銅離子改性聚丙烯腈纖維的制備及性能研究

趙永旗,李 政,孫國通

(1.維珍妮國際(控股)有限公司,廣東 深圳518132;2.杭州昕鴻布藝有限公司,浙江 杭州311100)

隨著生活水平的提高和工業的迅速發展,人們自我保健和環境衛生的意識日益增強,對具有各種特殊性能的紡織產品的需求也不斷增加。在日常生活中,人們不可避免地接觸到各種細菌、真菌等微生物,這些微生物在合適的條件下就會迅速繁殖傳播而引發疾病,抗菌功能紡織品的研究和開發顯得尤為重要,抗菌除臭防霉等功能性紡織品具有巨大的市場潛力[1]。現有抗菌紡織品及其基礎研究方面缺乏對安全高效抗菌纖維生產技術及具有協同抗菌性能纖維的研究,銅離子改性聚丙烯腈纖維是一種具有高效抗菌和高吸濕性的纖維,是一種利用協同抗菌來達到高效抗菌的新型纖維,它具有合成纖維良好的加工性能,還具有天然纖維的親膚性和吸濕性能。

1 銅離子改性聚丙烯腈纖維的制備

相比天然纖維抗菌的不穩定性和銀離子抗菌的安全、環境污染問題,含銅纖維抗菌,尤其是聚合銅纖維抗菌是一個突破口。為了制備具有安全、高效、協同抗菌性能的新型抗菌纖維,選擇了具有高吸濕性能的聚丙烯腈纖維,從銅離子抗菌出發,開發出了一種富含銅離子且具有高吸濕性能的改性聚丙烯腈纖維,利用細菌在有水條件下繁殖的特征,將銅離子抗菌效果達到最佳。

1.1 制備原理

銅離子改性聚丙烯腈纖維的制備原理就是在原漿聚合階段,采用氧化還原引發、原位聚合和直接紡絲體系,在腈綸大分子側鏈上引入有機銅鏈和高親水基團,形成銅離子抗菌改性聚丙烯腈纖維[2]。纖維的分子式如圖1所示。

圖1 銅離子抗菌改性聚丙烯腈纖維分子式

1.2 制備方法

1.2.1 原料配備

銅離子抗菌改性聚丙烯腈纖維主要是將原料按照設計組分和專用設備進行直接反應,該纖維的主要生產原料按照以下組分及重量百分比配備：

丙烯腈45%～95%;8-羥基喹啉銅3%～50%;丙烯酰胺1%～15%;丙烯酸1%～15%。

為了促進原料在制備體系中充分、快速地反應,需要在原料中加入氧化劑和還原劑,氧化劑的添加量為丙烯腈、8-羥基喹啉銅、丙烯酰胺和丙烯酸四組分總干固量的0.5%～1.5%;還原劑的添加量為氧化劑的1～10倍。在氧化劑和還原劑的優選過程中,氧化劑優選過硫酸胺,還原劑優選亞硫酸鈉。

1.2.2 制備過程

將丙烯腈、8-羥基喹啉銅、丙烯酰胺及丙烯酸放入高濃度的氯化鋅鹽溶劑(濃度為45%～60%,并用鹽酸調節p H＜2)中攪拌均勻,升溫至40℃,用氧化還原引發體系進行接枝共聚反應1 h,靜止30 h,脫泡12 h后濕法紡絲,然后將紡絲液置于低濃度的氯化鋅鹽溶劑(濃度為10%～15%)中,在0～5℃條件下凝固,然后在100℃的熱水下牽伸,再經過90℃中性熱水進行水洗,最后干燥、定型后切斷打包得到纖維產品。

2 銅離子改性聚丙烯腈纖維的性能研究

2.1 基本物理性能

為了進一步驗證所生產纖維的性能,對抗菌銅離子改性聚丙烯腈纖維的基本物理性能進行了測試分析,測試結果如表1所示。

表1 銅離子抗菌改性聚丙烯腈纖維的基本物理性能

由表1可以看出,銅離子抗菌改性聚丙烯腈纖維具有較高的銅離子含量和較高的回潮率,較高的銅離子含量保證了銅離子抗菌改性聚丙烯腈纖維的抑菌性較好;較高的回潮率則促進了纖維的抗菌效率,這是因為細菌是在有水的環境下繁殖的,高回潮率更加有利于細菌與抗菌纖維的接觸,從而與銅離子抗菌起到協同作用。

2.2 抗菌性能

2.2.1 檢測菌種的選擇

細菌的種類繁多,對抗菌產品進行所有菌類的抑制或殺滅代價大且不太現實,一般選擇幾個具有代表性菌種的抑制作用來評判其抗菌效果。金黃葡萄球菌是革蘭陽性細菌中抵抗力最強的致病菌,因此作為革蘭陽性菌的代表;大腸桿菌分布相當廣泛,已作為革蘭陰性菌的代表性菌種用于各種試驗;白念珠菌具有酷似細菌的菌落,易于計數觀察,常作為真菌的代表[3]。

2.2.2 抗菌性能檢測

研究銅離子抗菌改性聚丙烯腈纖維的抗菌性能,為開發抗菌織物做準備。分別采用金黃色葡萄球菌、白色念珠菌和大腸桿菌來進行試驗分析,抗菌性能根據GB/T 20944.3－2008《紡織品抗菌性能的評價第3部分：振蕩法》以及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》進行測試和評價。銅離子抗菌改性聚丙烯腈纖維抗菌性能測試數據如表2、表3所示。

表2 銅離子改性聚丙烯腈纖維抑菌性檢測數據

由表2可以看出,依據GB/T 20944.3－2008《紡織品抗菌性能的評價第3部分：振蕩法》進行檢測后的結果顯示,采用銅離子改性聚丙烯腈纖維對金黃色葡萄糖球菌和大腸桿菌的抗菌率均在99%以上,均高于標準中規定的不小于70%的要求;對白色念珠菌的抗菌率在97%以上,高于標準中規定的不小于60%的要求。

表3 銅離子改性聚丙烯腈纖維抗菌性檢測數據

由表3可以看出,采用GB/T 20944.1－2007的測試結果顯示,在有銅離子抗菌改性聚丙烯腈纖維的情況下,對金黃色葡萄糖球菌的抑菌效果優良,抑菌帶的寬度為0 mm。

3 結論

介紹了銅離子改性聚丙烯腈纖維的制備原理和制備方法,并對其基本性能和抗菌性能進行了研究,得出結論：

(1)銅離子改性聚丙烯腈纖維運用氧化還原反應引發,在腈綸大分子側鏈上,分別嫁接了有機銅鏈和高親水基團,使得經濕法紡絲而成的改性纖維不僅銅離子含量可以達到4%左右,而且纖維的標準回潮率可以達到10%左右。

(2)采用GB/T 20944.3－2008標準的測試結果顯示,銅離子抗菌改性聚丙烯腈纖維對3種菌群的抑菌率均為95%以上。

(3)采用GB/T 20944.1－2007的測試結果顯示,在有銅離子抗菌改性聚丙烯腈纖維的情況下,對金黃色葡萄糖球菌的抑菌效果優良,抑菌帶的寬度為0 mm。

(4)鑒于市場需求及銅離子抗菌纖維優異的物理性能和抗菌性能,可以充分利用其特性開發抗菌系列織物,如涼感抗菌類、多風格抗菌類系列抗菌產品,形成多位一體的抗菌產品體系。