章瑞 李院院 周攀飛 張順花

摘 要：將納米ZnO分散在乙二醇（EG）溶液中制成ZnO-EG分散液，然后采用原位聚合法將單體精對苯二甲酸（PTA）、EG和ZnO-EG分散液進行酯化縮聚得到抗菌改性聚酯。分析抗菌改性聚酯的聚合工藝過程，采用激光粒度分析儀對ZnO-EG分散液的粒徑分布進行表征；通過偏光顯微鏡和DSC對抗菌改性聚酯的切片形貌和熔點進行分析，并對抗菌改性聚酯的色值、特性黏度、端羧基含量、二甘醇含量以及抗菌性能進行測定。結(jié)果表明：濕法研磨制得的納米氧化鋅分散液粒徑明顯小于磁力攪拌所制得，且隨著濕法研磨時間的增加，分散液粒徑呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；當(dāng)抗菌聚酯的ZnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，特性黏度為0.687 dL/g時，納米ZnO抗菌劑在聚酯中沒有發(fā)生明顯團聚而形成凝集粒子，且均勻分散在聚酯切片中；納米ZnO抗菌劑的加入使抗菌聚酯的色值偏向光亮黃綠色，抗菌聚酯對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌率分別為92%、99%和78%，具有較好的抗菌性能。

關(guān)鍵詞：納米氧化鋅；聚對苯二甲酸乙二醇酯；原位聚合；聚酯品質(zhì)；抗菌性能

中圖分類號：TB34

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2023）03-0113-08

基金項目：浙江省科技計劃項目（2022C01116）

作者簡介：章瑞（1997—），男，湖北十堰人，碩士研究生，主要從事新纖維材料及功能性纖維材料方面的研究。

通信作者：張順花，E-mail：zshhzj@zstu.edu.cn

2021年是“十四五”規(guī)劃開局之年，中國的化學(xué)纖維產(chǎn)業(yè)正在向高端化、多功能、舒適健康、綠色環(huán)保的方向發(fā)展［1-2］，人們對紡織品的功能性的要求越來越多［3-5］，而聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）具有良好的可紡性和力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于家用紡織、醫(yī)用紡織、產(chǎn)業(yè)用紡織等領(lǐng)域［6-8］，因此賦予聚酯抗菌功能也愈發(fā)得到重視。

為提高PET材料的抗菌性能，目前常見的抗菌改性方法主要有熔融共混改性、復(fù)合紡絲改性、接枝改性、后整理改性和原位聚合改性。劉偉時［9］通過在PET切片中加入納米銀系抗菌劑制備抗菌母粒，通過熔融紡絲制備抗菌防臭聚酯纖維，當(dāng)抗菌母粒的添加量為5%時，聚酯纖維的抗菌效果較好。趙妍等［10］采用Ag-ZnO作為抗菌劑通過復(fù)合紡絲的方法制備了具有皮芯結(jié)構(gòu)的抗菌纖維，抗菌測試結(jié)果表明其對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的殺菌率均在99%以上。張棋等［11］通過化學(xué)反應(yīng)將抗菌劑聚六亞甲基鹽酸胍（PHMG）鍵合到聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）基體上制得PET抗菌母粒，然后熔融紡絲制得抗菌纖維?？咕Y(jié)果顯示樣品對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌的殺菌率均在99%以上。Mirjalili等［12］通過將聚酯纖維織物放入裝有醋酸鋅和氫氧化鈉的超聲波浴中對PET超聲處理，制備出的氧化鋅納米顆粒附著于纖維織物表面，并用甲基藍(lán)染色法研究了整理后織物太陽照射下的自潔性能，聲波處理后PET的光催化活性和抗菌活性明顯提高?？傮w來看，熔融共混改性優(yōu)點是抗菌劑可靈活添加，但在制備過程中要考慮抗菌劑的分散性、相容性以及熱穩(wěn)定性；復(fù)合紡絲法其優(yōu)點是抗菌劑的用量少，對纖維的力學(xué)性能影響小，但存在噴絲板加工難度大、生產(chǎn)成本高的缺點；采用接枝改性法的優(yōu)點是制備出來的抗菌改性聚酯性能穩(wěn)定、抗菌成分不析出、耐久性好，但存在抗菌基團種類少、制備過程復(fù)雜、反應(yīng)條件嚴(yán)格，不利于工業(yè)化生產(chǎn)；而采用后處理法制備抗菌聚酯纖維，其優(yōu)點是操作技術(shù)簡單、易實施，但往往會出現(xiàn)抗菌耐久性、耐水洗牢度較差以及環(huán)境污染等問題。

