馬君志 張洪賓 李昌壘 王顯其 徐 靜

［1.德州學(xué)院，山東德州，253023；2.青島雪達集團有限公司，山東青島，266231；3.恒天海龍（濰坊）新材料有限責(zé)任公司，山東濰坊，261100］

隨科技發(fā)展和社會進步，綠色生態(tài)以及功能時尚紡織品成為發(fā)展趨勢。粘膠纖維因具有吸濕性、透氣性、抗靜電、易染色，源于天然優(yōu)于天然，適宜于功能化改性加工等優(yōu)點，深受人們喜愛。中草藥是中國傳統(tǒng)中醫(yī)特有藥物，來自天然具有較高的安全性與有效性，除了能用于治病之外，還能在保健、養(yǎng)生方面發(fā)揮作用［1］。而中草藥提取物與纖維素有效結(jié)合的功能性纖維素纖維，實現(xiàn)了對病菌的穿衣防護，迎合了人們多方面的需求［2］。生姜是姜屬植物的塊根莖，作為一種傳統(tǒng)的藥、食兩用植物，含揮發(fā)油、姜辣素、二苯基庚烷3大類成分，其感官特性主要歸功于它的兩類組分：姜的香氣及部分風(fēng)味取決于其揮發(fā)性油分精油，姜的特征性辛辣風(fēng)味主要來自非揮發(fā)性油分姜油樹脂中的姜辣素。姜辣素的成分復(fù)雜，主要為4-姜酚、6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚、12-姜酚、6-姜烯酚等，各組分物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)中均含有3-甲氧基-4-羥基苯基官能團。該官能團具有很強的抗氧化性、天然抑菌性，能夠促進血液循環(huán)，對血管運動中樞有興奮作用［3］。劉鑫等［4］研究表明8-姜酚和10-姜酚對乳腺癌、卵巢癌、肺癌等多種腫瘤細胞的活性均有較好的抑制作用。李萍等［5］采用超聲波技術(shù)提取姜辣素，對其抑菌性進行試驗，結(jié)果表明姜辣素對細菌活性有抑制作用。陳室全等［6］采用質(zhì)量分數(shù)1%姜辣素姜油樹脂作為抗菌發(fā)熱整理劑，在160 ℃對麻、棉、粘膠纖維針織面料進行整理，并交聯(lián)處理，面料洗滌50次后抑菌率大于87%，發(fā)熱升溫值大于4.6 ℃，最高達5.0 ℃。但后整理技術(shù)不可避免對織物服用性能及功能持續(xù)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

本研究采用微膠囊包覆姜辣素，減少姜辣素有效成分的流失，通過紡前共混、濕法紡絲工藝，制備具有抑菌發(fā)熱功能的粘膠纖維。并對其結(jié)構(gòu)和性能進行檢測及分析，以期為功能性粘膠纖維紡織品研發(fā)及推廣提供理論參考。

1 試驗部分

1.1 原料與試劑

β-環(huán)糊精（工業(yè)級），淄博千匯生物科技有限公司；姜辣素油脂（姜辣素≥50%），青島利和萃取股份有限公司；乙醇（分析純），萊陽經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)精細化工廠；羧甲基纖維素鈉（CP，黏度300 mPa·s~800 mPa·s），國藥集團化學(xué)試劑有限公司；粘膠溶液（α-纖維素8.8%），濰坊欣龍生物有限公司。

1.2 姜辣素微膠囊的制備

以姜辣素為芯材，β-環(huán)糊精為壁材制備姜辣素微膠囊。首先，姜辣素油脂與乙醇按1∶2質(zhì)量比混合均勻；將一定量β-環(huán)糊精加入到去離子水中攪拌至溶解，再將溶于乙醇的姜辣素油脂緩慢滴加到β-環(huán)糊精水溶液中，控制姜辣素與β-環(huán)糊精質(zhì)量比1∶7，加入體系質(zhì)量1%的羧甲基纖維素鈉，在均質(zhì)機高速攪拌狀態(tài)下降至室溫。

1.3 姜辣素粘膠纖維的制備

將姜辣素微膠囊分散液加入粘膠紡絲液中（姜辣素用量為α-纖維素1%），機械攪拌混合均勻，經(jīng)脫泡、過濾，混合溶液通過計量泵計量，在一定壓力下自噴絲孔噴出進入凝固浴凝固成型，絲束經(jīng)集束、切斷、水洗、脫硫、水洗、上油、烘干制得抑菌發(fā)熱功能性姜辣素粘膠短纖維。

