CN109183410B - 一种汉麻抗菌纤维材料及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及抗菌材料及纤维改性技术领域;本发明提供了一种汉麻抗菌纤维材料及其应用,其中,汉麻纤维大分子链上接枝有季铵抗菌功能基团,所述季铵抗菌功能基团为共价连接有羟基丙基三甲基卤化铵基的三乙烯四胺基团。本发明将季铵抗菌功能基团共价接枝在汉麻纤维骨架结构中,使汉麻抗菌纤维含季铵抗菌功能基团,具有优良的抗菌性能,对人体无毒害,抗菌持久,性能稳定。进一步地,所述汉麻抗菌纤维材料的制备方法工艺简单、操作简便,易于控制,且对环境友好。同时,反应得到的纤维没有刺鼻的胺味等,仍具有良好的形态和机械强度,能应用于各种抗菌功能纺织品的开发及工业、民用水的杀菌消毒。
Description
技术领域
本发明涉及抗菌材料及纤维改性技术领域,尤其涉及一种汉麻抗菌纤维材料及其应用。
背景技术
抗菌纤维作为重要的功能纤维材料,具有防止细菌滋生、阻断疾病传播、保持人体清洁卫生和防止纺织品变质变色等作用,特别是对于作战、执勤、消防和救灾等情况下的人员健康安全具有不可替代的重要作用。目前,抗菌纤维的制备方法主要有共混纺丝、静电纺丝、后整理技术、化学改性等。
汉麻纤维中本身含有一定的抗菌成分,其使汉麻具有一定的抗菌防霉性能。我国是世界上最早种植汉麻(Hemp)的国家,产量约占世界总产量的1/3,居世界第一。汉麻纤维中含大量纤维素,纤维素大分子是由β-D葡萄糖残基以1,4-苷键联结而成,每个葡萄糖残基环中都有三个活泼的羟基。汉麻纤维中还含有果胶质、半纤维素等非纤维物质(统称“胶质”),获得可用的纤维通常先要将其与这些胶质分离(称为“脱胶”)。
汉麻纤维是人类最早用于纺织的纤维之一,具有优良吸湿、散湿、透气功能,具有传热导热速度快,面料质地轻、强力大,静电少,穿着凉爽挺括等优点。在众多麻纤维中,汉麻纤维最细软且末端呈钝圆状态,使汉麻纤维类纺织品没有尖锐刺痒感,已逐步受到人们的青睐。然而,用于纺织的汉麻纤维在脱胶过程中有大部分抗菌成分的流失,造成梳理后汉麻纤维的抗菌性降低甚至丧失,难以满足人类的抗菌需求。
发明内容
有鉴于此,本申请提供一种汉麻抗菌纤维材料及其应用,本申请提供的汉麻抗菌纤维材料具有优异的抗菌效果,并且抗菌持久,安全环保。
本申请提供一种汉麻抗菌纤维材料,其中,汉麻纤维大分子链上接枝有季铵抗菌功能基团,所述季铵抗菌功能基团为共价连接有羟基丙基三甲基卤化铵基的三乙烯四胺基团。
优选地,所述季铵抗菌功能基团为共价连接有羟基丙基三甲基氯化铵基的三乙烯四胺基团。
优选地,所述汉麻抗菌纤维材料中,C元素含量为40~50%,O元素含量为30~40%,H元素含量为5~10%,N元素含量为2~5%。
优选地,所述汉麻抗菌纤维材料按照以下步骤制得:
(1)将汉麻原纤维与碱反应,得到碱化麻纤;
(2)将所述碱化麻纤用氧化剂氧化,得到氧化麻纤;
(3)将所述氧化麻纤与三乙烯四胺反应,得到胺化麻纤;
(4)将所述胺化麻纤与环氧丙基三甲基卤化铵反应,得到含季铵抗菌功能基团的汉麻抗菌纤维材料。
优选地,所述汉麻原纤维的支数为1500~1600Nm,强度为15~16CN/tex。
优选地,所述步骤(1)具体为:将汉麻原纤维以浴比1:20~100浸泡在碱溶液中反应,反应温度为10~30℃,反应时间为30~120min,得到碱化麻纤。
