CN110512419B

CN110512419B - 一种抗菌阻燃纤维素及其制备和应用

Info

Publication number: CN110512419B
Application number: CN201910729670.XA
Authority: CN
Inventors: 吴德群; 赵文静; 李娜; 李发学; 王学利; 俞建勇
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2019-08-08
Filing date: 2019-08-08
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2039-08-08
Also published as: CN110512419A

Abstract

本发明涉及一种抗菌阻燃纤维素及其制备和应用，原料组分包括：纤维素、3‑(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷KH、聚乙烯亚胺PEI、乙烯基膦酸VA、抗菌剂、引发剂。本发明改性后的纤维素与原纤维素材料相比，其最大热释放速率可下降至原来的50％左右，总热释放量可下降至原材料的67％左右；对革兰氏阴性和阳性细菌均具有优良的抗菌效果，在30次洗涤后仍具有98％的抑菌率。

Description

一种抗菌阻燃纤维素及其制备和应用

技术领域

本发明属于功能性纤维素及其制备和应用领域，特别涉及一种抗菌阻燃纤维素及其制备和应用。

背景技术

随着社会不断进步、科学技术日新月异，人们对材料的需求不再局限于服装、家纺等传统领域，而要求所使用的材料具有某些特定的功能以满足使用过程中产生的需求，例如防霉、抗菌、过滤、吸附、抗紫外线、防辐射、防水透湿、抗静电、防尘、防污、阻燃等功能。

另外，随着化石资源的匮乏，以及化纤类废弃产品造成的环境问题日益严重，利用天然可再生的纤维材料变得尤为重要，因此纤维素类纺织用品的功能化是非常重要的研究方向。

一方面，纺织品具有疏松多孔的特性，在日常生活使用过程中极易成为众多细菌传播的载体，这些微生物的粘附生长不仅会导致纤维制品发生变色、发霉、脆化降解，而且会对人体皮肤产生异常刺激并可能诱发皮肤疾病，对穿着者和纺织品本身都有不利的影响。随着科学技术的进步及人们生活水平的改善，人们对纺织品的抗菌性能提出了更高的要求。目前具备抗菌性能的纺织品，其应用领域正在逐渐扩大，主要包括医用纺织品(如手术缝合线、口罩、手术手套等)、家用纺织品(如床垫、地毯、窗帘等)及产业用纺织品(如过滤布、汽车内饰、国防工业用衬等)。因此，制备抗菌纤维素纤维在功能化纺织品材料领域具有非常重要的现实意义和广阔的应用前景。

另一方面，目前较多纺织品均为易燃产品，其极限氧指数(LOI)均较低，在大气环境中极易燃烧，根据不完全统计，我国几乎每年都会发生因火灾事故造成的人员伤亡和建筑损毁，给国民经济建设和人民生命财产造成不可估量的损失。其中，许多火灾的发生就是由纺织品引起的。可见，阻燃功能化纺织品的研发对于降低火灾的危害不可或缺。值得一提的是，纤维素纤维较合成纤维在燃烧时无熔滴现象，因此阻燃纤维素与阻燃合成纤维相比，发生二次危害概率更小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种抗菌阻燃纤维素及其制备和应用，本发明中利用纤维素的羟基接枝带有阻燃、抗菌性能的官能团，因此可用于天然或再生纤维素的抗菌阻燃改性，也可用于纤维素类材料的成品抗菌阻燃改性。

本发明的一种抗菌阻燃纤维素，按重量份数，原料组分包括：纤维素1份、0.15-0.50份3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷KH、0.03-0.09份聚乙烯亚胺PEI、0.05-0.2份乙烯基膦酸VA、 0.02-0.05份抗菌剂、0.001-0.003份引发剂。

含硅元素的KH的结构式为

含氮元素的PEI的结构式为：

其中PEI为支化聚乙烯亚胺，分子量为600。

含磷元素的VA的结构式为：

所述抗菌剂为带有硅氧烷基团的抗菌剂或者带有双键的抗菌剂；引发剂为自由基聚合引发剂。所述抗菌剂为N，N-二甲基-N-(3-(三甲氧基硅烷)丙基)十二烷-1-氯化铵CDMA、甲基丙烯酸酐改性的聚六亚甲基胍盐酸盐MAPHMG中的一种或几种；

引发剂为过硫酸盐引发剂、过氧化氢引发剂、水溶偶氮引发剂中的一种或几种，进一步优选地，引发剂为过硫酸铵APS、过硫酸钾、过氧化氢。

进一步地，优选所述纤维素1份、0.4份3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷KH、0.07份聚乙烯亚胺PEI、0.2份乙烯基膦酸VA、0.05份抗菌剂、0.003份引发剂。

