绿茶抗菌腈纶纤维前期制备的研究

2019-03-07黄仙于湖生韦红莲王泽

纺织科学与工程学报 2019年1期

黄仙，于湖生，韦红莲，王泽

(青岛大学纺织服装学院，山东青岛266071)

聚丙烯腈(PAN)纤维是三大主要合成纤维之一[1]，广泛用于服用织物和室内装饰纺织品，具有优异的性能和成本低的特点。为了满足人们对优质纤维和织物的日益增长的需求，各个国家的科研人员开展了对改性聚丙烯腈的研发[2-3]，但尚未有一种腈纶改性纤维是使用天然植物中药提取物与PAN纺丝液共混，通过湿法纺丝的方法制得具有抗菌功能的腈纶纤维。本文选用具有抗菌功能的LC提取物作为功能添加剂与聚丙烯腈纺丝液混合制得共混纺丝液，通过沉浸凝胶相转化法制得共混膜，并对共混膜的表观性能、力学性能以及抗菌性能进行检测，为植物中药提取物LC/PAN共混纤维的制备提供参考。

1 实验

1.1 实验材料和实验仪器

实验材料：PAN粉末(8万分子量，东莞玉明塑胶原料公司提供)、LC提取物、二甲基亚砜(DMSO)、蒸馏水、硫酸，硫酸锌，硫酸钠，金黄色葡萄球菌(ATCC 6538)，营养肉汤，营养琼脂等。

实验仪器： DK-98-Ⅱ电热恒温水浴锅、JJ-1精密增力电动搅拌器、NDJ-1型旋转式粘度仪、ZD-85双功能气浴恒温振荡培养箱、WKYⅢ-100微量可调移液枪、ABS 135-S精密电子天平、101-2型烘箱、生物显微镜、电子单纤维强力仪、称量纸、保鲜膜、万用电炉、冰箱、分光光度计、恒温箱、高压灭菌锅、载玻片、带塞三角烧瓶、试管、试管架、酒精灯，移液管、吸液球、玻璃棒、镊子、无菌培养皿、接种环等。

1.2 实验方法

1.2.1 PAN纺丝液的制备

选用二甲基亚砜(DMSO)作为溶剂，将8万分子量的PAN粉末添加到DMSO溶剂中，经过溶胀阶段和溶解阶段配制均匀透明的PAN纺丝液。

1.2.2 PAN纺丝液粘度测试

将6个不同浓度的PAN纺丝液加入到50 mL的烧杯中，在同一温度70℃下使用NDJ-1型旋转式粘度计进行测试，并筛选最佳浓度。

1.2.3 共混纺丝液的制备

用ABS 135-S精密电子天平按照表1∶1的配比方案准确称取提取物的重量加入到100ml的PAN纺丝液当中，搅拌均匀至其充分分散在纺丝液当中。然后将各个方案的共混液放入恒温水浴锅中，分别在20℃，30℃，40℃，50℃，60℃，70℃的不同温度下中速搅拌2h，使提取物在纺丝液当中均匀混合，而后经过滤脱泡后保温备用。

表1 不同添加配比的共混纺丝液方案

1.2.4 共混纺丝液的粘度测试

将上述各个方案的共混纺丝液利用NDJ-1型旋转式粘度仪分别测定在20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃时的粘度。

1.2.5 凝固浴的配制

共经过三道凝固浴，选用DMSO水溶液作为溶剂，将三道凝固浴中DMSO的浓度依次设定为60%、45%、30%，凝固浴的温度依次是60℃、50℃、40℃。

1.2.6 共混膜的制备

采用沉浸凝胶相转化法，将A和F系列共混纺丝液分别涂在载玻片上，形成一层厚度均匀的薄膜后将载玻片放入第一道凝固浴中完全浸渍。共混膜跟第一道凝固浴反应后从载玻片表面自然脱落，然后用玻璃棒轻轻挑到第二、三道凝固浴中，每道凝固浴停留1 min。在凝固浴中充分反应后，再用玻璃棒将共混膜放入蒸馏水中。水洗温度为50℃～70℃，经三次水洗，每次时间为10 min。将水洗后的共混膜取出，放置于玻璃板之上，舒展开并压实，上层覆盖滤纸，阴干、备用。

1.2.7 膜的表观性能测试

在生物显微镜(放大400倍)下观察各个方案的共混膜的表面各组分的分散情况。

1.2.8 膜的力学性能测试

分别测试各方案膜干、湿状态下的力学性能。取均匀且平整的聚丙烯腈膜和F系列膜各20个，切成1cm×5mm的条状，烘干至恒重，并立即在电子单纤维强度测试仪上测试其拉伸断裂性能，每组测试20个样品，记录实验数据。将待测的聚丙烯腈膜和共混膜放入蒸馏水中浸泡2h后取出并立即在电子单纤维强度测试仪上测试其湿态下的拉伸断裂性能，每组测试20个样品，记录实验数据。

1.2.9 膜的溶胀度测试

在25℃温度下，将各方案膜放于蒸馏水中溶胀24 h，取出膜后用滤纸去除表面水分，称重记为Ww；在温度为100℃的烘箱中一直烘干至恒定重量，称重记为Wd。溶胀度S的计算方法如公式(1)所示。

S=(Ww-Wd)/Wd×100%

(1)

