具有荧光和抗菌多功能纺织品的制备与性能

2023-10-25张家耀

纺织报告 2023年8期

张家耀

（郑州工业应用技术学院，河南郑州 451100）

随着近年来社会经济的发展，纺织品市场也在不断革新，荧光型和抗菌型纺织品逐渐走进人们的日常生活，并深受消费者的喜爱与关注。基于此，相关单位与研究者需要对兼具荧光和抗菌两种性能的染料制备进行研究，并对该染料及其染色之后的纺织品进行性能测试。这样可明确染料在纺织品中的实际应用效果，满足现代纺织品行业的实际经营与发展需求。

1 多功能纺织品的应用和研究现状

近年来，纺织品行业以及消费者对荧光功能格外关注，因此，荧光纺织品在当今市场所占比例越来越大。具备荧光功能的纺织品的颜色亮度更高、饱和度更好以及可见度更强，进而使纺织品的外观更加醒目、时尚。目前，荧光纺织品在对可视性要求较高的运动服、警示服等产品中已经得到了广泛应用，同时，随着环保和养生理念逐渐深入人心，抗菌纺织品也备受关注。这类纺织品具有绿色、环保、安全等性能，相比普通纺织品更有利于人体健康，而在现代纺织技术不断发展中，兼具荧光和抗菌性能的多功能纺织品也开始走进市场，并在诸多领域发挥了显著的应用优势，关于多功能纺织品的制备也开始受到纺织行业与相关研究者的高度重视。

就目前的纺织品行业来看，最常用的荧光染料是萘酰亚胺类染料，这种染料的结构十分稳定，且易于修饰，在荧光染料和荧光纺织品研究中至关重要。纺织品中应用的抗菌剂主要有3种，分别是无机抗菌剂、有机抗菌剂和自然抗菌剂。其中，季铵盐类抗菌剂是当前纺织品行业最常用的有机抗菌剂，来源十分广泛，价格低廉，加之自身带有正电荷，对于带有负电荷的细菌具有很好的吸附效果，且能将其细胞壁破坏，所以抗菌效果也非常好。基于此，在目前的荧光与抗菌多功能纺织品研究中，萘酰亚胺类荧光染料以及季铵盐类抗菌剂的应用是主要的研究方向。

2 多功能纺织品的制备试验

本试验主要探索一种兼具荧光性能和抗菌性能的染料的制备及其在纺织品染色方面的应用效果，包括试验材料与设备选择、染料合成以及纺织品染色试验。

2.1 材料与设备选择

试验所选材料主要包括改性涤纶纺织品、纯棉纺织品、4-溴-1,8-萘二甲酸酐试剂、N,N-二甲基-1,3-丙二胺试剂、溴代十二烷试剂、1,3-丙二胺试剂；试验设备主要包括HMS-14型数字化磁力加热搅拌器、RE-2000A型旋转式蒸发仪、U-3310型紫外-可见分光光度计、AV400型核磁共振仪器、傅里叶红外光谱仪、Datacolor650型计算机测色配色仪器、超净工作台、恒温培养振荡器、恒温培养箱。

2.2 NA-3荧光抗菌双子季铵盐染料的合成

根据当前市场对荧光和抗菌型多功能纺织品的实际需求，试验特别制备了一种NA-3荧光抗菌双子季铵盐染料。在制备过程中，首先让4-溴-1,8-萘二甲酸酐试剂和N,N-二甲基-1,3-丙二胺试剂反应，其次以丙二胺取代，最后实施季铵化处理，进而获得目标化合物。

制备步骤具体如下：首先，将5.54 g 4-溴-1,8-萘二甲酸酐试剂分散到40.0 mL乙醇中，在3.06 g N,N-二甲基-1,3-丙二胺试剂中加入20.0 mL乙醇进行稀释，将稀释后的溶液缓慢滴入反应液内，在常温条件下反应2.0 h；将温度提升到40 ℃，再反应0.5 h；待反应体系冷却到室温，将反应液倒入水中析出和抽滤处理，直到滤液变澄清[1]；在60 ℃条件下烘干滤饼至恒重，获得6.86 g NA-1。其次，在40.0 mL二甲基亚砜中溶解3.64 g NA-1以及0.37 g 1,3-丙二胺，用氮气进行氛围保护，在80 ℃条件下反应50.0 h；将反应体系冷却到室温，使用二氯甲烷将其中的二甲基亚砜萃取去除，再通过乙酸乙酯对反应产物进行重结晶纯化处理，之后在60 ℃条件下将烘干收集到的粉末称至恒重，获得2.95 g NA-2。最后，在15.0 mL二甲基甲酰胺（Dimethylformamide，DMF）中溶解1.27 g NA-2以及4.98 g溴代十二烷，用氮气进行氛围保护，在120 ℃条件下反应68.0 h；采取减压蒸馏的方式将DMF去除，使用少量无水乙醚多次进行洗涤处理，将其中多余的溴代十二烷去除；通过丙酮重结晶法获得1.18 g NA-3染料。

2.3 纺织品的NA-3染色

首先是改性涤纶纺织品的NA-3染色：（1）按照1∶20的浴比配制染液，使用冰乙酸将染液pH调节到1.5；（2）在30 ℃条件下将染液加入改性涤纶纺织品中，以1 ℃/min的速度将温度提升到120 ℃；（3）使该温度保持70 min，之后降低到室温；（4）用质量浓度为1 g/L、浴比为1∶30的皂液在85 ℃条件下对染色纺织品实施15 min的皂洗；（5）通过水洗的方式去除皂洗泡沫；（6）在60 ℃条件下将染色纺织品烘干。