优选地,所述步骤(2)具体为:将所述碱化麻纤以浴比1:20~100浸泡在10~40g/L高碘酸盐溶液中避光反应,反应温度为20~70℃,反应时间为30~240min,得到氧化麻纤。
优选地,所述步骤(3)具体为:将所述氧化麻纤以浴比1:20~100浸泡在质量浓度20~100%的三乙烯四胺溶液中反应,反应温度为40~110℃,反应时间为30~360min,得到胺化麻纤。
优选地,所述步骤(4)具体为:将所述胺化麻纤以浴比1:20~100浸泡在环氧丙基三甲氧基卤化铵溶液中反应,环氧丙基三甲基卤化铵溶液质量浓度为2%~30%,反应温度为40~90℃,反应时间为15~360min,得到含季铵抗菌功能基团的汉麻抗菌纤维材料。
本发明提供如上文所述的汉麻抗菌纤维材料在制备抗菌功能纺织品中的应用。
与现有技术相比,本申请提供一种汉麻抗菌纤维材料,汉麻纤维大分子链上接枝有季铵抗菌功能基团,所述季铵抗菌功能基团为共价连接有羟基丙基三甲基卤化铵基的三乙烯四胺基团。本发明将季铵基抗菌功能基团共价接枝在汉麻纤维骨架结构中,使汉麻抗菌纤维含季铵抗菌功能基团,具有优良的抗菌性能,对人体无毒害,抗菌持久,性能稳定。
进一步地,所述汉麻抗菌纤维材料的制备方法工艺简单、操作简便,易于控制,且对环境友好。同时,反应得到的纤维没有刺鼻的胺味等,仍具有良好的形态和机械强度,能应用于各种抗菌功能纺织品的开发及工业、民用水的杀菌消毒。
附图说明
图1为实施例1提供的改性前后的汉麻纤维的实物照片;
图2为实施例1中汉麻原纤维1000×的SEM照片;
图3为实施例1中汉麻原纤维5000×的SEM照片;
图4为实施例1中季铵化汉麻纤维1000×的SEM照片;
图5为实施例1中季铵化汉麻纤维5000×的SEM照片;
图6为实施例1中改性前后的汉麻纤维的红外光谱图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种汉麻抗菌纤维材料,其中,汉麻纤维大分子链上接枝有季铵抗菌功能基团,所述季铵抗菌功能基团为共价连接有羟基丙基三甲基卤化铵基的三乙烯四胺基团。
本申请提供的汉麻抗菌纤维材料具有优异的抗菌效果,并且抗菌持久,安全环保,可达到高效、快速、持久的抗菌目的,并能广泛应用于各种抗菌功能纺织品的开发及工业、民用水的杀菌消毒。
本发明提供的汉麻抗菌纤维材料具有汉麻基础纤维结构,在汉麻纤维骨架结构中,也就是在汉麻纤维大分子链上接枝有季铵抗菌功能基团。所述的季铵抗菌功能基团为共价连接有羟基丙基三甲基卤化铵的三乙烯四胺基团,优选为共价连接有羟基丙基三甲基氯化铵基的三乙烯四胺基团。在本发明的一些实施例中,季铵抗菌功能基团共价接枝的汉麻抗菌纤维材料的分子结构为:
在本申请的实施例中,式1中两端带弯折线的代表汉麻纤维主链,其结构中含有丰富的羟基,羟基可作为活性基团发生一系列化学反应,如:氧化、酯化、醚化、吸湿、溶胀、交联、接枝反应等。在所述的汉麻纤维主链的羟基位置,可经氧化后与三乙烯四胺的胺基共价连接;而三乙烯四胺中的胺基和/或亚胺基位置,可与环氧丙基三甲基卤化胺反应接枝。
本发明对所述季铵抗菌功能基团中的季铵基团含量并无特殊限制;所述汉麻纤维主链上可含有或不含有未接枝反应的基团。从元素角度来说,本发明实施例所述汉麻抗菌纤维材料主要包含碳(C)元素、氧(O)元素、氢(H)元素和氮(N)元素。在本发明的一些实施例中,通过元素分析,所述汉麻抗菌纤维材料中,C元素含量为40~50%,O元素含量为30~40%,H元素含量为5~10%,N元素含量为2~5%;具体可为:C 44.64%,O 39.00%,H6.38%,N 2.40%。
