CN114134707A - 一种抗菌纱线的制备工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗菌纱线的制备工艺方法,涉及纱线加工技术领域,工艺方法如下:采用超声波处理,将预处理空心碳微球经正电荷功能化处理后负载于纱线的表面,再利用真空浸渍,将纳米二氧化钛以及负电荷功能化二氧化硅纳米颗粒嵌入至纱线表面即可;所述预处理空心碳微球采用异质成核合成路径获得空心碳微球,并进一步以尿素为氮源,经水热法制得;所述真空浸渍采用含有纳米二氧化钛以及负电荷功能化二氧化硅纳米颗粒的混合分散液对纱线进行浸渍。本发明中提供的工艺方法,减少了纱线后期洗涤过程中无机抗菌剂的流失,实现了纱线具有长期高效的抗菌效果。
Description
技术领域
本发明属于纱线加工技术领域,具体涉及一种抗菌纱线的制备工艺方法。
背景技术
通常所谓的“纱线”,其实是指“纱”和“线”的统称,在服装材料学中定义如下:“纱”是将许多短纤维或长丝排列成近似平行状态,并沿轴向旋转加捻,组成具有一定强力和线密度的细长物体;而“线”是由两根或两根以上的单纱捻合而成的股线。纱是棉、毛、麻、化学纤维等将纤维拉长加捻纺成的细缕(通常用作织布的原材料),再用棉、麻、丝、毛等细缕材料拈成的多股细缕,称之为线。
将抗菌剂与纺织纱线结合在一起,使得纱线具有抑制细菌生长繁殖的能力、或者杀灭细菌使其失去活性的能力,这样的纱线即为抗菌纱线。将抗菌纱线与不含抗菌剂的纱线按照一定的比例混合,即可得到抗菌面料。例如中国专利2020105004930公开了一种不显著降低纱线断裂强度的抗菌纱线的制备方法,具体制备方法包括:1)将聚合物基体树脂和粘结剂进行第一混合处理,得到聚合物基体树脂至少部分表面铺展粘结剂的混合物A;2)将无机抗菌剂加入所述混合物中A,进行第二混合处理,得到聚合物基体树脂至少部分表面铺展粘结剂和粘附无机抗菌剂的混合物B;3)将所述混合物B按照常规纱线制备工艺纺丝,制成表面和内部都均匀分散无机抗菌剂的抗菌纱线;该制备方法实现了无机抗菌剂在纤维聚合物中的均匀分散,能够以极少量的无机抗菌剂的添加实现纱线的稳定持久的抗菌性能,且无机抗菌剂粒子因添加量少而分散均匀,故抗菌纱线的断裂强度不会因无机抗菌剂的加入而显著降低;但是由于无机抗菌剂分散分布在纱线表面以及内部,其中抗菌剂分散在纱线内部时,会造成纱线抗菌效果的下降,而分散在纱线表面的无机抗菌剂在后期的长期洗涤过程中会不断流失,造成纱线抗菌效果的进一步下降。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的问题,提供了一种抗菌纱线的制备工艺方法,提高了无机抗菌剂在纱线表面的附着牢固度,从而减少后期洗涤过程中无机抗菌剂的流失,实现纱线的长期高效的抗菌效果。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种抗菌纱线的制备工艺方法,工艺方法如下:
采用超声波处理,将预处理空心碳微球经正电荷功能化处理后负载于纱线的表面,再利用真空浸渍,将纳米二氧化钛以及负电荷功能化二氧化硅纳米颗粒嵌入至纱线表面即可;
所述预处理空心碳微球采用异质成核合成路径获得空心碳微球,并进一步以尿素为氮源,经水热法制得;
所述真空浸渍采用含有纳米二氧化钛以及负电荷功能化二氧化硅纳米颗粒的混合分散液对纱线进行浸渍。
本发明的进一步技术方案,所述预处理空心碳微球的制备方法具体如下:
