高思?jí)簦?王鴻博， 杜金梅， 王文聰

(1. 江南大學(xué) 江蘇省功能紡織品工程技術(shù)研究中心， 江蘇 無(wú)錫 214122； 2. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無(wú)錫 214122； 3. 江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214122)

棉織物以吸濕性好、穿著舒適而受消費(fèi)者的歡迎，但纖維自身孔隙結(jié)構(gòu)易滋生細(xì)菌，對(duì)人體健康產(chǎn)生危害，因此抗菌棉織物的研究受到極大的關(guān)注。理想的抗菌棉織物[1-3]應(yīng)具有持久的廣譜抗菌性，不產(chǎn)生抗菌耐藥性，且所使用的抗菌劑來(lái)源廣泛、綠色環(huán)保[4-6]。甜菜堿是一種兩性離子化合物，具有較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、生物相容性[7]，無(wú)細(xì)胞毒性[8]，大分子組成中的陰離子和陽(yáng)離子基團(tuán)能夠抵抗細(xì)菌黏附，防止生物菌膜的形成，抑制細(xì)菌繁殖[9-10]，是一種良好的天然抗菌劑[11]。陳仕國(guó)等[8,12]率先開(kāi)展對(duì)甜菜堿抗菌織物的研究，將小分子甜菜堿通過(guò)硅氧烷或異氰酸酯偶聯(lián)在棉織物的表面，獲得了具有持久廣譜抗菌效果的棉織物，但由于小分子的甜菜堿易被細(xì)菌碎片覆蓋活性基團(tuán)表面，影響殺菌效果，最低抑菌濃度(MIC,80 μmol/mL)較大。本課題組開(kāi)發(fā)了基于磺酸甜菜堿單體的聚合物抗菌劑[13]用于織物抗菌整理，取得了較好的抗菌效果，但該甜菜堿聚合物大分子上羧基數(shù)量較多，致使整理后織物強(qiáng)力下降嚴(yán)重。因而有必要對(duì)聚合物大分子重新設(shè)計(jì)合成，以獲得抗菌效果好且持久的抗菌棉織物。

本文采用丙烯酰胺與甜菜堿制備磺基甜菜堿聚合物(PSPB-Am-AGE)抗菌劑，并將其應(yīng)用于棉織物的抗菌整理。采用活菌計(jì)數(shù)法測(cè)試了PSPB-Am-AGE廣譜抗菌性，利用正交試驗(yàn)研究了合成條件對(duì)PSPB-Am-AGE抗菌效果的影響，并利用紅外光譜對(duì)高效的PSPB-Am-AGE抗菌劑的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征和分析；最后采用振蕩法測(cè)試PSPB-Am-AGE整理后棉織物的抗菌效果和耐洗性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1.1 試驗(yàn)材料

試劑：二甲基胺(DMAA)，丙烯酰胺(Am)，烯丙基縮水甘油醚(AGE),均由上海阿拉丁試劑有限公司提供；1,3-丙磺內(nèi)酯(1,3-PS)、過(guò)硫酸銨(APS)、一水合次亞磷酸鈉(SHP)、四氫呋喃(THF)、無(wú)水乙醇、丙酮、營(yíng)養(yǎng)肉湯、瓊脂粉，均來(lái)自國(guó)藥集團(tuán)。