此外,所述汉麻抗菌纤维材料仍为纤维状态,可称为季铵化汉麻纤维、季铵盐改性汉麻纤维;其外观一般呈浅黄色或土黄色,脱除了胶质,纤维没有刺鼻的胺味等,仍具有良好的形态和机械强度。本发明使抗菌功能基团在分子层面上以化学键方式牢固接枝到纤维的微观结构中,所述的汉麻抗菌纤维材料性能稳定、抗菌效果优异、安全环保。
在本发明的实施例中,所述汉麻抗菌纤维材料按照以下步骤制得:
(1)将汉麻原纤维与碱反应,得到碱化麻纤;
(2)将所述碱化麻纤用氧化剂氧化,得到氧化麻纤;
(3)将所述氧化麻纤与三乙烯四胺反应,得到胺化麻纤;
(4)将所述胺化麻纤与环氧丙基三甲基卤化铵反应,得到含季铵抗菌功能基团的汉麻抗菌纤维材料。
本发明实施例中所述汉麻抗菌纤维材料的制备方法工艺简单、操作简便,易于控制,且对环境友好。
本发明实施例以商品级的汉麻原纤维为基础原材料;具体地,所述汉麻原纤维的支数可为1500~1600Nm,强度为15~16CN/tex。所述汉麻原纤维一般为脱胶后的麻短纤,主体长度可为20~22mm,品质长度为25~30mm;其外观呈白色。
本发明实施例先将汉麻原纤维与碱反应,可将所述汉麻原纤维以一定浴比浸泡在一定质量分数的碱溶液中,反应一段时间,取出纤维充分洗涤、烘干,制得碱化麻纤。
其中,所述浴比是指纤维重量(g)对反应溶液(mL)的比例,可为1:20~100,优选为1:20~80。所述的碱包括但不限于氢氧化钠、氢氧化钾,优选采用氢氧化钠;氢氧化钠(水)溶液质量分数可为15%~30%。所述反应温度优选为10~30℃,反应时间优选为30min~120min,更优选为60~120min,反应充分。此外,反应后的洗涤、烘干采用本领域常规工艺即可。
得到碱化麻纤后,本发明实施例将其用氧化剂氧化,通过汉麻纤维上的活性羟基与氧化剂反应生成醛基,得到氧化麻纤。具体可为:将制得的碱化麻纤以一定浴比浸泡于一定浓度的高碘酸盐溶液中,反应一段时间,取出纤维充分洗涤、烘干,制得氧化麻纤。
其中,所述浴比是指纤维重量(g)对反应溶液(mL)的比例,可为1:20~100。所述高碘酸盐优选为高碘酸钠(NaIO4),高碘酸钠(水)溶液浓度优选为10~40g/L。所述反应温度优选为20~70℃,更优选为30~50℃。所述反应时间优选为30min~240min,更优选为60~240min;反应过程:避光。
得到氧化麻纤后,本发明实施例将其与三乙烯四胺进行醛胺缩合反应;具体地,将制得的氧化麻纤以一定浴比浸泡于一定质量分数的三乙烯四胺溶液中,反应一定时间,取出纤维充分洗涤、烘干,制得胺化麻纤。
其中,所述浴比可为1:20~100,优选为1:20~80。三乙烯四胺(水)溶液的质量分数可为20%~100%,优选采用100%的纯三乙烯四胺溶液。所述反应温度优选为40~110℃,更优选为50~60℃;反应时间可为30min~360min。
得到胺化麻纤后,本发明实施例将其与环氧丙基三甲基卤化铵反应,通过化学改性法将具有高效抗菌活性的功能基团季铵基共价接枝到汉麻纤维骨架结构中,获得一种抗菌性能优异且机械性能良好的新型抗菌纤维材料。具体地,本发明实施例将制得的胺化麻纤以一定浴比浸泡于一定浓度的环氧丙基三甲基氯化铵溶液中,反应一段时间,取出纤维充分洗涤、烘干,制得季铵盐改性汉麻抗菌纤维。