将正硅酸乙酯、间苯二酚以及福尔马林添加到由氨水溶液、去离子水以及乙醇组成的混合液中,在室温条件下进行搅拌,再加入正硅酸乙酯继续搅拌,备用,将上述混合液加入到高压釜中进行水热处理,待反应结束后进行炭化并通过氢氟酸刻蚀,将得到的产物加入到蒸馏水中,搅拌均匀后再加入尿素,继续搅拌,然后转移至高压釜中进行二次水热处理,即可得到预处理空心碳微球。
进一步,上述正硅酸乙酯、间苯二酚、福尔马林、氨水溶液、去离子水、乙醇的比例为14-23mL:2.0-2.6g:2.8-3.5mL:15-26mL:50-60mL:350-420mL。
进一步,上述第二次正硅酸乙酯用量与第一次正硅酸乙酯用量的比例为7.5-8.2mL:14-23mL。
进一步,上述水热处理的温度180-180℃,处理时间20-30h。
进一步,上述炭化在氩气气氛下进行,温度700-750℃,时间2-5h。
进一步,上述氢氟酸体积分数10-13%,刻蚀时间24-30h。
进一步,上述得到的产物与蒸馏水的比例为1g:600-700mL。
进一步,上述尿素的用量占上述得到的产物质量的13-18%。
进一步,上述二次水热处理的温度180-190℃,处理时间23-27h。
本发明中,采用异质成核合成路径制备了碗状结构的空心碳微球,形成的空心碳微球可以作为基体,为后续纳米二氧化钛的负载提供空间,并且进一步以尿素为氮源,通过对空心碳微球进行掺氮处理,提高了空心碳微球的表面化学活性,从而有利于提高后续超声波处理中,空心碳微球在纱线表面的负载率以及负载牢固度。
本发明的进一步技术方案,所述超声波处理中,超声频率为40-50KHz,处理时间10-30min。
本发明的进一步技术方案,所述正电荷功能化处理采用阳离子聚电解质对预处理空心碳微球进行修饰处理即可。
进一步,上述正电荷功能化处理的具体操作如下:
将预处理空心碳微球加入到阳离子聚电解质溶液中,超声分散均匀,在室温搅拌条件下逐滴加入到戊二醛水溶液中并继续搅拌,将得到的产物用蒸馏水冲洗至滤液清澈,经干燥后得到正电荷功能化预处理空心碳微球。
进一步,上述预处理空心碳微球与阳离子聚电解质溶液的比例为1:130-210g/mL。
进一步,上述戊二醛水溶液与阳离子聚电解质溶液的体积比为1:1.5-2.3。
进一步,上述戊二醛水溶液的体积分数为5-8%。
进一步,上述搅拌转速为200-300r/min,继续搅拌时间为20-40min。
本发明中,通过对预处理空心碳微球进行正电荷功能化处理,使得预处理空心碳微球表面携带大量正电荷,从而便于后续负电荷功能化二氧化硅纳米颗粒通过静电自组装负载于预处理空心碳微球上。
本发明的进一步技术方案,所述超声波处理中,通过将纱线浸入到含有正电荷功能化预处理空心碳微球的纳米分散液进行超声处理完成。
本发明的进一步技术方案,所述纳米分散液中的溶剂为去离子水,其浓度为20-30wt%。
本发明的进一步技术方案,所述真空浸渍的压强小于50Pa,浸渍20-50min,重复操作1-3次。
本发明的进一步技术方案,所述负电荷功能化二氧化硅采用自由基聚合反应,在二氧化硅纳米颗粒表面修饰负电荷聚合物层制得。
进一步,上述负电荷功能化二氧化硅的制备方法具体如下:
首先,利用亚氨基二乙酸以及甲基丙烯酸缩水甘油酯经加热搅拌反应得到甲基丙烯酸缩水甘油酯-亚氨基二乙酸单体,然后,向二甲基甲酰胺与去离子水的混合体系中依次加入表面溴化的二氧化硅纳米颗粒,甲基丙烯酸缩水甘油酯-亚氨基二乙酸单体、溴化铜、溴化亚铜和联二吡啶进行反应,再经透析以及冻干,即可得到负电荷功能化二氧化硅纳米颗粒。
进一步,上述亚氨基二乙酸以及甲基丙烯酸缩水甘油酯的比例为8-12g:10-15mL。