菌株：大腸桿菌(ATCC8739，E.coli)、金黃色葡萄球菌(ATCC6538，S.aureus)，由上海維塔化學(xué)試劑提供。

織物規(guī)格：精梳純棉平紋織物(14.5 tex，經(jīng)緯密分別為524、283根/(10 cm))，來(lái)自華紡股份有限公司。

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

UC152D型數(shù)顯加熱板磁力攪拌器(英國(guó)Stuart公司)、DZF-6050型真空干燥箱(上海博訊實(shí)業(yè)有限公司)、RV-10D-S73型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(德國(guó)IKA公司)、GT16-3型離心機(jī)(北京時(shí)代北利離心機(jī)有限公司)、NU-425-400S型生物安全柜(美國(guó)Nuaire公司)、BSP-250型生化培養(yǎng)箱(上海博訊實(shí)業(yè)有限公司)、BSD-YF2200型立式雙層精密搖床(上海博訊實(shí)業(yè)有限公司)、YXQ-LS-75G型立式壓力蒸汽滅菌鍋(上海博訊實(shí)業(yè)有限公司)、Nicolet is10型傅里葉紅外光譜儀(美國(guó)賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司)、su1510型掃描電子顯微鏡(日本日立株式會(huì)社)、SW-24E型耐洗色牢度試驗(yàn)機(jī)(溫州大榮紡織儀器廠)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 聚磺基甜菜堿抗菌劑的制備

制備甜菜堿單體(SPB)，具體實(shí)施方案見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。在溫度為60 ℃、氮?dú)猸h(huán)境中，向四氫呋喃中按物質(zhì)的量比為1∶1.2加入DMAA與1，3-PS；攪拌反應(yīng)6 h后，室溫冷卻，離心，乙醇提純，即得到SPB。稱(chēng)取一定量的SPB與Am、AGE按照一定比例投入帶有機(jī)械攪拌和冷凝回流的四口燒瓶，在氮?dú)夥諊?，一定溫度下，加入引發(fā)劑APS，反應(yīng)一段時(shí)間后，室溫冷卻，經(jīng)丙酮、乙醇反復(fù)提純，真空干燥得聚磺基甜菜堿抗菌劑(PSPB-Am-AGE)。

1.2.2 抗菌棉織物的制備

配制質(zhì)量濃度為45 g/L的聚磺酸甜菜堿抗菌水溶液。在溶液中加入一定量的SHP，攪拌均勻。將經(jīng)乙醇浸泡、去離子水洗滌的棉織物按照浴比為 1∶30 浸泡在整理液中，浸泡時(shí)間40 min， 80 ℃ 熱水浴，進(jìn)行二浸二軋。后轉(zhuǎn)至焙烘機(jī)，80 ℃，預(yù)烘 5 min； 160 ℃烘焙3 min后去離子水洗滌，晾干。

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 抗菌劑及織物紅外譜圖表征

采用KBr壓片法制備抗菌劑樣品，通過(guò)紅外譜圖分析其分子結(jié)構(gòu)。采用全反射的方法測(cè)定織物整理前后表面官能團(tuán)的變化。

1.3.2 織物的形貌觀察

為觀察抗菌織物的表面形態(tài)，在一定的放大倍數(shù)下，對(duì)經(jīng)聚磺酸甜菜堿抗菌劑整理前后的織物進(jìn)行掃描電子顯微鏡表征。

1.3.3 抗菌性能測(cè)試

PSPB-Am-AGE的抗菌活性測(cè)試(活菌計(jì)數(shù)法)：即配制一系列濃度梯度的PSPB-Am-AGE溶液，并混合等量的菌懸液，體外培養(yǎng)細(xì)菌 18～24 h 后，稀釋涂布平板，16～20 h后統(tǒng)計(jì)平板上菌落的存活數(shù)量，從而得到抑制培養(yǎng)基中細(xì)菌生長(zhǎng)的最低抑菌濃度(MIC)。

織物的抗菌性測(cè)試：參照 GB/T 20944.3—2008 《 紡織品 抗菌性能的評(píng)價(jià) 第3部分：振蕩法》，對(duì)抗菌織物的抗菌性能及耐洗滌性能進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗菌劑的合成及性能分析