其中,浴比可为1:20~100,优选为1:20~80。所述环氧丙基三甲基卤化铵可为环氧丙基三甲基氯化铵;环氧丙基三甲基氯化铵简称GTA,属于季铵盐类化学物质。季铵盐(quaternary ammonium salts,QASs)是目前国际上研究和使用最多的有机抗菌剂;其抗菌机理主要是季氨基与微生物的细胞膜发生静电吸附作用,破坏微生物的细胞膜,从而达到灭菌功效。本发明实施例通过化学接枝改性法,将季铵抗菌功能基团通过反应最终共价接枝到汉麻纤维骨架结构中,制得一种新型的抗菌性能优异、对人体无毒害、性能稳定的含季铵抗菌功能基团的汉麻抗菌纤维。并且,相对于传统的共混纺丝、后整理技术等抗菌纤维制备方法,本发明方法不仅简便易行,安全环保,而且所得纤维的抗菌耐久性较佳。如果将季铵盐抗菌剂直接与汉麻原纤维进行改性,则难以获得抗菌性好的纤维。
本发明实施例采用环氧丙基三甲基氯化铵溶液,其质量浓度可为2%~30%。所述反应温度优选为40~90℃,更优选为60~70℃;反应时间优选为15min~360min,更优选为15min~30min。取出纤维,蒸馏水洗涤数次,40℃恒温干燥箱烘干至恒重,得到季铵盐改性汉麻(抗菌)纤维。
得到含季铵抗菌功能基团的汉麻抗菌纤维材料后,本发明实施例对其进行物化性能测试。结果表明,制得的汉麻抗菌纤维含季铵抗菌功能基团,具有优良的抗菌性能等,对人体无毒害,抗菌持久,性能稳定。
此外,本发明还提供了上文所述的汉麻抗菌纤维材料在制备抗菌功能纺织品中的应用。反应后纤维没有刺鼻的胺味,仍具有良好的形态和机械强度,能应用于各种抗菌功能纺织品的开发及工业、民用水的杀菌消毒。
为了进一步理解本申请,下面结合实施例对本申请提供的汉麻抗菌纤维材料及其应用进行具体地描述。
以下实施例中,所用的汉麻原纤维是湖南省华升集团提供的汉麻短纤,技术指标包括:主体长度20.8mm,品质长度28.48mm,均匀度387,短纤率9.53,40mm以上纤率29.93%,60mm以上纤率14.09%,支数1568Nm,断长24.4Km,强度15.57CN/tex,强力2.11g。
实施例1
(1)配制18%的氢氧化钠溶液160mL,然后加入2.0g汉麻原纤维(实物情况参见图1中左部分),使纤维充分溶胀,温度20℃下浸泡反应60min,取出纤维,蒸馏水洗涤数次,40℃恒温干燥箱烘干至恒重;
(2)称取步骤(1)制得的纤维1.5g,加入到120mL浓度为40g/L NaIO4溶液中,纤维充分溶胀后,在恒温震荡箱中50℃反应60min,取出纤维,蒸馏水洗涤数次,40℃恒温干燥箱烘干至恒重;
(3)称取步骤(2)制得的纤维1.0g,加入到80mL纯三乙烯四胺溶液中,在恒温震荡箱中50℃反应6h,取出纤维,蒸馏水洗涤数次,40℃恒温干燥箱烘干至恒重;
(4)称取步骤(3)制得的纤维1.0g,加入到80mL浓度为5%的GTA溶液中,在恒温震荡箱中90℃反应15min,取出纤维,蒸馏水洗涤数次,40℃恒温干燥箱烘干至恒重,得到季铵盐改性汉麻纤维,其实物情况参见图1中右部分。所得季铵盐改性汉麻纤维外观呈浅黄色、纤维状态,无刺鼻气味,强度良好。
对改性前后的汉麻纤维进行扫描电子显微镜(SEM)观察,结果参见图2~5,图2为汉麻原纤维1000×的SEM照片,图3为汉麻原纤维5000×的SEM照片,图4为季铵化汉麻纤维1000×的SEM照片,图5为季铵化汉麻纤维5000×的SEM照片。