1.4 結(jié)構(gòu)表征與性能測試

1.4.1 微膠囊粒徑分布測試

取少量微膠囊分散液用去離子水稀釋，采用Bettersize2000M型激光粒度儀 （丹東百特儀器公司）測試粒徑分布，測定范圍為0.02 μm~2 000 μm。

1.4.2 纖維的形貌結(jié)構(gòu)

采用Y172 型哈氏切片器制作纖維切片，用WMS-1033型顯微鏡+攝像儀觀察纖維橫截面形態(tài)。

采用SU8010型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（日本日立公司）對纖維表面進行掃描，觀察其微觀形態(tài)。

1.4.3 纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)測試

以溴化鉀壓片法，利用Nicolet iS50型傅里葉紅外光譜儀（賽默飛世爾科技公司）分別測試纖維樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)，波數(shù)范圍4 000 cm-1~100 cm-1。

1.4.4 纖維的物理機械性能測試

按照GB/T 14337—2022《化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗方法》，采用XQ-1型單絲強力儀（東華大學(xué)）測定纖維的斷裂強度和斷裂伸長率。

1.4.5 織物功能性測試

分別紡制粘膠纖維、姜辣素粘膠纖維兩種紗線，紗線規(guī)格11.8 tex，生產(chǎn)單位面積質(zhì)量為150 g/m2的針織面料，作為待測樣品。

抗菌性能測試。參照標準FZ/T 73023—2006《抗菌針織品》，AAA級標準進行抑菌率測試。

發(fā)熱性能測試。靜態(tài)吸濕發(fā)熱：參照標準FZ/T 73036—2010《吸濕發(fā)熱針織內(nèi)衣》，測試織物吸濕發(fā)熱升溫值。動態(tài)摩擦發(fā)熱：測試條件，溫度（20±2）℃，相對濕度（65±2）%，調(diào)節(jié)時長不小于2 h。取相同尺寸、相同單位面積質(zhì)量的不同待測樣品面料折疊，并在內(nèi)部放置溫度計，測試人員雙手戴好手套后手持面料進行來回摩擦，盡量控制相同力度，觀察溫度計溫度變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 微膠囊粒徑分布

從圖1可以看出，β-環(huán)糊精包覆后的姜辣素微膠囊中位粒徑D50為0.599 μm，90%粒徑在1.293 μm以下，滿足粘膠纖維生產(chǎn)紡絲要求。

圖1 微膠囊粒徑分布圖

取數(shù)滴微膠囊乳液，加蒸餾水稀釋100倍，測試其粒徑及分布，圖2為姜辣素微膠囊在顯微鏡下分散狀態(tài)圖，可以看出，姜辣素微膠囊呈不規(guī)則顆粒分布，粒徑小于2 μm，少量呈現(xiàn)聚集現(xiàn)象，可通過與粘膠溶液混合分散解決存在的軟團聚問題，滿足后續(xù)紡絲的要求。

圖2 微膠囊乳液中粒子分布

2.2 纖維微觀形貌

圖3（a）和圖3（b）分別為粘膠纖維和姜辣素粘膠纖維的橫截面形態(tài)圖。可以看出，粘膠纖維截面具有典型的不規(guī)則鋸齒狀結(jié)構(gòu)，具有皮芯層，姜辣素粘膠纖維橫截面有點狀β-環(huán)糊精包覆顆粒，說明在纖維內(nèi)部可能存在姜辣素。從圖3（c）和圖3（d）纖維表面掃描電鏡圖可清晰看到姜辣素粘膠纖維表層也有少量顆粒附著，且縱向溝槽明顯增多，說明姜辣素可能附著在纖維表面。

圖3 纖維微觀形貌

2.3 纖維紅外光譜圖

由傅里葉紅外光譜儀測得粘膠纖維和姜辣素粘膠纖維的紅外光譜如圖4所示。

圖4 纖維的紅外光譜圖

由圖4可知，粘膠纖維和姜辣素粘膠纖維都屬于再生纖維素纖維，紅外譜圖都具有纖維素的特征紅外吸收峰。在2 920 cm-1~2 870 cm-1處為纖維素中C—H伸縮振動峰，3 460 cm-1~3 430 cm-1處為纖維素—OH的伸縮振動峰，1 370 cm-1~1 360 cm-1處為纖維素C-C骨架振動峰，1 030 cm-1~1 010 cm-1處為C-O-H的彎曲振動峰［7-8］。姜辣素粘膠纖維紅外譜圖局部標識處，在1 450 cm-1附近出現(xiàn)苯環(huán)骨架振動峰，為姜辣素的特征峰（3-甲氧基-4-羥基苯基官能團），表明纖維中存在姜辣素成分［9-10］。