為了更便捷、有效一步制得抗菌劑分散效果較好的抗菌改性聚酯，本課題組選用納米氧化鋅作為抗菌劑，先將其分散在部分乙二醇（EG）溶液中，制得ZnO-EG分散液，并對分散液的粒徑進行分析。然后采用原位聚合法制備出抗菌改性聚酯切片，對其聚合工藝過程和切片形貌進行分析，并研究ZnO對抗菌改性聚酯的聚酯品質(zhì)以及抗菌性能的影響，為抗菌改性聚酯的合成工藝優(yōu)化提供新的思路。

1 實 驗

1.1 實驗試劑與儀器

主要原料和試劑：精對苯二甲酸（PTA，逸盛大化石化有限公司），乙二醇（EG，中國石油化工集團有限公司），納米氧化鋅（ZnO，上海超威納米科技有限公司），均為工業(yè)級；磷酸三甲酯（C3H9O4P，食品級，江蘇澄星磷化工股份有限公司），乙二醇銻（Sb2（OCH2CH2O）3，遼陽市合成催化劑廠）；苯酚（C6H6O）、三氯甲烷（CHCl3）、氫氧化鉀（KOH）、乙醇（C2H5OH），均為分析級（AR 99.9%），均購自上海麥克林生化科技股份有限公司。

主要儀器：2.5 L聚合釜（揚州普立特科技發(fā)展有限公司）；TBM-0.3型砂磨機（蘇州微格納米科技有限公司）；IKA-HS7型磁力攪拌器（德國艾卡儀器設(shè)備有限公司）；JA6-1002型電子天平（上海寰熙醫(yī)療器械有限公司）；DZG-6020型正空干燥箱（上海森信實驗儀器有限公司）。

1.2 氧化鋅抗菌改性聚酯的制備

1.2.1 ZnO-EG分散液的制備

用電子天平稱取質(zhì)量比為9∶1∶0.5的EG、ZnO和聚乙烯類分散劑于燒杯中，磁力攪拌至液面上方無粉體，形成懸乳液粗分散體系。然后將懸乳液倒入TBM-0.3型砂磨機中，研磨介質(zhì)為純氧化鋯珠，珠徑：0.3～0.6 mm，控制研磨速率為1600 r/min，在冷卻水18℃條件下研磨20 min，制得ZnO-EG分散液。

1.2.2 抗菌改性聚酯的制備

實驗采用原位聚合法制備氧化鋅抗菌改性聚酯，分為酯化和縮聚兩個階段。表1和圖1分別為聚酯合成所需要物料的量以及氧化鋅抗菌改性聚酯的工藝流程。

酯化階段：稱取物質(zhì)的量比為1∶1.4的PTA和EG于反應(yīng)釜中（其中PTA為5 mol），加入適量穩(wěn)定劑磷酸三甲酯和催化劑乙二醇銻，然后加入ZnO-EG分散液打漿15 min，向反應(yīng)釜內(nèi)通入氮氣排除釜內(nèi)空氣，控制釜內(nèi)溫度為230～245℃，壓力為0.3 MPa，待出水量達(dá)到理論值的95%時，表明酯化反應(yīng)結(jié)束。

縮聚階段：在常壓條件下攪拌15 min，然后抽真空至-100 Pa，升溫至270℃，經(jīng)過0.5 h的預(yù)縮聚反應(yīng)后，控制反應(yīng)溫度在270～280℃，真空度40 Pa；待終聚反應(yīng)結(jié)束后，可得到ZnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的抗菌改性聚酯。ZnO含量的計算公式為：