1.2.10 膜的抗菌性能测试

按照《GB/T 20944.3-2008 纺织品抗菌性能的评价第3部分：振荡法》的方法测试了聚丙烯腈膜和F系列共混膜对金黄色葡萄球菌的抗菌性能。

2 结果与分析

2.1 PAN纺丝液

在70℃温度下，不同浓度的纺丝液的粘度值如表2所示。

表2 各浓度PAN纺丝液的粘度值

表2的数据表明，随着PAN聚合物粉末含量的增加，PAN纺丝液的粘度逐渐增大，根据纺丝粘度的要求，以及PAN聚合物粉末含量越大，在凝固浴中双扩散速率降低，凝固成型趋于缓和，纤维结构越致密均匀，原丝性能有所提高的原理，后续的实验可选用16%的PAN纺丝液。

2.2 共混纺丝液的粘度

PAN纺丝液与F系列方案共混纺丝液在20℃～70℃的粘度值如表3所示。

表3 各系列方案共混纺丝液的粘度值

从表3中可以看出，当温度条件相同时，PAN纺丝液的粘度大于所有的不同配比的F系列共混纺丝液。通过添加提取物，混合纺丝液的粘度降低，并随着添加总量的增加，粘度下降越大。这可能是由于混合纺丝溶液中的中草药提取物的大分子和PAN聚合物发生团聚所致。当纺丝液温度降至30℃时，纺丝液的粘度变化很大。当在50℃到70℃之间时，随着温度逐渐升高，纺丝液流动性较好，因此在选择适宜的共混纺丝液粘度时应选择与纯PAN纺丝液粘度较为接近的，由表3可知F1方案和F2方案均符合。

2.3 膜的表观性能

聚丙烯腈膜和F系列共混膜的显微镜图片如图1所示。

图1 聚丙烯腈膜和F系列共混膜显微镜图

从图1所示，用纯PAN纺丝液制备的聚丙烯腈薄膜表面光滑平整，无颗粒物附着；F系列的混合膜整体表面也光滑，其中F1和F2的表面看上去均有少量颗粒且相差不大，说明在这两个方案下植物中药提取物的溶入性较好，而F3中因植物中药提取物添加量较多，膜表面较为粗糙，颗粒物质也较其他方案的多，这是由于提取物含量较大，PAN纺丝液过度饱和，粉末不易分散，即在膜中可能会有一定程度的团聚。所以，结合共混纺丝液的粘度测试，提取物的添加量可选择为F2的方案，否则将会影响纤维的可纺丝性。

2.4 膜的力学性能

聚丙烯腈膜和F系列各方案的共混膜在干、湿态下的力学性能测试结果如下表4所示。

表4 聚丙烯腈膜和F系列共混膜在干、湿态下的断裂强力和断裂伸长率

试验方案断裂强力/cN断裂伸长率(%)干态湿态干态湿态A74.3156.4216.212.1F168.0151.2118.413.6F464.8151.1416.912.7F960.5950.1917.612.3

由表4可知，在干燥状态下，聚丙烯腈薄膜和F系列混合薄膜的断裂强力和断裂伸长率都高于湿态；聚丙烯腈薄膜在干、湿状态下的断裂强力都高于F系列共混薄膜。这是因为中草药功能剂的添加在一定程度上影响了膜的表面固化，改变了共混膜的大分子结构。根据F系列的共混膜粘度均低于纯PAN纺丝液的粘度可知，提取物的加入使共混纺丝液粘度降低，造成共混膜内部结构缺陷，从而使断裂强力降低。通过原子力显微镜观察F2方案中共混膜的AFM图(如图2所示)，发现共混膜的表面具有不均匀的纳米级凸起和凹陷，这些都对膜的力学性能有一定的影响。

图2 聚丙烯腈膜和F2方案共混膜AFM图

2.5 膜的溶胀度

将测得的数据，通过公式(1)计算得出聚丙烯腈膜和F系列共混膜的溶胀率如表5所示。

表5 聚丙烯腈膜和F系列共混膜的溶胀率

从表5的数据可以看出，F系列共混膜的溶胀度大于聚丙烯腈膜的溶胀度，且随着植物中药提取物比例的增加，共混膜的溶胀度也在增加，但是溶胀的速率呈减慢趋势。另外，因F1，F2和F3中的提取物添加量呈递增趋势，其溶胀率也呈递增趋势，可以得出LC提取物具有较好的吸湿性。而薄膜内外都分布有LC中药提取物，所以， LC提取物的添加提高了薄膜对周围水分的吸收能力，进而增加了薄膜的膨胀性，使得尺寸稳定性变差。

2.6 膜的抗菌性

聚丙烯腈膜和F系列共混膜的抑菌率值如表6所示，抑菌效果图如3所示。

表6 聚丙烯腈膜和F系列共混膜的抑菌率

图3 聚丙烯腈膜和F系列共混膜的抑菌效果图

从表6中的数据和图3的抑菌效果可以看出，方案A中的纯聚丙烯腈膜因其未添加任何功能剂，经计数该培养皿中的菌落远远大于300CFU，根据国家标准可判断方案A在未添加任何抗菌剂前不具备抗菌功能；F系列的共混膜因添加了植物中药LC提取物，培养皿中菌落数均小于30CFU，经计算得到抑菌率均大于80%，具有较好的抗菌效果。其中方案F2、F3的抑菌率都大于90%，考虑到将来生产共混纤维的性价比，选择植物中药添加量为PAN的6%(F2方案)作为纺丝的方案。