2.4 纖維物理機械性能

表1為纖維物理機械性能測試結(jié)果，可知姜辣素微膠囊的添加導(dǎo)致粘膠纖維的干斷裂強度、濕斷裂強度以及干斷裂伸長率均有所降低，干強變異系數(shù)增大，主要因為微膠囊作為“雜質(zhì)”粒子分散于纖維內(nèi)部，造成纖維的局部應(yīng)力集中，使纖維的物理機械性能降低，同時影響纖維力學(xué)指標的均勻穩(wěn)定性，但姜辣素粘膠纖維的指標仍然達到國家標準GB/T 14463—2022《粘膠短纖維》一等品要求，滿足下游應(yīng)用要求。

表1 纖維物理機械性能指標

2.5 織物抗菌性能

表2為不同粘膠纖維針織物抗菌性能測試結(jié)果。

表2 抑菌性能數(shù)據(jù)

可以看出，姜辣素粘膠纖維對金黃色葡萄菌和大腸桿菌的抑菌率均達到90%以上，而對白色念珠菌的抑菌率達到80%以上，遠高于粘膠纖維的抑菌率，因而具有較好的抗菌性，50次水洗后效果保持良好，達到AAA級標準要求。這是由于改性后粘膠纖維中含有的姜提取物可激活單核細胞的分泌功能，使溶菌酶大量釋放，水解細菌細胞壁中的多肽使其死亡或裂解，起到抗菌作用［11］。

2.6 織物發(fā)熱性能

將干燥后的織物放入恒溫［溫度（20±0.5）℃］恒濕［相對濕度（90±3）%］箱中，通過吸收水氣，將水分子的動能轉(zhuǎn)化為熱能，水分子與纖維素大分子之間形成氫鍵產(chǎn)生熱量，使織物獲得能量升溫。相比于粘膠纖維，姜辣素粘膠纖維表面溝槽數(shù)增多，提高了纖維對水氣的吸附能力；姜辣素粘膠纖維中含有包覆姜辣素的β-環(huán)糊精，含水量大于纖維素，也提升了姜辣素粘膠纖維對水氣的吸附能力。姜辣素粘膠纖維對水氣吸附能力增加，使其織物的吸濕發(fā)熱功能提升。從表3可以看出，姜辣素粘膠纖維織物吸濕發(fā)熱性能顯著高于粘膠纖維織物，姜辣素粘膠纖維織物100次摩擦升溫值為2.1 ℃，主要是纖維中所含姜辣素能擴張血管，促進了血液循環(huán)，使手掌溫度升高，致使面料內(nèi)姜辣素粘膠纖維溫度比常規(guī)粘膠纖維高［12］。相比于粘膠纖維，姜辣素粘膠纖維在摩擦50次和100次后升溫值分別增加了0.8 ℃和1.4 ℃。

表3 發(fā)熱性能數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

（1）通過β-環(huán)糊精包覆姜辣素制得姜辣素微膠囊，采用濕法紡絲紡制姜辣素粘膠纖維。通過微觀形貌表征，所制備的姜辣素粘膠纖維中位粒徑D50為0.599 μm，90%粒徑在1.293 μm以下。電鏡圖顯示所制備的姜辣素粘膠纖維具有與粘膠纖維相近的微觀結(jié)構(gòu)，但縱向溝槽增多；在1 450 cm-1附近姜辣素粘膠纖維出現(xiàn)不同于粘膠纖維的苯環(huán)骨架振動峰；相較于粘膠纖維，姜辣素粘膠纖維的干斷裂強度、濕斷裂強度和斷裂伸長率均略有下降，但仍滿足一等品標準要求。

（2）對比粘膠纖維和姜辣素粘膠纖維織制的針織物，姜辣素粘膠纖維針織物對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和白色念珠菌的抑菌率分別為92.0%、91.0%和82.0%，遠高于粘膠纖維針織物，且達到針織物抗菌AAA級標準。

（3）姜辣素粘膠纖維針織物吸濕發(fā)熱值最高升溫值達11.0 ℃，30 min內(nèi)平均升溫值為5.1 ℃，均高于粘膠纖維針織物；50次、100次摩擦升溫值分別為1.4 ℃和2.1 ℃，比常規(guī)粘膠纖維針織物分別高出0.8 ℃和1.4 ℃，說明姜辣素粘膠纖維具有較好的發(fā)熱功能。由于摩擦升溫測試中測試人員的主觀影響較大，在后續(xù)研究中還需探索更為科學(xué)客觀的評價方法。