式中：ωZnO為抗菌改性聚酯中ZnO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；mZnO為ZnO的質(zhì)量，g；MPET單元為PET結(jié)構(gòu)單元的摩爾質(zhì)量，g/mol；nPTA為PTA單體的物質(zhì)的量，mol。

1.3 測試及表征

1.3.1 納米氧化鋅分散液的粒徑分布測定

采用馬爾文帕納科公司的MASTERSIZER3000型激光粒度分析儀，顆粒名稱ZnO，顆粒折射率2.015，顆粒吸收率0.010，散射模型Mie，分析模型通用，對納米氧化鋅分散液的粒徑分布進行測定。

1.3.2 聚酯切片的形貌表征

采用Leica DMLP型偏光顯微鏡對聚酯切片的形貌進行表征，目鏡10倍，物鏡放大倍數(shù)分別為10倍和50倍。

1.3.3 熔融行為分析

采用DSC 4000型差示掃描量熱儀，稱取5 mg左右樣品于陶瓷干鍋中，在流速40 mL/min的N2氛圍保護下，以10℃/min的速度從20℃升溫至280℃，保溫5 min，循環(huán)2次。

1.3.4 色值測試

采用美國Hunter Lab公司色差儀（color Flex EZ）進行測試，將聚酯切片緊密堆砌在杯中，共測4次，每次測試轉(zhuǎn)動90°，測量結(jié)果取平均值。

1.3.5 特性黏度測試

根據(jù)GB/T 14190—2017《纖維級聚酯（PET）切片試驗方法》，將試樣溶解在質(zhì)量比為1∶1的苯酚/四氯乙烷溶液中，采用上海魯玟科學(xué)儀器有限公司的自動黏度儀（DVS-4）進行測試。

1.3.6 端羧基含量測試

根據(jù)GB/T 14190—2017《纖維級聚酯（PET）切片試驗方法》，將試樣溶解在質(zhì)量比為2∶3的苯酚/三氯甲烷溶液中回流溶解，采用瑞士萬通中國有限公司的半自動滴定儀（876 Dosimat plus）進行滴定測試，根據(jù)消耗標(biāo)準(zhǔn)滴定液的體積來計算端羧基含量。

1.3.7 二甘醇含量測試

根據(jù)GB/T 14190—2017《纖維級聚酯（PET）切片試驗方法》中5.2規(guī)定的方法A（甲醇酯降解法）測定二甘醇含量。

1.3.8 抗菌性能測試

委托廣東省微生物分析檢測中心，按照GB/T 20944.1—2007《紡織品 抗菌性能的評價 第1部分：瓊脂平皿擴散法》對抗菌改性聚酯的抗菌性能進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗菌改性聚酯的聚合過程分析

實驗通過原位聚合法制備抗菌改性聚酯。反應(yīng)分為兩個階段，第一階段由單體PTA、EG和ZnO-EG分散液進行酯化反應(yīng)；第二階段讓酯化液在真空條件下進行縮聚聚合得到抗菌改性聚酯。圖2是抗菌改性聚酯聚合過程中各項指標(biāo)隨反應(yīng)時間的變化曲線。由圖2可知，在體系反應(yīng)前90 min是實驗前準(zhǔn)備工作以及加料升溫過程。體系在90 min后，釜溫隨著油溫的升高而升高，釜內(nèi)壓力也急劇增大，此過程表明釜內(nèi)開始進行酯化反應(yīng)，生成了水和對苯二甲酸乙二醇酯（BHET）。隨著釜溫的升高水和EG汽化導(dǎo)致壓力增大，為了避免釜內(nèi)壓力過大，適當(dāng)排氣卸壓以保持壓力穩(wěn)定，熱空氣的排出導(dǎo)致釜內(nèi)溫度下降、柱頂溫度迅速上升，當(dāng)柱頂溫度達(dá)到120℃ 時開始出水，此時調(diào)節(jié)柱頂旋閥控制出水速度，保持釜內(nèi)壓力緩慢下降。由于酯化反應(yīng)吸熱，隨著反應(yīng)的進行釜溫會遠(yuǎn)低于油溫，當(dāng)酯化反應(yīng)放緩接近尾聲，釜溫又慢慢接近油溫。當(dāng)反應(yīng)進行到240 min時，釜內(nèi)壓力為0 Pa，柱頂溫度降至93.6℃，出水停止，此時表明酯化反應(yīng)結(jié)束。

