張勁松，許夢玉，李 娜，周 勇，吳德群，2

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海201620；2.東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201620)

纖維素是自然界儲量最為豐富的一種天然高分子資源，它具有聚合度高、分子取向性好、化學(xué)穩(wěn)定性較強(qiáng)等特點(diǎn)。本課題主要采用萊賽爾纖維進(jìn)行研究。萊賽爾纖維是一種綠色的紡織服裝面料，它不僅具有天然纖維棉花所具有的舒適性、手感好、易染色等特點(diǎn)，還具有傳統(tǒng)粘膠纖維所不具備的環(huán)保優(yōu)點(diǎn)[1～2]。但紡織品本身為疏松多孔的結(jié)構(gòu)，人體分泌的汗液及油脂極易粘附在紡織品的表面，而纖維素纖維親水性好，從而使得纖維素織物更易成為細(xì)菌繁殖和生長的溫床。細(xì)菌在紡織品上繁殖并可能通過人體皮膚、呼吸道、消化道等對人體的健康造成危害。同時，大量細(xì)菌和霉菌的繁殖也會使得紡織品表面產(chǎn)生菌斑，形成黑色或黃色的斑點(diǎn)，嚴(yán)重?fù)p害紡織品的美感。

紡織品所使用的抗菌劑應(yīng)該要滿足以下需求:(1)具有良好的抗菌效果；(2)織物進(jìn)行多次洗滌后仍具有良好的抗菌能力；(3)抗菌劑不會影響紡織品的機(jī)械強(qiáng)度、顏色、光澤等其他物理化學(xué)性質(zhì)；(4)抗菌劑不能對人體本身造成傷害；(5)抗菌劑可以與其他整理劑配合使用，即不影響紡織品的其他后整理過程；(6)抗菌劑最好能夠成本低廉、工藝簡單。根據(jù)抗菌劑的化學(xué)組成可以將抗菌劑分為無機(jī)抗菌劑和有機(jī)抗菌劑兩種。常見的無機(jī)抗菌劑一般為Ag＋、Zn2＋、Cu2＋等金屬陽離子的無機(jī)化合物或金屬納米顆粒。無機(jī)抗菌劑具有良好耐熱性、作用周期長、不易產(chǎn)生抗藥性等優(yōu)點(diǎn)[3]。但Ag NPs也在面臨著環(huán)境和人類健康問題，游離的納米銀離子可能會引起紫癜，同時對人的內(nèi)臟呼吸道等產(chǎn)生一定損傷[4]。有機(jī)抗菌劑一般是通過氧化作用、靜電吸附作用和長烷基鏈對細(xì)胞膜的作用中的一種或幾種來殺死細(xì)菌。季銨鹽是兩性表面活性劑，其抗菌作用主要是通過靜電吸附作用，將細(xì)菌吸入其內(nèi)部空隙中，造成細(xì)菌生物膜起皺，同時其長鏈烷基也可以刺入細(xì)菌體內(nèi)，此外季銨鹽還具有影響DNA轉(zhuǎn)錄的功能[5－7]。因此，采用季銨鹽類的抗菌劑可以賦予織物抗菌性能，滿足人體健康要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

萊賽爾纖維(38mm，1.33dtex)、無水乙醇(99.7%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、十二烷基二甲基叔胺(97%，上海泰坦科技有限公司)、3－氯－1－丙醇(98%，上海泰坦科技股份有限公司)、乙酸乙酯(99.5%，上海泰坦科技股份有限公司)、三羥甲基丙烷－三[3－(2－甲基氮丙啶基)丙酸酯](95%，上海麥克林生化科技有限公司)、N－甲基嗎啉－N－氧化物50%水溶液(NMMO，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、二甲基亞砜(NMSO，99.5%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。

1.2 抗菌劑的制備

將10mL的十二烷基二甲基叔胺和2.8mL的3－氯－1－丙醇(摩爾比1.1∶1)投入到三口燒瓶中，并加入50mL的乙醇作為溶劑在80℃下反應(yīng)20h[8]。反應(yīng)結(jié)束后通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去溶劑，待產(chǎn)物冷卻后，若產(chǎn)物仍為液體，則在110℃下減壓蒸餾除去未反應(yīng)的3－氯－1－丙醇，待產(chǎn)物冷卻后得到固體。在產(chǎn)物中加入少量乙醇使其溶解，再加入乙醚或乙酸乙酯進(jìn)行重結(jié)晶，得到白色固體產(chǎn)物。