进一步,上述加热搅拌反应的温度70-75℃,转速200-300r/min,反应时间4-6h。
进一步,上述甲基丙烯酸缩水甘油酯-亚氨基二乙酸单体还进行了透析处理,透析采用去离子水进行,透析时间3-5d,每日换水2-3次。
进一步,上述表面溴化的二氧化硅纳米颗粒,利用2-溴异丁酰溴和三乙胺对二氧化硅纳米颗粒表面进行溴化处理获得。
进一步,上述二甲基甲酰胺与去离子水的混合体系中,二甲基甲酰胺与去离子水的体积比2:1.0-1.3。
进一步,上述表面溴化的二氧化硅纳米颗粒,甲基丙烯酸缩水甘油酯-亚氨基二乙酸单体、溴化铜、溴化亚铜、联二吡啶以及二甲基甲酰胺与去离子水的混合体系的比例为15-20g:10-15g:0.2-0.5g:0.05-0.08g:0.5-0.8g:100-150mL。
进一步,上述反应在25-28℃、200-260r/min和氮气保护条件下进行,反应5-8h。
进一步,上述透析采用去离子水进行,透析时间3-5d,每日换水2-3次。
进一步,上述冻干在-40--50℃下进行。
本发明的进一步技术方案,所述混合分散液中,纳米二氧化钛与负电荷功能化二氧化硅纳米颗粒的质量比为1:1.0-1.3。
本发明的进一步技术方案,所述混合分散液中溶剂为去离子水,其固含量为10-15%。
本发明相比现有技术具有以下优点:
本发明中,通过将纱线浸入到含有正电荷功能化预处理空心碳微球的纳米分散液进行超声处理,利用超声波的声压特性和空化效应,将正电荷功能化预处理空心碳微球负载于纱线表面,从而在纱线表面构建形成一层具有碗状空心结构正电荷功能化预处理空心碳微球包覆层,形成的包覆层作为沉积基体,为后续纳米二氧化钛的负载提供空间,然后再通过真空浸渍处理,将纳米二氧化钛以及负电荷功能化二氧化硅纳米颗粒同时嵌入到包覆层的碗状空隙中,由于纳米二氧化钛不带电荷,而二氧化硅颗粒带负电荷,因此在真空浸渍过程中,负电荷功能化二氧化硅纳米颗粒通过静电自组装会附着在正电荷功能化预处理空心碳微球上,形成隔断层,从而将纳米二氧化钛限固在正电荷功能化预处理空心碳微球的碗状空心空间中,从而在正电荷功能化预处理空心碳微球的碗状空心空间中形成多层的纳米二氧化钛层,并且通过多次的真空浸渍处理,可以提升纳米二氧化钛在正电荷功能化预处理空心碳微球的碗状空心空间中的负载深度,提高正电荷功能化预处理空心碳微球的碗状空心空间中纳米二氧化钛的负载量,从而实现纱线表面无机抗菌剂纳米二氧化钛的负载量以及负载牢固度,从而使得纱线具有长期高效的抗菌性能。
具体实施方式
实施例1
一种抗菌纱线的制备工艺方法,具体工艺方法如下:
S1、采用阳离子聚电解质PEI对预处理空心碳微球进行修饰处理;
1)将14mL正硅酸乙酯、2.0g间苯二酚以及2.8mL福尔马林添加到由15mL氨水溶液、50mL去离子水以及350mL乙醇组成的混合液中,在室温条件下,将混合液以150r/min搅拌6h,加入7.5mL正硅酸乙酯继续搅拌20h,备用,将上述混合液加入到高压釜中,在180℃下进行23h水热处理,待反应结束后,在700℃的氩气气氛下炭化2h并通过体积分数为10%的氢氟酸刻蚀24h,去除二氧化硅,将得到的产物按照比例为1g:600mL加入到蒸馏水中,以50r/min搅拌1h,再加入占上述产物质量13%的尿素,继续搅拌30min,然后转移至高压釜中,在180℃下水热处理23h,得到预处理空心碳微球;
2)按照质量体积比为1:130g/mL,将预处理空心碳微球加入到聚乙烯亚胺溶液中,以200W超声分散20min,然后按照戊二醛水溶液与聚乙烯亚胺溶液的体积比为1:1.5,在室温200r/min搅拌条件下逐滴加入到体积分数为5%的戊二醛水溶液中,继续搅拌20min,将得到的产物用蒸馏水冲洗至滤液清澈,经干燥后得到PEI修饰预处理空心碳微球;