本发明的一种抗菌阻燃纤维素的制备方法，包括：

(1)将纤维素分散于碱液中，加入KH和PEI，在30-50℃下反应12-24h，洗涤，烘干，得到产物A；

(2)将步骤(1)中的产物A浸没在水中并调节pH＝2-3，加入KH、VA、抗菌剂、引发剂60℃反应6-8h，洗涤，烘干，即得抗菌阻燃纤维素。

所述步骤(1)中KH的加入量为纤维素质量的10-40wt％。

所述步骤(1)中碱液为pH为11-12的NaOH溶液。

所述步骤(2)中加入稀HCl调节pH在2-3。

所述步骤(2)中反应过程中通氮气。

上述制备方法进一步地：

第一步：将纤维素分散于pH为11-12的NaOH aq中，其后加入一定量的KH和PEI，在30-50℃下反应12-24h，KH在酸性或碱性环境中可与纤维素的羟基发生水解缩合反应，PEI上的氨基可与KH上的双键在碱性环境下进行Micheal加成反应，因此可通过化学法将含硅、含氮的单体接枝于纤维素表面，反应结束后，超声清洗10min改性后的棉纤维，并用去离子水淋洗，充分去除未化学接枝于纤维表面的物质，清洗后置于60℃的鼓风烘箱中烘干；

第二步：将经过KH、PEI接枝的纤维素浸没在水中，加入稀HCl调节pH在2-3之间，再依次加入一定量的KH、VA、抗菌剂组分以及自由基聚合引发剂，加热至60℃反应6-8h，反应过程通氮气，反应结束后，同样超声清洗10min改性后棉纤维，并用去离子水淋洗，充分去除未化学接枝于纤维表面的物质，清洗后置于60℃的鼓风烘箱中烘干，从而得到经过抗菌、阻燃改性的纤维素。

其中使用的抗菌剂可以为带有硅氧烷基团的抗菌剂或者带有双键的抗菌剂，同样利用水解缩合反应或者自由基聚合反应将抗菌剂接枝于纤维素侧羟基，如N，N-二甲基-N-(3-(三甲氧基硅烷基)丙基)十二烷-1-氯化铵(CDMA)、甲基丙烯酸改性的聚六亚甲基胍盐酸盐 (MAPHMG)等。

按照纤维素质量为100wt％计算，制备抗菌阻燃纤维素的各组分添加量用质量百分数表示，第一步各反应物添加量为：10-40wt％的KH，3-9wt％的PEI；第二步各反应物添加量为： 5-10wt％的KH，5-20wt％的VA，2-5wt％的抗菌剂，0.1-0.3wt％的自由基聚合引发剂。

一种基于所述抗菌阻燃纤维素的面料。

本发明提供一种所述方法制备的抗菌阻燃纤维素。

本发明还提供一种所述抗菌阻燃纤维素的应用，如可广泛应用于家纺、产业用、军工等领域，如家居使用地毯和窗帘等纺织品，酒店、影院等公共场所使用的装饰用纺织品，火车、飞机、船舶等交通工具的座椅内饰，消防和热加工等行业的工作服。

有益效果

(1)本发明的化学反应原理为：KH在酸性或碱性环境中可与纤维素的羟基发生水解缩合反应，PEI上的氨基可与KH上的双键在碱性环境下进行Micheal加成反应，VA可与KH在引发剂的条件下进行自由基聚合反应；其二，在阻燃改性的同时，加入抗菌剂组分，如利用硅氧烷化季铵盐的水解缩合反应，又如将制备的带有双键的抗菌剂在自由基聚合反应中步骤加入，从而制备同时具有抗菌性、阻燃性的纤维素材料；

(2)本发明提供了一种同时具有抗菌性和阻燃性的纤维素材料的制备方法，利用易获得的有机化学试剂对纤维素进行改性，适用范围包含所有以纤维素为组成成分的材料；

(3)本发明利用KH中硅氧烷与纤维素侧羟基的水解缩合反应、KH中碳碳双键(C＝C)与 PEI中氨基的Micheal加成反应以及KH中C＝C与VA中C＝C的自由基聚合反应将KH、PEI、 VA三种含阻燃元素的单体化学接枝于纤维素羟基，从而使纤维素获得一定的阻燃性；

(4)本发明中将抗菌组分接枝在纤维素羟基上包括两种方法：利用KH中C＝C与抗菌剂中 C＝C的自由基聚合反应将抗菌剂接枝于纤维素侧羟基；或利用抗菌剂中硅氧烷与羟基水解缩合直接化学接枝；

(5)本发明的改性纤维素材料的抗菌机理属于非溶出性抗菌，具有安全高效持久抗菌的特点，依据GB-T 20944.3-2008，使用震荡法对所制备的纤维进行抗菌性测试，结果显示制备的纤维对革兰氏阴性和阳性细菌均具有优良的抗菌效果，本发明制备的改性纤维素的抑菌率可达到100％，多次洗涤后抑菌率在98％以上；