圖1 抗菌劑的合成路線

1.3 抗菌抗原纖化纖維素纖維的制備

采用去離子水配置10g/L的三羥甲基丙烷—三[3－(2－甲基氮丙啶基)丙酸酯]溶液，再加入2g萊賽爾纖維，在60℃下反應(yīng)3分鐘后[9]，再加入制備的季銨醇抗菌劑，反應(yīng)3分鐘后，烘干后得到抗菌纖維素纖維。

圖2 抗菌纖維素纖維的制備

1.4 結(jié)構(gòu)與性能測試

1.4.1 化學(xué)結(jié)構(gòu)

采用Antaris II傅立葉變換近紅外光譜儀(賽默飛)、AVANCE IIITM HD 600MHz全數(shù)字化核磁共振譜儀(Bruker)和UPLC G2－XS Qtof高分辨質(zhì)譜(Waters)對化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

1.4.2 接枝率的表征

通過質(zhì)量變化來表征纖維的接枝率。為表征抗菌劑是否成功接枝到纖維素纖維上，可以采用XPS來檢測氯原子是否存在。但為了排除抗菌劑物理吸附在纖維素纖維上的影響，采用經(jīng)20mg的QAS12－OH和10g/L的三羥甲基丙烷－三[3－(2－甲基氮丙啶基)丙酸酯]溶液改性的萊賽爾纖維加入至100mL的50%NMMO水溶液中，再通過減壓蒸餾使溶液含水率約為13%～20%后，在85℃持續(xù)加熱攪拌4h，得到濃稠的液體，然后再加入NMSO調(diào)節(jié)液體的粘度，待其能夠自由流動后，進(jìn)行過濾，再向溶液中加入乙醇水溶液，此時液體中出現(xiàn)纖維素凝膠，再將凝膠烘干后得到樣品。由于在制備過程中的十二烷基二甲基叔胺、QAS12－OH和三羥甲基丙烷－三[3－(2－甲基氮丙啶基)丙酸酯]均可以溶解在水、乙醇或NMSO中，因此存在少量的雜質(zhì)溶在溶劑中而被除去。

1.4.3 最小抑菌濃度

最低抑菌濃度(MIC)是指在體外培養(yǎng)細(xì)菌18至24小時后能抑制培養(yǎng)基內(nèi)病原菌生長的最低藥物濃度，是測量抗菌藥物的抗菌活性大小的一個指標(biāo)。配制2560μg/mL的季銨醇抗菌液，取九支試管在第一只試管中加入1.6 mL的肉湯，在其余每只試管中分別加入1mL的肉湯。從配制的抗菌液中吸取0.4 mL加入1.6 mL肉湯的試管中，再從該試管中吸取1 mL加入第二只試管，再從第二只試管中吸取1 mL加入第三只試管，以此類推稀釋至第七支試管，并從第七支試管中的吸取1mL丟棄，在第八只試管中加入1mL肉湯，在第九只試管中加入2mL肉湯。將試管滅菌后，向編號1－8的試管中加入1mL的菌液，因此1－7的試管抗菌液濃度分別為256μg/mL、128μg/mL、64μg/mL、32μg/mL、16μg/mL、8μg/mL、4μg/mL，第八只試管作為對照組，第九支試管作為空白組，將9支試管培養(yǎng)24小時后采用酶標(biāo)儀測試光密度(OD)。菌液采用大腸桿菌和金黃色葡萄球菌?？咕鷦┛咕视?jì)算公式如下:

1.4.4 抗菌劑抗菌率定量測試

將培養(yǎng)好的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在PBS緩沖液中稀釋，使細(xì)菌濃度約為(1～5)×108cfu/mL，再分別吸取0.5 mL的菌液加入6支4.5 mL的PBS緩沖液中，在其中3支試管中加入1mg的抗菌劑，此時抗菌劑濃度為200μg/mL，恒溫震蕩培養(yǎng)24h。分別從每只試管中取0.5 mL的菌液，加入裝有4.5 mL的PBS緩沖液的試管中，震蕩后在從該試管中吸取0.5 mL加入裝有4.5 mL的PBS緩沖液的試管中，以此類推稀釋七次，然后再從每只試管吸取0.5 mL加入15 mL瓊脂培養(yǎng)皿中，每只試管制作3個培養(yǎng)皿，培養(yǎng)24h后，數(shù)出菌落數(shù)。菌落形成單位(cfu/mL)及抗菌率的計(jì)算方法如下:

1.4.5 抗菌纖維素纖維的抗菌性能測試

本文中所采用的的抗菌方法主要依據(jù)GB/T 20944.3－2008并稍作改變。其具體步驟為:依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定方法配制菌液及瓊脂培養(yǎng)基，將培養(yǎng)的細(xì)菌稀釋至3CFU/mL～4×105CFU/mL。將0.75g的改性和未改性的纖維加入至錐形瓶中，并在錐形瓶中加入70mg的PBS緩沖液，然后加入5mL稀釋過后的細(xì)菌培養(yǎng)液，在恒溫振蕩器中培養(yǎng)24h。之后再將錐形瓶中的菌液連續(xù)稀釋7次，每次的稀釋倍數(shù)為10，然后再從每次稀釋的菌液中吸取1mL的菌液加入瓊脂培養(yǎng)皿中，并加入15mL的瓊脂并搖勻，待其凝固后放入生物恒溫箱中培養(yǎng)18h～24h。然后對瓊脂板上的菌落進(jìn)行計(jì)數(shù)，并計(jì)算抗菌性能。

1.4.6 機(jī)械性能測試

采用單纖維強(qiáng)力儀測量纖維的機(jī)械性能，以比較纖維改性后機(jī)械性能的變化。纖維夾持距離為20mm，拉伸速度為20mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)結(jié)構(gòu)

2.1.1 FT－IR測試結(jié)果

十二烷基二甲基叔胺、3－氯－1－丙醇和QAS12－OH的紅外光譜圖如圖3所示。在圖3中可以看到QAS12－OH在3273cm－1有明顯的羥基峰，而十二烷基二甲基叔胺在此處則沒有明顯峰。

圖3 FT－IR譜圖

2.1.21H NMR測試結(jié)果

由圖4可以看到，化學(xué)位移δ＝4.8為D2O的溶劑峰，端羥基中的H原子為活潑氫，在D2O試劑中無法表征出來，其余各H原子的數(shù)量比與1H NMR圖譜中各峰面積比基本一致，證明了QAS12－OH被成功合成。

2.1.3 飛行質(zhì)譜測試結(jié)果

飛行質(zhì)譜的結(jié)果如下頁圖5所示，從飛行質(zhì)譜可以看到該樣品的質(zhì)荷比(m/z)主要為272.2972和273.3002。該季銨醇樣品本身為離子型化合物，該飛行質(zhì)譜測試為陽離子模式，因此Cl－無法在管中飛行，測試不到其質(zhì)荷比。季銨醇除去Cl－后剩余部分為陽離子，無須結(jié)合H＋就可以在管中飛行，因此測得的質(zhì)荷比為季銨醇陽離子部分。35Cl和37Cl的相對原子質(zhì)量分別為34.9689和36.9659，因此陽離子部分的相對分子質(zhì)量加上氯的相對質(zhì)量分別為307.2661、309.2631和308.2691，與季銨醇的理論m/z:307.26(100%)、309.26(32%)和308.27(18.9%)相比可以認(rèn)為是一致的，因此272.2972和273.3002均為陽離子部分相對分子質(zhì)量。該質(zhì)譜結(jié)果證明了QAS12－OH的合成，且經(jīng)重結(jié)晶后其純度很高。