S2、二氧化硅纳米颗粒进行负电荷功能化处理;
1)称取8g亚氨基二乙酸溶解于100mL去离子水中,充分溶解后加入10mL甲基丙烯酸缩水甘油酯,充分搅拌均匀后,在70℃和200r/min条件下反应4h,反应后用去离子透析3d,每日换水2次,将未反应的小分子去除,得到甲基丙烯酸缩水甘油酯-亚氨基二乙酸单体;
2)称取12g二氧化硅纳米颗粒,加入到250mL正己烷中,充分搅拌后,加入10mL2-溴异丁酰溴和12mL三乙胺,充分混合均匀后,在25℃和200r/min条件下反应23h,得到表面溴化的二氧化硅纳米颗粒,再按照体积比2:1.0,配制100mL二甲基甲酰胺与去离子水的混合体系,向其中不断冲入高纯氮气,排除体系内残余氧气,向该体系中依次加入15g表面溴化的二氧化硅纳米颗粒,10g甲基丙烯酸缩水甘油酯-亚氨基二乙酸单体、0.2g溴化铜、0.05g溴化亚铜和0.5g联二吡啶,充分混合后,在25℃、200r/min和氮气保护条件下,反应5h,反应后用去离子水对反应液进行透析,透析3d,每日换水2次,净化后的反应液在-40℃条件下冻干,得到负电荷功能化二氧化硅纳米颗粒;
S3、纱线进行超声波预处理;
将PEI修饰预处理空心碳微球超声分散于去离子水,得到浓度为20wt%的纳米分散液,将纱线浸入到清水中,在超声波频率为40KHz条件下清洗20min,清洗结束后取出,放入预先加热到120℃烘箱中烘干10min,将烘干后的纱线浸入到纳米分散液中,在超声波频率为40KHz条件下超声处理10min,取出后放入60℃烘箱中烘干,得到预处理纱线;
S4、将预处理纱线进入到含有纳米二氧化钛以及负电荷功能化二氧化硅纳米颗粒的混合分散液中,进行真空浸渍;
1)先将钛酸异丙酯和草酸按体积比4:1混合,得到混合溶液A,再加入乙醇,预混合溶液和乙醇的体积比为1:1.2,以100r/min搅拌30min后再经200W超声处理10min,得到钛盐混合溶液,将乙醇和去离子水按体积比90:10混合,得到混合溶液B,并调控混合溶液B的pH至1,得到混合溶剂,将钛盐混合溶液滴加到的混合溶剂中,钛盐混合溶液和混合溶剂的体积比为1:6,搅拌1h,然后在60℃下,继续搅拌反应20h,得到乳白色溶液,通过离心分离,然后按照质量比为1:1,与负电荷功能化二氧化硅纳米颗粒混合后再加入去离子水分散,得到固含量为10%的混合分散液;
2)将预处理纱线浸入到混合分散液中,移至真空室中,抽真空至压强小于50Pa,浸渍20min,浸渍结束后匀速泄压2h至常压,重复浸渍2次,将浸渍后的纱线烘干,即可得到所需的抗菌纱线。
实施例2
一种抗菌纱线的制备工艺方法,具体工艺方法如下:
S1、采用阳离子聚电解质PEI对预处理空心碳微球进行修饰处理
1)将23mL正硅酸乙酯、2.6g间苯二酚以及3.5mL福尔马林添加到由26mL氨水溶液、60mL去离子水以及420mL乙醇组成的混合液中,在室温条件下,将混合液以230r/min搅拌10h,加入8.2mL正硅酸乙酯继续搅拌30h,备用,将上述混合液加入到高压釜中,在190℃下进行28h水热处理,待反应结束后,在750℃的氩气气氛下炭化5h并通过体积分数为13%的氢氟酸刻蚀30h,去除二氧化硅,将得到的产物按照比例为1g:700mL加入到蒸馏水中,以120r/min搅拌3h,再加入占上述产物质量18%的尿素,继续搅拌50min,然后转移至高压釜中,在190℃下水热处理27h,得到预处理空心碳微球;
