测试

负氧离子发射功能测试按照CTTC.F024-2007《负离子浓度检验细则》，根据世界卫生组织的规定，空气中负氧离子的浓度大于1 500个／m3 时的空气被视为清新空气 。

2 实验结果分析

2.1 结构及性能分析

2.1.1 微观形态分析

图1 添加不同比例抗菌型多功能粉体聚酰纤维横截面(×4000)

图1示出树脂包埋试样在低温液氮中掰断得到的纤维横截面形态。因聚酰胺有着与树脂试剂不同的韧性，因此会产生一定的拉伸变形。从图可看到抗菌聚酰胺纤维断面存在颗粒物质，颗粒物质在纤维中分散均匀，且随着多功能粉体添加量的增加，颗粒物质明显增多，推断颗粒物质为多功能粉体，但是也看到未添加的聚酰胺纤维表面也存在有少量颗粒物质。

为进一步分析聚酰胺纤维横截面中颗粒状物质的成分，对聚酰胺纤维进行能谱分析。图2为未添加抗菌型多功能粉体聚酰胺纤维横截面中的颗粒状物质能谱分析图。结果表明，颗粒中主体成分为Ti，并无其他抗菌成分的存在，因此分析颗粒状物质是为防止合成纤维出现极光现象而在纺丝过程中添加的消光剂 。图3为抗菌型多功能粉体添加量为2.0％ 的聚酰胺纤维横截面中颗粒状物质的能谱分析图。从图中可清楚地看到Ag、Zr、P等元素，表明此时分布于纤维截面中的颗粒状物，足添加的抗菌型多功能粉体。

图2 未添加抗菌型多功能粉体聚酰胺纤维横截面中颗粒物质能谱图	图3 抗菌型多功能粉体添加量为2.0%的聚酰胺纤维横截面中颗粒物质能谱图

2．1．2 X射线衍射结果分析

图4为4种聚酰胺纤维的x射线衍射曲线对比图。表l示出4种聚酰胺纤维试样的x射线衍射数据。从图、表中可看出，随着抗菌母粒加入量的增加，纤维的结品度先下降后上升。分析原因是当抗菌多功能粉体加入量小于1.5％时，少量的粉体是作为杂质起扰乱结晶的作用，当加入量为1.5％和大于1.5％时，结晶度有所上升，抗菌型多功能粉体起诱导结晶的作用[6]，因此，聚酰胺纤维的结晶度并不总是降低的。

图4 聚酰胺纤维X射线衍射曲线对比图	图5 聚酰胺纤维DSC曲线对比图

表1 聚酰胺纤维X射线衍射数据

试样	峰位(°)	衍射强度/(计数·s-1)	结晶度/%
未添加功能粉体的聚酰胺纤维	峰1 21.478 峰2 20.097 峰3 23.483	1194 926 1275	45.3
含量为1.0%抗菌聚酰纤维	峰1 21.392 峰2 20.125 峰3 23.311	569 866 929	44.6
含量为1.5%抗菌聚酰纤维	峰1 21.661 峰2 20.403 峰3 23.453	784 1233 1248	52.7
含量为2.0%抗菌聚酰纤维	峰1 21.571 峰2 20.251 峰3 23.478	1115 1329 1500	53.2

2.1.3 热分析

图5是聚酰胺纤维的DSC曲线对比图。表2示出其DSC测试数据。从图、表中可看出，抗菌型多功能母粒的添加使得聚酰胺纤维的熔融温度有少许波动，影响程度并不大。DSC法测试的聚合物熔融峰曲线和基线所包围的面积可直接换算成热量，此热量是高聚物中结晶部分的熔融热焓[7]。从图、表中可看出其熔融热焓是随着抗菌型多功能母粒的加入先有所下降，但当添加比例为2.O％ 时明显升高。分析原因是少量的抗菌型多功能剂会扰乱聚酰胺的结晶，但当添加量达到1.5％ 时可以起到完善结晶的作用[8]。

表2 聚酰胺纤维DSC测试数据

试样	熔融温度/℃	熔融峰面积/mJ	熔融热焓/(·g-1)
未添加功能粉体的聚酰胺纤维	222.03	306.115	64.8550
含量为1.0%抗菌聚酰纤维	221.63	306.929	64.6167
含量为1.5%抗菌聚酰纤维	222.74	363.366	63.7484
含量为2.0%抗菌聚酰纤维	222.14	375.133	68.3302

2.1.4 红外光谱分析

图6示出4种聚酰胺纤维试样的红外光谱曲线对比图。图中显示，682 Cm-1处是N-H平面振动峰，1 261和1 539 cm-1处是C=N振动峰和C=0平面振动峰，1 63l cm-1处是C=0伸缩振动峰，3 299 cm-1处是N-H伸缩振动峰[9]。相比未添加功能粉体的聚酰胺纤维的特征峰，添加抗菌型多功能母粒的聚酰胺纤维的红外光谱图基本上没有变化，聚酰胺纤维的特征吸收峰也无变化，因此抗菌型多功能粉体并没有与纤维大分子发生键接而影响纤维的分子结构，只是镶嵌在纤维当中，所以对纤维的分子结构没有太大的影响[10]。