对改性前后的汉麻纤维进行红外光谱分析,结果如图6所示,图中HF为汉麻原纤维,HF-GTA为季铵化汉麻纤维。图中HF-GTA相较于HF纤维的部分红外吸收峰发生了明显变化,如:3000-3500cm-1范围内的峰形和峰位均发生了一定变化,且HF-GTA峰强增加,这可能是由于胺基或季铵基的N-H键与纤维中的O-H键吸收峰叠加引起的;2897.10cm-1是由于纤维中基团的变化引起甲基、亚甲基中的C-H伸缩振动吸收峰增强;1636.20cm-1处C=O基吸收峰增强,说明胺化过程中仍有部分氧化纤维的C=O未完全反应;1375.69cm-1处新出现的吸收峰为胺基或季铵基中C-N伸缩振动峰;893.91cm-1代表C-H键的面外弯曲,其吸收峰增强,说明接枝过程中原汉麻纤维的内部结构发生了变化。红外光谱中这些典型的特征峰表明,季铵基已成功接枝在汉麻纤维的骨架结构中。
对改性前后的汉麻纤维进行元素分析,结果如下:
表1实施例1中改性前后的汉麻纤维的元素成分
实施例2
(1)配制10%的氢氧化钠溶液80mL,然后加入4.0g汉麻原纤维,使纤维充分溶胀,温度30℃下浸泡120min,取出纤维,蒸馏水洗涤数次,40℃恒温干燥箱烘干至恒重;
(2)称取步骤(1)制得的纤维3.5g,加入到70mL浓度为10g/L NaIO4溶液中,纤维充分溶胀后,在恒温震荡箱中40℃反应240min,取出纤维,蒸馏水洗涤数次,40℃恒温干燥箱烘干至恒重;
(3)称取步骤(2)制得的纤维3.0g,加入到60mL纯三乙烯四胺溶液中,在恒温震荡箱中60℃反应12h,取出纤维,蒸馏水洗涤数次,40℃恒温干燥箱烘干至恒重;
(4)称取步骤(3)制得的纤维3.0g,加入到60mL浓度为30%的GTA溶液中,在恒温震荡箱中60℃反应30min,取出纤维,蒸馏水洗涤数次,40℃恒温干燥箱烘干至恒重,得到季铵盐改性汉麻纤维。对该纤维进行红外光谱分析,结果与实施例1相似。
实施例3
纤维抗菌性能的评定:
针对本发明实施例制得的季铵盐改性汉麻抗菌纤维材料,采用振荡烧瓶法,选用大肠杆菌(Escherichia coli)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)为代表性致病菌种。具体操作如下:取1mL活化后的细菌菌液,12000rpm离心2min,并用无菌生理盐水清洗菌体2-3次,然后重悬于20mL的无菌生理盐水中。称取一定质量季铵盐改性前后的汉麻纤维放入上述菌悬液中,37℃,180rpm振荡培养24h,取1mL菌悬液,用无菌生理盐水将其稀释成10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6,分别取后三个梯度的菌悬液100μL,加入适合菌种生长的琼脂培养基上,并用无菌的涂布棒将其涂匀,37℃倒平板培养24h。将初始菌悬液(不含纤维)作为空白对照;采用平皿计数法计算存活菌落数和抗菌率,结果见表2、表3。
表2实施例1中季铵盐改性汉麻纤维的抗菌性能
①--:抗菌率为0%。
表3实施例1~2中季铵盐改性汉麻纤维的抗菌性能
①--:抗菌率为0%。
由以上数据可知,本发明所涉及的季铵盐改性汉麻抗菌纤维材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率均大于80%,属于抗菌性能优异的纤维材料。