酯化反應(yīng)結(jié)束后，保持釜內(nèi)與大氣相通常壓攪拌15 min。當(dāng)反應(yīng)進行到260 min時，釜內(nèi)壓力開始逐漸下降，釜溫迅速上升，此過程表明體系進入預(yù)縮聚階段。當(dāng)反應(yīng)進行到320 min時，壓力逐漸降至-100 Pa后保持穩(wěn)定，釜溫和油溫升高至280℃ 后維持上下波動，此過程是高真空縮聚階段。由于反應(yīng)放熱，為避免聚合溫度過高影響聚酯的品質(zhì)，將釜溫報警溫度設(shè)至279℃，當(dāng)釜溫超過279℃ 時，油溫加熱自動停止。當(dāng)反應(yīng)進行到400 min時，攪拌功率迅速上升，從61.7 W突增至75.1 W，表明反應(yīng)釜內(nèi)體系黏度急劇增大。為避免反應(yīng)過于劇烈導(dǎo)致局部黏度過大，將攪拌速率降至原先一半，從而使攪拌功率下降至59.3 W。當(dāng)反應(yīng)進行到450 min時，攪拌功率從59.3 W又升高至63.5 W，反應(yīng)體系黏度進一步增大，此時停止反應(yīng)準(zhǔn)備出料。

2.2 納米氧化鋅分散液的粒徑分析

表2是不同制備方法和不同時間下納米氧化鋅分散液的粒徑分布數(shù)據(jù)，其中：D90為試樣累計粒度分布數(shù)達(dá)到90%時所對應(yīng)的粒徑，D50為試樣的中值粒徑。由表2可知，在分別磁力攪拌和濕法研磨20 min后，納米氧化鋅分散液的D90分別為119.435、0.481 μm，經(jīng)過濕法研磨后的納米氧化鋅分散液的粒徑明顯變小。納米氧化鋅分散液在濕法研磨10 min和20 min條件下，其D90分別為13.168、0.481 μm；隨著研磨時間的增加，納米氧化鋅分散液的粒徑逐漸變小。當(dāng)納米氧化鋅分散液在濕法研磨30 min后，其D90為1.293 μm；納米氧化鋅分散液的粒徑隨著研磨時間的繼續(xù)增加又逐漸變大。

圖3是不同濕法研磨時間下的納米氧化鋅分散液的粒徑分布曲線。由圖3可知，在濕法研磨10 min后，分散液的粒徑主要分布在1～5 μm和10～35 μm區(qū)間范圍內(nèi)，當(dāng)濕法研磨至20 min后，分散液的粒徑主要分布在0～1 μm區(qū)間范圍內(nèi)，隨著研磨時間繼續(xù)增加至30 min后，分散液的粒徑又在1～5 μm的區(qū)間有分布。其原因可能是團聚的納米氧化鋅隨著研磨時間的增加先逐漸分散成小團聚體，然后被分散助劑包覆成膜致使分散液的粒徑變??；隨著研磨時間的繼續(xù)增加，納米氧化鋅表面的包覆層遭到破壞從而又繼續(xù)團聚，因此分散液的粒徑又逐漸增大。

2.3 聚酯的形貌分析

為進一步研究納米ZnO抗菌劑是否在聚酯中形成凝集粒子以及納米ZnO在聚酯中的分散效果，對聚酯切片的微觀形貌進行分析。圖4（a）—（b）是普通聚酯和抗菌聚酯切片在放大100倍時的截面形貌，可以看到，納米ZnO抗菌劑在聚酯中沒有發(fā)生明顯團聚而形成凝集粒子；圖4 （c）是抗菌聚酯切片在偏光顯微鏡下放大500倍時的POM圖像，由圖4 （c）可以看出，切片截面均勻分散著大小不一的白色斑點，而這些斑點就是ZnO抗菌劑微粒，這表明納米ZnO抗菌劑均勻分散在聚酯切片中。

