黄忠辉+刘鸿+李小兰+陆漓+梁俊+王萍娟+唐晓林+李典

摘要：利用多巴胺原位聚合对电子烟用无纺布进行改性应用研究，探究经改性后的无纺布烟油吸附性能、力学性能及抗菌性能变化情况。结果表明，①经聚多巴胺改性后的电子烟用无纺布烟油吸附量比未经改善的无纺布材料烟油吸附量提升约50%，且经浓度为2 mg/mL多巴胺改性后的无纺布吸附性能最佳；②聚多巴胺改性后的无纺布最大拉力下降58.86%，断裂伸长率下降65.89%，对无纺布的力学性能有较大影响；③改性后的无纺布具有抗菌性能，针对大肠杆菌的抗菌率可达76.8%，针对金黄色链球菌抗菌率可达78.3%。

关键词：多巴胺；无纺布；吸附性能；力学性能；抗菌性能

中图分类号：TS174 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）06-1137-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.06.037

Abstract：After the Nonwoven cloth of electronic cigarette is modified with poly-dopamine by in-situ polymerization，its characters have been changed，including the Absorption capability，mechanical and antibacterial properties. The results indicated that：①The oil absorption of the nonwoven cloth was increased 50% more than before poly-dopamine modification，which reaches the best effect when the concentration of dopamine（a.q） is 2 mg/mL；②The max-tension of nonwoven cloth reduces 58.86% and the max-elongation at break reduces 65.89% after modification， which demonstrates the modification could influence the mechanical properties of nonwoven cloth.③The nonwoven cloth possesses antibacterial property after modification，the inhibition rate of E. coli can reach at 76.8%，the inhibition rate of Golden streptococcus can reach at 78.3%.

Key words：dopamine； nonwoven cloth； absorption capability； mechanical property； antibacterial property

电子烟由烟弹、雾化器和锂电池等部件构成。部分电子烟的雾化器中利用无纺布作为储油材料，导油绳将无纺布中的烟油引入雾化器的电阻加热丝上，气动开关式电子烟的气流传感器检测到用户抽吸时，触发信号送至控制电路并导通电路，电池驱动加热丝加热雾化烟油产生煙气，电子烟因不释放焦油而越来越受关注。无纺布的性能决定了其烟油储存性能，对无纺布的结构改性可能会对其烟油储存量有一定的影响，但是国内关于电子烟无纺布改性研究的报道很少[1-3]。

多巴胺是一种神经传导物质，化学名称为4-（2-氨基乙基）-1，2-苯二酚，多巴胺在水介质中，能被氧化而发生自聚，形成聚多巴胺[4-6]。聚多巴胺有较强的黏附性能，能附着于多种材料的表面形成聚多巴胺层。由于聚合之后的聚多巴胺剩下大量的酚羟基和氨基作为其侧基，在包覆材料之后，能赋予材料较好的表面亲水性和生物相容性能，并有报道表明聚多巴胺有一定的抗菌效果，还能使材料增强细菌抑制效果[7，8]。大量的酚羟基和氨基能使材料增强对强氢键物质的吸附能力，提高材料的吸附性能[9，10]。

本研究以多巴胺对电子烟用无纺布进行改性，以考察其在烟油吸附性能、力学性能、抗菌性能等方面的影响，探究提高电子烟用无纺布性能的途径。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 材料 间甲苯二异氰酸酯（98%），甲苯（AR），国药集团化学试剂有限公司；盐酸多巴胺（98%），三（羟甲基）氨基甲烷（99%），阿拉丁；电子烟用无纺布，五子登科烟油，广西中烟工业有限责任公司。

1.1.2 仪器 SEM，型号VEGA TS 5136MM，捷克TESCAN公司；电子万能试验机，型号CMT4104，深圳市新三思材料检测有限公司；TGA，型号TGA1，瑞士Mettler Toledo公司；振荡器，型号ZW-A型，中国金坛实验仪器公司；数码单反相机，型号5DSR，佳能公司。