2.1.1 PSPB-Am-AGE合成工藝優(yōu)化

采用正交試驗(yàn)法對(duì)聚合物PSPB-Am-AGE的合成工藝進(jìn)行優(yōu)化，考察溫度(T)、反應(yīng)時(shí)間(t)、甜菜堿與丙烯酰胺單體的量比(C)、引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)(D)4個(gè)影響因素。以合成產(chǎn)物對(duì)S.aureus與E.coli的抑菌率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選用L9(34)正交試驗(yàn)表安排試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果及極差分析見(jiàn)表2。

表1 PSPB-Am-AGE合成正交試驗(yàn)Tab.1 Designs of PSPB-Am-AGE synthetic orthogonal experiment

表2 PSPB-Am-AGE合成正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of orthogonal experiment

表2結(jié)果表明，以PSPB-Am-AGE對(duì)S.aureus的抑菌率為考察指標(biāo)時(shí)，合成工藝中各因素對(duì)抑菌率影響的大小為D>C>T>t，即合成工藝中引發(fā)劑的用量對(duì)抑菌率的影響最大，反應(yīng)時(shí)間對(duì)抑菌率的影響最??；在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，最佳條件為D3C3T2t2，即溫度70 ℃，甜菜堿與丙烯酰胺物質(zhì)的量比2∶1，引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，反應(yīng)時(shí)間5 h。而當(dāng)以聚合產(chǎn)物對(duì)E.coli的抑菌率為指標(biāo)時(shí)，各因素影響程度先后分為T(mén)>D>C>t，與對(duì)S.aureus的抑菌率影響程度相比較，引發(fā)劑用量對(duì)E.coli與S.aureus的影響都很顯著，反應(yīng)時(shí)間對(duì)二者的影響均最??；僅考慮對(duì)E.coli的抑菌率，最佳實(shí)驗(yàn)條件為T(mén)2D2C3t1，即溫度70 ℃，甜菜堿與丙烯酰胺物質(zhì)的量比2∶1，引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%，反應(yīng)時(shí)間4 h。綜合而言，依據(jù)主要因素采用較好水平，次要因素結(jié)合生產(chǎn)成本，以及考慮到各因素不同水平之間的差異，選擇PSPB-Am-AGE的生產(chǎn)工藝為：溫度70 ℃，甜菜堿與丙烯酰胺物質(zhì)的量比2∶1，引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，反應(yīng)時(shí)間4 h。

2.1.2 PSPB-Am-AGE抗菌活性分析

通過(guò)活菌計(jì)數(shù)法對(duì)合成的PSPB-Am-AGE的MIC進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖1、2所示。

圖1 不同質(zhì)量濃度PSPB-Am-AGE對(duì)應(yīng)的S.aureus的存活率Fig.1 Survivals of S.aureus corresponding to different concentrations of PSPB-Am-AGE

圖2 不同質(zhì)量濃度PSPB-Am-AGE對(duì)應(yīng)的E.coli的存活率Fig.2 Survivals of E.coli corresponding to different concentrations of PSPB-Am-AGE

在抗菌試驗(yàn)中，統(tǒng)計(jì)樣品中存活菌落個(gè)數(shù)得到存活率，利用存活率和抑菌率的關(guān)系得到樣品對(duì)應(yīng)的抑菌率。由圖1可知：隨著PSPB-Am-AGE質(zhì)量濃度的增大，其對(duì)應(yīng)的S.aureus的存活率逐漸減小；當(dāng)抗菌劑的質(zhì)量濃度大于2.25 g/L時(shí)，統(tǒng)計(jì)存活率≤10%，即抑菌率≥90%，樣品具有抗菌效果；當(dāng)抗菌劑的質(zhì)量濃度大于或等于2.625 g/L時(shí)，樣品具有良好的抗菌效果，抑菌率≥99%，所以，抗菌劑對(duì)S.aureus的MIC為2.625 g/L。

從圖2可以看到：隨著PSPB-Am-AGE質(zhì)量濃度的增大，其對(duì)應(yīng)的E.coli的存活率逐漸減??；直至抗菌劑質(zhì)量濃度增至2.625 g/L時(shí)，抑菌率開(kāi)始大于99%，即抗菌劑對(duì)E.coli的MIC為2.625 g/L。