2.4 聚酯的品質(zhì)分析

聚酯的品質(zhì)直接影響到其后期的紡絲成型，而色值度、熔點、特性黏度、端羧基含量以及二甘醇含量都是衡量聚酯品質(zhì)的重要指標(biāo)。

聚酯切片的色值評判標(biāo)準(zhǔn)用L、a、b表示。其中L值越大，表明切片亮度越高，反之越灰暗；a值負(fù)值越大，表明切片越偏綠，反之越偏紅；b值越大，表明切片越偏黃，反之越偏藍(lán)。圖5和表3分別為聚酯切片外觀和聚酯品質(zhì)指標(biāo)參數(shù)，由圖５可知，抗菌聚酯切片相對于普通聚酯切片，其色值更偏光亮黃綠色一些。

由表3可知普通聚酯和抗菌聚酯的熔點分別為243.16、250.52℃，抗菌聚酯相對于普通聚酯升高了7.36℃；ZnO抗菌劑的加入使聚酯的熔點向高溫方向移動。

特性黏度是聚酯紡絲工藝過程中的一個重要參數(shù)。黏度過低，影響紡絲后纖維的機械性能；黏度過高，設(shè)備能耗高、加工成型困難。通常特性黏度在0.65～0.71 dL/g時，聚酯切片具有較好的可紡性。從表3可知，ZnO抗菌劑的加入，使改性聚酯依舊具有較好的可紡性。

端羧基含量的高低在一定程度上反映了聚合反應(yīng)的程度以及酯化率的大小，在同一聚合條件下，端羧基含量越低，表明反應(yīng)越完全。從表3可知，與普通聚酯相比，抗菌聚酯的端羧基含量上升了4.58 mol/t，表明ZnO抗菌劑的加入在某種程度上起到了阻聚的作用。

二甘醇含量是聚酯生產(chǎn)過程的一個重要質(zhì)量指標(biāo)，其是聚酯合成過程中的副反應(yīng)，二甘醇進入PET分子鏈中形成醚鍵，醚鍵進入PET大分子鏈段中，在一定程度上破壞了PET大分子鏈的規(guī)整性，增加了分子鏈的柔順性，從而使PET的熔點下降，熱性能下降［13］。從表3可知，與普通聚酯相比，抗菌聚酯的二甘醇含量下降了1.8%，表明ZnO抗菌劑的加入使得醚化副反應(yīng)程度降低，抗菌聚酯的熔點升高，熱穩(wěn)定性能得到提升。

2.5 試樣的抗菌性能分析

為探究抗菌聚酯的抗菌性能，本實驗委托廣東省微生物分析檢測中心，按照國標(biāo)GB/T 20944.1—2007《紡織品抗菌性能的評價》采用振蕩法對抗菌聚酯的抗菌性能進行測試，測試結(jié)果如表4所示。從表4可知，抗菌聚酯對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌率分別為92%、99%和78%，由GB/T 20944.3—2008《紡織品 抗菌性能的評價 第3部分：振蕩法》可知，當(dāng)試樣對大腸桿菌及金黃色葡萄球菌的抑菌率大于70%，或?qū)Π咨钪榫囊志蚀笥?0%時，可以評價樣品具有抗菌效果?？梢奪nO抗菌劑的加入，使改性聚酯具有較好的抗菌性能。