图6 聚酰胺纤维红外光谱曲线对比图

2.2 功能性测试分析

2.2.1 抗菌功能分析

按照GB／T 20944.3-2008振荡法对纤维进行抗菌性能测试，结果见表3。其中所选菌种分别为革兰氏阳性金黄色葡萄球菌，革兰氏阴性大肠杆菌，还有白色念珠菌。标准规定当对金黄色葡萄球菌及大肠杆菌的抑菌率≥70％ ，或对白色念珠菌的抑菌率≥60％ 时，样品具有抗菌效果。从表中看到添加多功能抗菌母粒量为1.0％ 时纤维已经具有一定的抗菌性能，随着添加量增加到2.0％ 时，抗菌效果已经达到99％ 以上，具有很好的抗菌效果。

表3 聚酰胺纤维试样的抑菌率％

试样	金黄色葡萄球菌	大肠杆菌	白色念珠菌
未添加功能粉体的聚酰胺纤维	0	0	0
含量为1.0%抗菌聚酰纤维	70	70	40
含量为1.5%抗菌聚酰纤维	90	90	60
含量为2.0%抗菌聚酰纤维	＞99	＞99	＞99

2.2.2 远红外发射和负氧离子发射功能分析

考虑到抗菌型多功能聚酰胺纤维的最重要指标是其抗菌性能，远红外发射和负氧离子发射功能是在抗菌性基础上具备的，因此，对于多功能性的测试分析，采用抗菌型多功能粉体添加量为2.0％ 的聚酰胺纤维。表4示出国家纺织品质量监督检验中心的测试结果。可明显看出：添加量为2.0％ 时抗菌聚酰胺纤维的远红外法向发射率为78％ ，相比于纯聚酰胺纤维的70％ 提高了8％ ，已经达到标准规定(≥8％ )，纤维具有远红外发射功能，达到良好的保温作用；纤维的负氧离子浓度为4 170个／m3，远超过世界卫生组织规定的清新空气1 500个／m3的标准，抗菌型多功能聚酰胺纤维具有较好的负氧离子生成功能，使纤维具有很好的增强人体免疫力的保健作用[11]。

表4 抗菌聚酰胺纤维(2.O％)的远红外和负氧离子功能测试

检测项目	实测值	参考标准
远红外法向发射率/%	78	FZ/T64010-2000
负氧离子浓度/(个·m-3)	4170	CTTC.F024-2007

3 结 论

1)将抗菌型多功能母粒采用熔融纺丝法加入聚酰胺纤维制成抗菌型多功能聚酰胺纤维，抗菌型多功能母粒添加量为1.0％ 、1.5％ 和2.0％ 时在聚酰胺纤维中具备很好的分散性，添加量为2.0％ 的聚酰胺纤维具有很好的结构稳定性和多功能性。

2)抗菌型多功能粉体的添加，对聚酰胺纤维结构性能有影响。随着抗菌型多功能母粒添加量的增加，聚酰胺纤维的结晶度先下降后升高；DSC测试结果表明，抗菌型多功能母粒的添加使得聚酰胺熔融温度有所波动，但影响并不大，对聚酰胺纤维熔融热焓的影响则与结晶度的结果基本保持一致；红外光谱测试结果显示，加入的抗菌型多功能粉体并未与聚酰胺纤维大分子发生键接，不影响聚酰胺纤维的特征峰吸收。

3)添加有抗菌型多功能母粒的聚酰胺纤维具有很好的抗菌、远红外发射和负氧离子发射功能。添加量为2.0％ 的聚酰胺纤维对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和白色念球菌的抑菌率均达到99％ 以上，具有很好的抗菌效果；此外，这种纤维的远红外法向发射率较纯聚酰胺纤维提高8％ ，使纤维具有良好的保温作用；负氧离子浓度可以达到4170个／m3，纤维具有很好的增强人体免疫力的保健作用。

参考文献

[1] 孙娟．姚琛，李新松．抗聚合物纳米纤维的研究进展[J]高分子通报．2010(8)；27-33

[2] 戴晋明．张蕊萍．抗菌材料在纺织品中的应用[J]化纤与纺织技术，2005．3(1)；3l-34

[3] 陈道江，马正升．抗菌纤维及其纺织品的发展[J]广西纺织科技，2006，35(1)；43-47

[4] 钱建华，孙福，凌荣根．负氧离予聚酯纤维的研制与性能[J]纺织学报，2007，28(4)：16-18

[5] 刘爱民．消光剂二氧化钛分散性能的研究[J]合纤维上业。2000(4)：59-61

[6] SANG Young Yeo，HOON Joo Lee，SUNG Hoon Jcong．Preparation of nanocomposite fibers for permanent antibacterial effect[J]Journal of Materials Science，2003，38；2143-2147

[7] 程晓春，固旭，张强华．共聚改性MC尼龙的制备和DSC分析[J]应用化工，2005(5)：282-284

[8] 陈宪宏，张海良．王霞瑜，等，LCP与PA66共混物的DSC分析及相容性研究[J]翅料工业，2001，7(4)：44-46

[9] 马跃起，龙家杰．赵建平．等．超临界CO2流体处理对锦纶6纤维的影响[J]丝绸，2010(9)：4-10

[10]刘美娜，韩光亭，张元明．纳米银抗菌涤纶纤维结构与性能初探[J]青岛大学学报，2008，23(1)：2l-24

[11]赵博．多功能负氧离子纤维纱的开发[J]棉纺织技术，2005，33(11)；48-51