對(duì)比PSPB-Am-AGE對(duì)S.aureus與E.coli的抑菌率可知，在同樣的質(zhì)量濃度下，抗菌劑對(duì)S.aureus的抑菌率比E.coli大，其原因在于E.coli為革蘭氏陰性菌，具有堅(jiān)硬的細(xì)胞壁，導(dǎo)致PSPB-Am-AGE較難滲透，故殺菌效果有差異。

2.1.3 抗菌劑的分子結(jié)構(gòu)分析

圖3 PSPB-Am-AGE的FT-IR譜圖Fig.3 Infrared spectra of PSPB-Am-AGE

2.2 織物接枝抗菌劑結(jié)果分析

通過(guò)全反射法對(duì)棉織物整理前后進(jìn)行紅外光譜測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。

圖4 PSPB-Am-AGE整理前后棉織物的FT-IR譜圖Fig.4 Infrared spectra of cotton fabric treated and untreated with PSPB-Am-AGE

2.3 織物表面形貌分析

為了解抗菌整理前后織物的表面形態(tài)，實(shí)驗(yàn)采用SEM進(jìn)行觀察。圖5示出織物經(jīng)PSPB-Am-AGE整理前后的掃描電鏡照片對(duì)比。與未整理前織物的表面形態(tài)相比較?？梢钥闯鼋?jīng)過(guò)抗菌整理過(guò)的織物表面存在有顆粒狀的粒子和薄層絮狀物，織物表面更加粗糙，比表面積增加，從而有利于殺死附著的微生物。

圖5 PSPB-Am-AGE整理前后棉織物的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of cotton fabric. (a) Untreated one(×2 500); (b) Treated with PSPB-Am-AGE(×1 800)

2.4 整理后織物的抗菌性能分析

采用2.1.1節(jié)所得最優(yōu)生產(chǎn)工藝制備抗菌劑PSPB-Am-AGE，并將其整理到棉織物上，測(cè)試洗滌30次前后棉織物的抗菌性能。

與未經(jīng)處理織物相比，整理后棉織物的平板活菌數(shù)大大減少，對(duì)E.coli與S.aureus的抑菌率分別為96.25%、99.79%；經(jīng)30次洗滌后抑菌率分別為95.04%、97.67%，遠(yuǎn)高于AAA級(jí)抗菌紡織品的抑菌率(對(duì)E.coli與S.aureus分別為70%、80%)，表明PSPB-Am-AGE整理后棉織物具有優(yōu)異的耐洗牢度。圖6為整理前織物和整理后織物的抗菌效果圖。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并采用自由基聚合的方法合成了聚磺酸甜菜堿抗菌劑，通過(guò)紅外光譜測(cè)試方法對(duì)其進(jìn)行表征，采用活菌計(jì)數(shù)法測(cè)試其對(duì)E.coli與S.aureus的最低抑菌濃度MIC。通過(guò)正交試驗(yàn)討論了PSPB-Am-AGE的最優(yōu)合成工藝，并且將該抗菌劑通過(guò)軋烘焙的工藝整理到棉織物上。采用振蕩法、平板計(jì)數(shù)測(cè)試整理棉織物的抗菌性、耐洗性。得到以下結(jié)論：

1)成功合成PSPB-Am-AGE抗菌劑，其對(duì)E.coli和S.aureus的MIC為2.625 g/L。

2)PSPB-Am-AGE 的最優(yōu)合成工藝為：溫度 70 ℃，甜菜堿與丙烯酰胺的量比2∶1，引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)間4 h。

3)PSPB-Am-AGE可接枝在棉織物。PSPB-Am-AGE整理棉織物對(duì)E.coli和S.aureus的抗菌率分別大于 96.25%，99.79%。經(jīng)過(guò)30次洗滌后仍達(dá)到95%以上。

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