(6)本发明的阻燃成分包括含硅元素的KH、含氮量极高的PEI，含磷的VA，本方法制备的改性纤维素增重率在13％以下即具有良好的阻燃效果，最大热释放速率可下降原纤维素材料 50％左右，总热释放量可下降30％左右。

附图说明

图1为本发明实施例1中制备抗菌阻燃改性纤维素的原理图；

图2为本发明实施例1中产物(II)的与原纤维素材料的红外对比谱图；

图3为本发明实施例2中制备抗菌阻燃改性纤维素的原理图；

图4为本发明实施例3中产物(II)的与原纤维素材料的微型量热仪测试结果，其中图a为改性前后纤维素的热释放速率曲线，图b为改性前后纤维素的热释放量曲线；

图5为本发明实施例4中制备的产物(II)对金葡萄球菌和大肠杆菌的定量抗菌效果图；其中改性a、b分别为改性前纤维素对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率测试结果(稀释至第四个琼脂板的图片)，即对照组；c、d分别表示改性后纤维素对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率测试结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

主要原料及来源如下：

棉纤维由夏津仁和纺织科技有限公司提供。γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷 (KH)，97％，萨恩化学技术(上海)有限公司；支化聚乙烯亚胺(PEI，M＝600)，99％，上海麦克林生化科技有限公司；乙烯基膦酸(VA)，97％，西格玛奥德里奇中国；氢氧化钠(NaOH)，分析纯，过硫酸铵(APS)，优级纯，国药集团化学试剂有限公司。抗菌剂为自制抗菌剂，原料包括1,6己二胺(AR)、盐酸胍(AR)，购买于国药集团化学试剂有限公司；2-甲基丙烯酸酐(95％)购自萨恩化学技术有限公司；十二烷基二甲基叔胺(DMDA) 和γ-氯丙基三甲氧基硅烷(CPTMS)均为工业级，购买于上海凯赛化工有限公司。

实施例1

称取0.2g NaOH溶于1L去离子水中，制备得pH＝11.7的NaOH aq作为Michael加成反应的反应液。

称取0.1g棉纤维浸没于装有20mL NaOH aq的单口烧瓶中，其后依次加入40wt％的KH (0.04g，n(Si)＝0.16mmol)、7wt％的PEI(0.007g，n(N)＝0.1628mmol)，使用单口烧瓶作为反应容器并置于磁力加热搅拌器中，加热至30℃反应12h。反应结束后，超声清洗10 min改性后的棉纤维，并用去离子水淋洗，充分去除未化学接枝于纤维表面的物质，清洗后置于60℃的鼓风烘箱中烘干，得产物(I)。

将产物(I)浸没于20mL去离子水中，加入稀HCl调节pH在2-3之间，其后依次加入10wt％的KH(0.01g，n(Si)＝0.04mmol)、20wt％的VA(0.02g，n(P)＝0.185mmol)、5 wt％的MAPHMG(0.005g)及0.3mg的过硫酸铵(APS)。使用三口烧瓶作为反应容器并置于磁力加热搅拌器中，加热至60℃反应6h。反应结束后，超声清洗10min改性后棉纤维，并用去离子水淋洗，充分去除未化学接枝于纤维表面的物质，清洗后置于60℃的鼓风烘箱中烘干，得到产物(II)。

所制备的抗菌阻燃棉纤维，即产物(II)与原棉纤维相比，其最大热释放速率下降至原来的50.6％，总热释放量下降至原材料的68.6％；根据GB_T 20944.3-2008中的震荡法进行抗菌性测试，结果显示改性后的棉纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均为100％，并根据FZ_T 73023-2006进行抗菌耐洗性测试，抗菌级别为AAA级。

实施例2

将产物(I)浸没于20mL去离子水中，加入稀HCl调节pH在2-3之间，其后依次加入10wt％的KH(0.01g，n(Si)＝0.04mmol)、20wt％的VA(0.02g，n(P)＝0.185mmol)、5 wt％的CDMA(0.005g)及0.3mg的过硫酸铵(APS)。使用三口烧瓶作为反应容器并置于磁力加热搅拌器中，加热至60℃反应6h。反应结束后，超声清洗10min改性后棉纤维，并用去离子水淋洗，充分去除未化学接枝于纤维表面的物质，清洗后置于60℃的鼓风烘箱中烘干，得到产物(II)。

所制备的抗菌阻燃棉纤维，即产物(II)与原棉纤维相比，其最大热释放速率下降至原来的49.8％，总热释放量下降至原材料的65.2％；根据GB_T 20944.3-2008中的震荡法进行抗菌性测试，结果显示改性后的棉纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率分别为100％和 99.7％，并根据FZ_T 73023-2006进行抗菌耐洗性测试，抗菌级别为AAA级。