2.1.4 接枝率的表征

2.022 g的萊賽爾纖維經(jīng)改性后質(zhì)量增加0.105g，增重率為5.19%。XPS測試結(jié)果如圖6和表1所示，在圖6中可以看到經(jīng)改性后的纖維素纖維在284.8eV和531.1eV處有較大的吸收峰，該吸收峰屬于C1s和O1s，這是由于纖維素本身含有大量的碳、氧等元素且交聯(lián)劑和抗菌劑中同樣含有碳、氧等元素。此外XPS圖譜中還在195.8eV和401.5eV出現(xiàn)了Cl2p和N1s的吸收峰，401.5eV的吸收峰歸屬于C－N＋，說明了季銨鹽被成功接枝到纖維上[10]。且從表中可以看到氮元素的含量較高，而纖維素纖維氮含量一般不大于0.1%，此外由于該樣品在進(jìn)行XPS測試時經(jīng)過溶解并提純，可以排除交聯(lián)劑和抗菌劑物理吸附的情況，因此該譜圖可以有效的表明交聯(lián)劑將抗菌劑接枝到纖維素纖維上了。

圖6 改性纖維的XPS譜圖

表1 XPS測試結(jié)果

2.2 抗菌劑的抗菌效果

QAS12－OH為季銨鹽，其化合物具有正電荷，可以吸引帶有負(fù)電荷的細(xì)菌，疏水的長鏈刺入細(xì)胞膜后可以改變細(xì)胞膜的通透性，使得細(xì)菌內(nèi)容物流出而死亡，因此該化合物具有很好的抗菌效果。最小抑菌濃度的實(shí)驗(yàn)表明256μg/mL的QAS12－OH對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果分別為99.21%和99.46%。值得注意的是最低抑菌濃度實(shí)驗(yàn)中采用的是OD值來表征細(xì)菌的濃度，當(dāng)細(xì)菌濃度較小時會有部分誤差。因此又采用定量測量的方法評估QAS12－OH的抗菌性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，結(jié)果表明200μg/mL的QAS12－OH對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果分別為99.975%和99.991%，證明了QAS12－OH對大腸桿菌具有良好的抗菌效果。

圖7 QAS12－OH的抗菌性能

2.3 改性對機(jī)械性能的影響

改性前后纖維素纖維的機(jī)械性能如下頁圖8所示，在經(jīng)過改性后纖維素纖維的斷裂強(qiáng)力5.42cN和斷裂強(qiáng)度4.08 cN/dtex下降至4.98 cN和3.74 cN/dtex，在經(jīng)過改性后纖維的強(qiáng)力下降了8.2%，這可能是由于在改性過程中經(jīng)過高溫，水和堿的共同作用導(dǎo)致纖維素纖維結(jié)晶度降低引起的。此外還可以看到纖維在經(jīng)過改性后斷裂伸長率并未發(fā)生明顯的增加，這可能是由于雖然萊賽爾纖維的結(jié)晶度出現(xiàn)了下降，但羥基交聯(lián)劑的作用使得萊賽爾纖維中分子鏈間作用力增加，分子鏈間的滑移變得困難，從而導(dǎo)致斷裂伸長沒有發(fā)生明顯增加。

圖8 纖維的機(jī)械性能

2.4 改性后纖維素纖維的抗菌性能

改變QAS12－OH的投入量分別為20 mg、30 mg、40 mg、50 mg、60mg，得到經(jīng)改性后的纖維素纖維，對不同的改性纖維進(jìn)行抗菌測試后，結(jié)果如圖9及表2所示。這表明經(jīng)過改性后的纖維素纖維有良好的抗菌性能，在投入量為30mg的情況下，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果分別達(dá)到了98.577%和99.368%。

表2 投入量對抗菌效果的影響

圖9 不同投入量改性的纖維素纖維抗菌效果

3 結(jié)論

(1)通過十二烷基二甲基叔胺和3－氯－1－丙醇制備得到的含羥基的季銨鹽，該季銨鹽經(jīng)提純后具有很高的純度，且該季銨鹽具有良好的抗菌效果，最小抑菌濃度測試結(jié)果表明該季銨鹽的最小抑菌濃度為256μg/mL，且當(dāng)QAS12－OH的濃度達(dá)到200μg/mL時，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果分別達(dá)到了98.5770%和99.3683%。

(2)通過羥基交聯(lián)劑三羥甲基丙烷－三[3－(2－甲基氮丙啶基)丙酸酯]將季銨鹽接枝到萊賽爾纖維上，當(dāng)季銨鹽的投料為15mg每克纖維時，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果分別達(dá)到了99.368%和98.577%。