1.2 方法

1.2.1 样品制备 取100 g 4-（2-氨基乙基）-1，2-苯二酚，溶于去离子水中，配置成1 g/mL的多巴胺水溶液，先用三羟甲基氨基甲烷将溶液的pH调节至8.5，然后再用去离子水将溶液稀释成1、2、5 mg/mL各100 mL备用。取配置好的多巴胺溶液（1、2、5 mg/mL）50 mL，将0.2 g的无纺布加入其中，充分搅拌，使无纺布完全被溶液浸润，并在溶液中通入空气，室温下氧化自聚反应24 h。反应结束后，将所得的无纺布用去离子水洗涤3次，真空烘干得到不同浓度聚多巴胺改性无纺布样品。

1.2.2 烟油饱和单位吸附量测试 称取一定量改性无纺布，初始质量记为m0，置于烟油中，浸泡30 min后将无纺布放置在脱脂棉表面，脱脂棉固定于振荡器上。振荡频率为1 500 r/min，振荡时间为10 min。以振荡结束后无纺布重量为饱和吸附量，记为m1，无纺布烟油饱和单位吸附量计算为：饱和单位吸附量=（m1-m0）/m0，其意义为单位重量无纺布饱和吸附烟油的重量。

1.2.3 无纺布拉伸性能测试方法 样品裁剪为标准样条，厚度0.12 mm，宽度2.5 mm，长度15 mm。50 N拉力传感器，拉伸速度30 mm/min。

1.2.4 无纺布抗菌性能测试方法 检测项目为大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。在无纺布上截取20 mm×20 mm×1 mm试件，用蒸馏水冲洗干净，紫外线照射后备用。在各阴性及对照抗菌试片上加菌悬液，覆盖消毒PE薄膜，37 ℃恒温箱中培养24 h，计数菌落数，试验重复3次，将结果记录下来。计算抗菌率的公式为R=（A-B）/A×100%，式中，R为抗菌率，%；A为阴性对照组回收残留菌数，CFU/片；B无纺布组回收残留菌数（包括改性前和改性后），CFU/片。

2 结果与分析

2.1 普通无纺布性能分析

2.1.1 普通无纺布样品形貌表征 选取了市售空白无纺布进行SEM分析，其SEM表征见图1。从图1可以看出，无纺布表面纤维结构为圆柱形，表面较光滑，直径约为10 μm。

2.1.2 烟油吸附性能分析 测试市售普通无纺布烟油吸附性能，结果见表1。从表1可以看出，市售无纺布单位重量无纺布烟油吸附量为6.38 g/g（即1 g无纺布的烟油吸附量为6.38 g）。

2.2 多巴胺改性无纺布性能分析

2.2.1 多巴胺改性无纺布样品形貌表征 多巴胺在水溶液中很容易被空气中的氧给氧化成醌类物质，进行分子间的偶联聚合，原位形成聚多巴胺，黏附在材料的表面，形成一层强黏附性能的聚多巴胺（图2）。其强黏附能力主要是来自于其酚羟基和侧链氨基和无纺布的主要原料PET形成较强的氢键，因此，采用此种方式在无纺布纤维上包覆聚多巴胺是牢固不易脱落的。

研究采取了3个浓度多巴胺水溶液对无纺布进行改性处理，分别用浓度为1、2、5 mg/mL的多巴胺水处理无纺布，处理后的无纺布SEM表征见图3。比较图1和图3可知，经过多巴胺改性后，无纺布纤维的表面变得粗糙；随着多巴胺浓度增加，表面粗糙度增大。

经不同浓度多巴胺溶液处理的无纺布样品表面形貌如图4。从图4中可以看出，未改性无纺布样品的整体形貌平整。多巴胺改性后，无纺布整体变得疏松，而且表面颜色随多巴胺浓度增加而加深。