实施例3

称取0.1g纤维素浆粕，浸没于装有20mL NaOH aq的单口烧瓶中，其后依次加入40wt％的KH(0.04g，n(Si)＝0.16mmol)、7wt％的PEI(0.007g，n(N)＝0.1628mmol)，使用单口烧瓶作为反应容器并置于磁力加热搅拌器中，加热至30℃反应18h。反应结束后，超声清洗10min改性后的浆粕，并用去离子水淋洗，充分去除未化学接枝于纤维素浆粕表面的物质，清洗后置于60℃的鼓风烘箱中烘干，得产物(I)。

将产物(I)浸没于20mL去离子水中，加入稀HCl调节pH在2-3之间，其后依次加入10wt％的KH(0.01g，n(Si)＝0.04mmol)、20wt％的VA(0.02g，n(P)＝0.185mmol)、5 wt％的MAPHMG(0.005g)及0.15mg的过硫酸铵(APS)。使用三口烧瓶作为反应容器并置于磁力加热搅拌器中，加热至60℃反应6h。反应结束后，超声清洗10min改性后的浆粕，并用去离子水淋洗，充分去除未反应的物质，清洗后置于60℃的鼓风烘箱中烘干，得到产物 (II)。

所制备的抗菌阻燃纤维素浆粕，即产物(II)与原浆粕相比，其最大热释放速率下降至原来的50.1％，总热释放量下降至原材料的66.9％；根据GB_T 20944.3-2008中的震荡法进行抗菌性测试，结果显示改性后的棉纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均为100％，并根据FZ_T 73023-2006进行抗菌耐洗性测试，抗菌级别为AAA级。

实施例4

称取0.1g棉织物浸没于装有20mL NaOH aq的单口烧瓶中，其后依次加入40wt％的KH (0.04g，n(Si)＝0.16mmol)、7wt％的PEI(0.007g，n(N)＝0.1628mmol)，使用单口烧瓶作为反应容器并置于磁力加热搅拌器中，加热至30℃反应12h。反应结束后，超声清洗10 min改性后的棉纤维，并用去离子水淋洗，充分去除未化学接枝于织物表面的物质，清洗后置于60℃的鼓风烘箱中烘干，得产物(I)。

将产物(I)浸没于20mL去离子水中，加入稀HCl调节pH在2-3之间，其后依次加入10wt％的KH(0.01g，n(Si)＝0.04mmol)、20wt％的VA(0.02g，n(P)＝0.185mmol)、5 wt％的CDMA(0.005g)及0.3mg的过硫酸铵(APS)。使用三口烧瓶作为反应容器并置于磁力加热搅拌器中，加热至60℃反应6h。反应结束后，超声清洗10min改性后棉织物，并用去离子水淋洗，充分去除未反应的单体，清洗后置于60℃的鼓风烘箱中烘干，得到产物(II)。所制备的抗菌阻燃棉织物，即产物(II)与原棉织物相比，其最大热释放速率下降至原来的 55.9％，总热释放量下降至原材料的67.5％；根据GB_T 20944.3-2008中的震荡法进行抗菌性测试，结果显示改性后的棉纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率分别为100％和 99.7％，并根据FZ-T 73023-2006进行抗菌耐洗性测试，抗菌级别为AAA级。

Claims

1.一种抗菌阻燃纤维素，其特征在于，按重量份数，原料组分包括：纤维素1份、0.15-0.5份3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷KH、0.03-0.09份聚乙烯亚胺PEI、0.05-0.2份乙烯基膦酸VA、0.02-0.05份抗菌剂、0.001-0.003份引发剂；

其中所述抗菌阻燃纤维素由下列方法制备：

2.根据权利要求1所述纤维素，其特征在于，所述PEI的分子量大小为600。

3.根据权利要求1所述纤维素，其特征在于，所述抗菌剂为带有硅氧烷基团的抗菌剂或者带有双键的抗菌剂；引发剂为自由基聚合引发剂。

4.根据权利要求3所述纤维素，其特征在于，所述抗菌剂可以为N，N-二甲基-N-(3-(三甲氧基硅烷)丙基)十二烷-1-氯化铵CDMA、甲基丙烯酸酐改性的聚六亚甲基胍盐酸盐MAPHMG中的一种或几种；引发剂为过硫酸盐引发剂、过氧化氢引发剂、水溶偶氮引发剂中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述纤维素，其特征在于，所述纤维素1份、0.5份3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷KH、0.07份聚乙烯亚胺PEI、0.2份乙烯基膦酸VA、0.05份抗菌剂、0.003份引发剂。

6.一种抗菌阻燃纤维素的制备方法，包括：

7.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中KH的加入量为纤维素质量的10-40wt％。

8.一种基于权利要求1所述抗菌阻燃纤维素的面料。

9.一种权利要求1所述抗菌阻燃纤维素的应用。