2.6 試樣的抗菌機理分析

圖6是ZnO抗菌劑的抗菌機理，抗菌聚酯中納米ZnO抗菌劑的抑菌機理主要有兩種方式，一種是Zn2+溶出機制，另一種是自由基機制。在Zn2+溶出機制中，抗菌聚酯中游離出帶正電荷的Zn2+與帶負(fù)電荷的細(xì)菌表面接觸，進而穿透細(xì)胞壁與細(xì)胞膜及細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，破壞細(xì)胞活性、導(dǎo)致細(xì)菌死亡。細(xì)菌死亡后，Zn2+又與鄰近的細(xì)菌再次結(jié)合重復(fù)以上過程，以達(dá)到持久抗菌的目的［14］。在自由基機制中，抗菌聚酯中的ZnO在一定的自然光照射條件下，氧化物價帶上的電子（e-）受激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶產(chǎn)生空穴（h+），空穴（h+）會促進羥自由基的產(chǎn)生。自由電子和H+與細(xì)菌表面氧氣、水等結(jié)合產(chǎn)生OH-、O-2等自由基進而發(fā)揮殺菌毒性［15］。其中具有極強氧化活性的OH-能夠分解微生物中的各種成分以達(dá)到抗菌效果，而具有較強還原性的O-2也能起到抗菌作用。

3 結(jié) 論

本文選用納米氧化鋅作為抗菌劑，先將其分散在部分乙二醇（EG）溶液中，制得ZnO-EG分散液，并對分散液的粒徑進行分析。然后采用原位聚合法制備出抗菌改性聚酯切片，并對抗菌聚酯和普通聚酯進行測試與分析，所得主要結(jié)論如下：

a）通過對納米氧化鋅分散液粒徑進行分析得出，濕法研磨制得的納米氧化鋅分散液粒徑明顯小于磁力攪拌所制得，且隨著濕法研磨時間的增加，分散液粒徑呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

b）通過對抗菌聚酯切片的微觀形貌進行分析表征得出，納米ZnO抗菌劑在聚酯中沒有發(fā)生明顯團聚而形成凝集粒子，且均勻分散在聚酯切片中。

c）納米ZnO抗菌劑的加入使抗菌聚酯的色值偏向光亮黃綠色，熔點向高溫方向移動，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌率分別為92%、99%和78%，具有較好的抗菌性能。

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Abstract： With the development of economy and the improvement of living standards， people have more and more requirements on the functionality of textiles， and the concept of health and safety has become a common understanding. Polyethylene terephthalate （PET） has good spunability and mechanical properties， and is widely used in household textile， medical textile， industrial textile and other fields. Therefore， more and polyester has been paid to the antibacterial function of polyester.

For the more convenient and effective one-step preparation of antibacterial modified polyester with better dispersion effect of antibacterial agent， nano-zno was selected as the antibacterial agent in this paper， and nano-zno was dispersed in ethylene glycol （EG） solution to make ZnO-EG dispersion solution. Then the monomer purified terephthalic acid （PTA）， EG and ZnO-EG dispersion were esterified and condensed by in situ polymerization to obtain antimicrobial modified polyester. The polymerization process of antibacterial modified polyester was analyzed， and the particle size distribution of ZnO-EG dispersion was characterized by laser particle size analyzer. The slice morphology and melting point of the antibacterial modified polyester were analyzed by polarizing microscope and DSC， and the color value， characteristic viscosity， carboxyl terminal content， diethylene glycol content and antibacterial properties of the antibacterial modified polyester were determined. The results show that the particle size of the nano-zno dispersion prepared by wet grinding is obviously smaller than that prepared by magnetic stirring， and with the increase of the wet grinding time， the particle size of the dispersion decreases first and then increases. When the ZnO mass fraction of the antibacterial polyester is 0.5% and the intrinsic viscosity is 0.687 dL/g， the nano-zno antibacterial agents do not agglomerate in the polyester and form agglomerative particles， which are uniformly dispersed in the polyester slices. With the addition of nano-zno antibacterial agents， the color value of the antibacterial polyester tends to bright yellow-green， and the melting point moves to high temperature. The antibacterial polyester has obvious antibacterial effect on Escherichia coli， Staphylococcus aureus and Candida albicans， with the inhibition rates being 92%， 99% and 78%， respectively.

In this paper， antibacterial modified polyester is prepared by in-situ polymerization， and the particle size distribution of ZnO-EG dispersion and the polymerization process of antibacterial modified polyester are studied， which provides a new idea for the optimization of synthesis process of antibacterial modified polyester. The quality of the antibacterial modified polyester is analyzed， which provides some reference for the future application in the field of plastic fibers.

Keywords： nano zinc oxide; PET; in-situ polymerization; polyester quality; mold resistance