2.2.2 烟油吸附性能分析 经浓度为1、2、5 mg/mL的多巴胺溶液改性后的无纺布烟油吸附性能，结果见表2。从表2可以看出，聚多巴胺改性后的无纺布对烟油的单位吸附量显著增加，其中经浓度分别为1、2、5 mg/mL的多巴胺溶液处理后，单位重量无纺布烟油吸附量分别为9.27、10.36、9.38 g/g。比较表1和表2可以看出，经过聚多巴胺改性的无纺布样品烟油吸附量相比未改性样品提高了50%，其中多巴胺浓度为2 mg/mL时，改性后的无纺布对烟油的吸附量最大。经过聚多巴胺改性的无纺布烟油吸附性能显著提升，结合图1和图3的SEM表征，分析其原因可能是聚多巴胺改性后无纺布纤维表面粗糙度增大，使纤维比表面积增大；另一方面，聚多巴胺具有大量的酚羟基和氨基，能与烟油基质的丙二醇、丙三醇形成氢键作用，加强了烟油与纤维的相互作用力。这也可能是无纺布经过聚多巴胺包覆改性后，其烟油吸附性能提升的原因。

2.3 无纺布改性前后拉伸性能测试

测试聚多巴胺改性后无纺布的力学性能，结果见表3和表4。经聚多巴胺改性的无纺布，其拉伸测试最大拉伸力下降58.86%，断裂伸长率下降65.89%，改性操作对无纺布力学性能有较大影响。结合图4中样品表面形貌来看，经过聚多巴胺改性后无纺布疏松程度增加，表明聚合过程对纤维本身结构有一定的影响。分析原因可能是在氧化聚合过程中产生的自由基对纤维造成一定的损伤；或是在多巴胺的聚合过程中，多巴胺和PET纤维发生反应，降低了纤维的规整度，使其纤维强度降低。

2.4 多巴胺改性无纺布抗菌性能分析

聚多巴胺本身具有抗菌性能，利用聚多巴胺对无纺布进行改性后，针对常见的大肠杆菌和金黄色葡萄链球菌测试改性无纺布的抗菌性能，测试结果如表4。从表4可以看出，未经改性的无纺布对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌无抑制作用，使用聚多巴胺改性的无纺布具有抑制细菌生长的能力，针对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别能达到76.8%和78.3%以上，说明聚多巴胺改性的无纺布还具有了抗菌性能。

3 结论

在无纺布纤维的表面进行多巴胺的原位聚合，将聚多巴胺包覆在无纺布纤维的表面，随着多巴胺浓度的增大，无纺布纤维表面粗糙度提高，无纺布整体变得疏松，而且表面颜色随多巴胺浓度增加而加深：①烟油吸附量方面，分别测试了浓度为1、2、5 mg/mL的多巴胺溶液对电子烟用无纺布烟油吸附性能的影响，发现多巴胺改性后的无纺布对烟油的单位吸附量增加，其吸附量相比未改性样品提高了近50%，其中浓度为2 mg/mL的多巴胺溶液处理后的无纺布烟油吸附性能提升最大；②力學性能方面，改性后的无纺布拉伸最大力下降58.86%，断裂伸长率下降65.89%，对无纺布的力学性能有较大影响，但不影响其使用功能；③抗菌性能方面，测试了多巴胺改性后无纺布的抗菌性能。结果表明，针对大肠杆菌和金黄葡萄球菌的抗菌率分别能达到76.8%和78.3%。

聚多巴胺改性后，无纺布的烟油吸附性能大幅提高可能存在两方面的原因：一方面得益于无纺布纤维表面粗糙度的提高，比表面积增大，烟油吸附量提高；另一方面，纤维表面包覆的聚多巴胺具有大量的酚羟基和氨基，能与烟油基质的丙二醇、丙三醇形成氢键作用，加强了烟油与纤维的作用力，增大了纤维表面吸附烟油的能力。该方法操作简单，效果显著，能有效提升电子烟用无纺布的烟油储存量，具有潜在的应用前景。

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