并且,将实施例1制得的季铵化汉麻纤维进行耐洗涤性能测试,测试条件为:质量浓度为0.1%的市售常规家用洗衣液中常温洗涤10次、30次后,烘干,再做抗菌测试。结果如下:
表4实施例1中季铵盐改性汉麻纤维的耐洗涤性能
由以上数据可知,本发明所涉及的季铵盐改性汉麻抗菌纤维材料在洗涤30次后,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率均大于80%。本发明制得的汉麻抗菌纤维材料具有高效、快速、持久的抗菌效果,可广泛应用于各种抗菌功能纺织品的开发及工业、民用水等的杀菌消毒。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于使本技术领域的专业技术人员,在不脱离本发明技术原理的前提下,是能够实现对这些实施例的多种修改的,而这些修改也应视为本发明应该保护的范围。
Claims (8)
1.一种汉麻抗菌纤维材料,其特征在于,汉麻纤维大分子链上接枝有季铵抗菌功能基团,所述季铵抗菌功能基团为共价连接有羟基丙基三甲基氯化铵基的三乙烯四胺基团,所述汉麻抗菌纤维材料中,C元素含量为40~50%,O元素含量为30~40%,H元素含量为5~10%,N元素含量为2~5%。
2.根据权利要求1所述的汉麻抗菌纤维材料,其特征在于,所述汉麻抗菌纤维材料按照以下步骤制得:
(1)将汉麻原纤维与碱反应,得到碱化麻纤;
(2)将所述碱化麻纤用氧化剂氧化,得到氧化麻纤;
(3)将所述氧化麻纤与三乙烯四胺反应,得到胺化麻纤;
(4)将所述胺化麻纤与环氧丙基三甲基氯化铵反应,得到含季铵抗菌功能基团的汉麻抗菌纤维材料。
3.根据权利要求2所述的汉麻抗菌纤维材料,其特征在于,所述汉麻原纤维的支数为1500~1600Nm,强度为15~16CN/tex。
4.根据权利要求3所述的汉麻抗菌纤维材料,其特征在于,所述步骤(1)具体为:将汉麻原纤维以浴比1:20~100浸泡在碱溶液中反应,反应温度为10~30℃,反应时间为30~120min,得到碱化麻纤。
5.根据权利要求4所述的汉麻抗菌纤维材料,其特征在于,所述步骤(2)具体为:将所述碱化麻纤以浴比1:20~100浸泡在10~40g/L高碘酸盐溶液中避光反应,反应温度为20~70℃,反应时间为30~240min,得到氧化麻纤。
6.根据权利要求5所述的汉麻抗菌纤维材料,其特征在于,所述步骤(3)具体为:将所述氧化麻纤以浴比1:20~100浸泡在质量浓度20~100%的三乙烯四胺溶液中反应,反应温度为40~110℃,反应时间为30~360min,得到胺化麻纤。
7.根据权利要求6所述的汉麻抗菌纤维材料,其特征在于,所述步骤(4)具体为:将所述胺化麻纤以浴比1:20~100浸泡在环氧丙基三甲氧基氯化铵溶液中反应,环氧丙基三甲基氯化铵溶液质量浓度为2%~30%,反应温度为40~90℃,反应时间为15~360min,得到含季铵抗菌功能基团的汉麻抗菌纤维材料。
8.如权利要求1~7中任一项所述的汉麻抗菌纤维材料在制备抗菌功能纺织品中的应用。
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- 2018-07-24 CN CN201810820352.XA patent/CN109183410B/zh active Active
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