2)按照质量体积比为1:210g/mL,将预处理空心碳微球加入到聚乙烯亚胺溶液中,以500W超声分散40min,然后按照戊二醛水溶液与聚乙烯亚胺溶液的体积比为1:2.3,在室温300r/min搅拌条件下逐滴加入到体积分数为8%的戊二醛水溶液中,继续搅拌40min,将得到的产物用蒸馏水冲洗至滤液清澈,经干燥后得到PEI修饰预处理空心碳微球;
S2、负电荷功能化二氧化硅纳米颗粒
1)称取12g亚氨基二乙酸溶解于150mL去离子水中,充分溶解后加入15mL甲基丙烯酸缩水甘油酯,充分搅拌均匀后,在75℃和300r/min条件下反应6h,反应后用去离子透析5d,每日换水3次,将未反应的小分子去除,得到甲基丙烯酸缩水甘油酯-亚氨基二乙酸单体;
2)称取18g二氧化硅纳米颗粒,加入到300mL正己烷中,充分搅拌后,加入15mL2-溴异丁酰溴和18mL三乙胺,充分混合均匀后,在28℃和260r/min条件下反应28h,得到表面溴化的二氧化硅纳米颗粒,再按照体积比2:1.3,配制150mL二甲基甲酰胺与去离子水的混合体系,向其中不断冲入高纯氮气,排除体系内残余氧气,向该体系中依次加入20g表面溴化的二氧化硅纳米颗粒,15g甲基丙烯酸缩水甘油酯-亚氨基二乙酸单体、0.5g溴化铜、0.08g溴化亚铜和0.8g联二吡啶,充分混合后,在28℃、260r/min和氮气保护条件下,反应8h,反应后用去离子水对反应液进行透析,透析5d,每日换水3次,净化后的反应液在-50℃条件下冻干,得到负电荷功能化二氧化硅纳米颗粒;
S3、纱线进行超声波预处理
将PEI修饰预处理空心碳微球超声分散于去离子水,得到浓度为30wt%的纳米分散液,将纱线浸入到清水中,在超声波频率为50KHz条件下清洗30min,清洗结束后取出,放入预先加热到140℃烘箱中烘干20min,将烘干后的纱线浸入到纳米分散液中,在超声波频率为50KHz条件下超声处理30min,取出后放入80℃烘箱中烘干,得到预处理纱线;
S4、将预处理纱线进入到含有纳米二氧化钛以及负电荷功能化二氧化硅纳米颗粒的混合分散液中,进行真空浸渍
1)先将钛酸异丙酯和草酸按体积比4:1.5混合,得到混合溶液A,再加入乙醇,预混合溶液和乙醇的体积比为1:1.8,以180r/min搅拌50min后再经300W超声处理20min,得到钛盐混合溶液,将乙醇和去离子水按体积比93:7混合,得到混合溶液B,并调控混合溶液B的pH至2,得到混合溶剂,将钛盐混合溶液滴加到的混合溶剂中,钛盐混合溶液和混合溶剂的体积比为1:7,搅拌2h,然后在80℃下,继续搅拌反应30h,得到乳白色溶液,通过离心分离,然后按照质量比为1:1.3,与负电荷功能化二氧化硅纳米颗粒混合后再加入去离子水分散,得到固含量为15%的混合分散液;
2)将预处理纱线浸入到混合分散液中,移至真空室中,抽真空至压强小于50Pa,浸渍50min,浸渍结束后匀速泄压6h至常压,重复浸渍3次,将浸渍后的纱线烘干,即可得到所需的抗菌纱线。
对照组:
通过溶胶凝胶法使纳米二氧化钛原位生长在纱线上,从而获得抗菌纱线,该技术方案属于现有技术,不做详细说明。
测试实验1:
将实施例1提供的抗菌纱线(棉纱线),按照常规的面料生产工艺,制备重150g/m2的面料,其中,测试组1中,抗菌纱线与普通棉纱线的绝干质量比为100:0,即该面料100%用抗菌纱线;测试组2中,抗菌纱线与普通棉纱线的绝干质量比为50:50,即该面料50%用抗菌纱线;测试组3中,抗菌纱线与普通棉纱线的绝干质量比为25:75,即该面料25%用抗菌纱线;按照国家标准GB/T20944.2-2007纺织品抗菌性能的评价第2部分:吸收法,测试该面料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率,结果如下:
抗菌纱线质量比% | 大肠杆菌抗菌率% | 金黄色葡萄球菌抗菌率% | |
测试组1 | 100 | >99.6 | >99.6 |
测试组2 | 50 | >99.6 | >99.6 |
测试组3 | 25 | >99.6 | >99.6 |
采用上述同样的测试方法,使用实施例2提供的抗菌纱线(棉纱线)进行测试,得到的结果与实施例1中抗菌纱线的结果相同。
测试实验2:将实施例1-2以及对照组的抗菌纱线(棉纱线),制成抗菌纱线用量为25%和30%的两款抗菌面料,经过洗涤100次后,按照日本标准JISL1902:2015生物菌液吸收法,测试洗涤前后,面料对金黄色葡萄球菌和肺炎杆菌的抗菌活性值,结果如下:
判断标准:抗菌活性值≥2.0时,表明抗菌面料具有优异的抗菌性能。从上表可以看出,实施例1-2以及对照组中的抗菌面料在水洗50次后都具有一定的抗菌性能,但是相比较实施例1-2,对照组中的抗菌活性值下降显著,在经过多次水洗后,抗菌性能有着明显的下降趋势,而实施例1-2中的抗菌面料,抗菌活性值下降不明显,在经过多次水洗后,依然可以保持长期高效的抗菌性能。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何不经过创造性劳动想到的变换或替换,都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种抗菌纱线的制备工艺方法,其特征在于,工艺方法如下:
采用超声波处理,将预处理空心碳微球经正电荷功能化处理后负载于纱线的表面,再利用真空浸渍,将纳米二氧化钛以及负电荷功能化二氧化硅纳米颗粒嵌入至纱线表面即可;
所述预处理空心碳微球采用异质成核合成路径获得空心碳微球,并进一步以尿素为氮源,经水热法制得;
所述真空浸渍采用含有纳米二氧化钛以及负电荷功能化二氧化硅纳米颗粒的混合分散液对纱线进行浸渍。
2.如权利要求1所述一种抗菌纱线的制备工艺方法,其特征在于,所述超声波处理中,超声频率为40-50KHz,处理时间10-30min。
3.如权利要求1所述一种抗菌纱线的制备工艺方法,其特征在于,所述正电荷功能化处理采用阳离子聚电解质对预处理空心碳微球进行修饰处理即可。
4.如权利要求1所述一种抗菌纱线的制备工艺方法,其特征在于,所述超声波处理中,通过将纱线浸入到含有正电荷功能化预处理空心碳微球的纳米分散液进行超声处理完成。
5.如权利要求4所述一种抗菌纱线的制备工艺方法,其特征在于,所述纳米分散液中的溶剂为去离子水,其浓度为20-30wt%。
6.如权利要求1所述一种抗菌纱线的制备工艺方法,其特征在于,所述真空浸渍的压强小于50Pa,浸渍20-50min,重复操作1-3次。
7.如权利要求1所述一种抗菌纱线的制备工艺方法,其特征在于,所述负电荷功能化二氧化硅采用自由基聚合反应,在二氧化硅纳米颗粒表面修饰负电荷聚合物层制得。
8.如权利要求1所述一种抗菌纱线的制备工艺方法,其特征在于,所述混合分散液中,纳米二氧化钛与负电荷功能化二氧化硅纳米颗粒的质量比为1:1.0-1.3。
9.如权利要求1所述一种抗菌纱线的制备工艺方法,其特征在于,所述混合分散液中溶剂为去离子水,其固含量为10-15%。
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