其次是纯棉纺织品的NA-3染色：（1）按照1∶30的浴比进行染液配制；（2）在30 ℃条件下将染液加入改性涤纶纺织品中，以1 ℃/min的速度将温度提升到90 ℃；（3）使该温度保持20 min，加入1/2元明粉（质量浓度为10 g/L），进行20 min续染之后，再加入剩余1/2元明粉，并进行20 min续染；（4）将温度降低到50 ℃后取出试样，用冷水清洗后烘干。

3 多功能纺织品性能测试分析

3.1 NA-3染料性能测试

3.1.1 荧光性能测试

对于本试验制备的NA-3染料，主要通过U-3310型紫外-可见分光度计对水溶液进行荧光光谱测定。物质吸收电磁辐射后受到激发，在去激发过程中可发射出不同波长的荧光[2]。经测试发现，该染料在450 nm激发光条件下的吸收强度最大。考虑到荧光性能受染料浓度的直接影响，在具体测试中，按照0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.20、0.40、0.60 mmol/L进行染液配制，并分别测定其荧光强度。图1为不同浓度NA-3水溶液的荧光光谱，结果表明，当浓度为0.08 mmol/L时，其荧光强度数量级可达106；当浓度超过0.08 mmol/L，染料分子出现聚集现象，降低了荧光强度；当浓度达到0.40 mmol/L时，染液基本没有荧光性能。经测试发现，该染料的吸收波长最大值随着浓度的增加有轻微红移情况，由此可以判断出低浓度的NA-3染液具有高荧光强度。

图1 不同浓度NA-3水溶液的荧光光谱

3.1.2 抗菌性能测试

在NA-3染料的抗菌性能测试中，主要应用最小抑菌浓度（MIC）测定法，选择金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌进行抑菌测试[3]。其中，金黄色葡萄球菌需要在营养液里培养18.0 h，大肠埃希菌需要在培养液里培养10.0 h，之后用缓冲液对其进行稀释，将其浓度控制在104CFU/mL。将0.1 mL稀释液加入1.0 mL NA-3染液中静置1.0 h，分别按照0.1倍、100.0倍以及1 000.0倍稀释，再分别取出0.1 mL稀释液滴加到培养基上的4个区域进行培养。染液抑菌率的计算公式如下：

式中：η代表染液抑菌率；n0代表空白培养基中的菌落数量；n1代表染料培养基中的菌落数量。

考虑到该染液抗菌性能会受到其自身浓度的直接影响，所以在本次测试中，按照不同浓度对NA-3染液的抑菌性能进行了测试。经测试发现，当浓度在40 μmol/L及以上时，染液对金黄色葡萄球菌具有最佳抑制效果；当浓度在20 μmol/L及以上时，染液对大肠埃希菌具有最佳抑制效果。NA-3染液的抑菌性能测试结果如表1所示。

表1 NA-3染液的抑菌性能测试结果

3.2 NA-3染色纺织品的荧光与抗菌性能测试

3.2.1 染色性能测试

使用NA-3染料对两种纺织品进行染色之后，利用Datacolor650型计算机测色配色仪器对纺织品进行K/S值测定，进而测定K/S值伴随着染液浓度的实际变化，实现染色性能的合理测试[4]。图2为NA-3染料在两种纺织品中的K/S值随其质量分数变化情况，结果表明，在改性涤纶纺织品中染色时，K/S值随着染液质量分数的提升而增大，但是当染液中的染料质量分数超过6.00%时，K/S值不会继续随着浓度的提升出现显著变化；在纯棉纺织品中染色时，K/S值也随着染液质量分数的提升而增大，当染液中的染料质量分数超过3.00%时，K/S值不会继续随着质量分数的提升出现显著变化[5]。总体来看，NA-3染料在改性涤纶纺织品中具有更好的染色性能。

图2 NA-3染料在两种纺织品中的K/S值随其质量分数变化情况

3.2.2 荧光性能测试

试验发现，NA-3对两种纺织品进行染色时，随着染料用量的增加，其荧光性逐渐增强。但是当染料达到了一定用量之后，由于纺织品表面有染料聚集堆积情况，其荧光强度出现逐渐减弱的趋势[6]。经进一步测试分析发现，当染料质量分数为5.00%时，改性涤纶纺织品的荧光强度最大，其数量级可达107；当染料质量分数为1.00%时，纯棉纺织品的荧光强度最大，但是其数量级仅能达到106。

3.2.3 抑菌性能测试

本次染色纺织品抑菌性试验主要通过振荡法对纺织品上染料的抑菌性能进行测定。在培养基上放置两块染色后的纺织品，规格是3 cm×3 cm，采用300 μL浓度为105CFU/mL菌液进行接种，静置1.0 h后，将纺织品浸泡在30 mL的缓冲液中振荡3 min，最后按照公式（1）计算抑菌率。

考虑到染液抗菌性能会受到其自身质量分数的直接影响，在本次测试中，对不同浓度NA-3染液染色后的两种纺织品进行抑菌性能测试[5]。经测试发现，随着染液中NA-3质量分数的提升，染色纺织品的抑菌率均呈现出增长趋势。但是在同一质量分数下，纯棉染色纺织品的抑菌率比改性涤纶染色纺织品的抑菌率高，说明其抗菌效果更好[7]。经进一步研究发现，在两种纺织品中，NA-3染料对大肠埃希菌的抑菌率比对金黄色葡萄球菌的抑菌率高，说明NA-3对大肠埃希菌具有更好的抗菌效果。NA-3染色纺织品的抑菌性能测试结果如表2所示。