抗菌纤维制备技术研究进展_谷思思.pdf

第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology抗菌纤维制备技术研究进展谷思思1 范瑞玲1 张玥1,2 张玉梅1,2（1.东华大学，上海，201620；2.纤维材料改性国家重点实验室，上海，201620）摘要：围绕抗菌纤维应该具有的广谱抗菌、抗菌效率高、抗菌耐久性好、对人体安全无害、应用场景广、对纤维的力学性能和外观颜色影响小等要求，针对抗菌纤维的应用特征和应用场景，概述了本征抗菌纤维和改性抗菌纤维的研究开发进展。从制备方法和抗菌机理两方面研究了抗菌纤维结构和性能的影响因素，总结了现有抗菌纤维普遍存在的抗菌耐久性和强度下降的原因，并展望了抗菌纤维未来的发展趋势。认为抗菌纤维应朝绿色环保、持久稳定和高附加值的方向发展。关键词：本征抗菌纤维；改性抗菌纤维；抗菌剂；抗菌机理；抗菌耐久性中图分类号：TS102.1 文献标志码：A 文章编号：1000-7415（2023）06-0073-07Research progress of antibacterial fiber preparation technologyGU Sisi1 FAN Ruiling1 ZHANG Yue1,2 ZHANG Yumei1,2（1.Donghua University，Shanghai，201620，China；2.State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials，Shanghai，201620，China）Abstract Based on the requirements that antibacterial fibers should have broader spectrum antibacterial，higher antibacterial efficiency，better antibacterial durability，safe and harmless to human body，wide application scenarios，little influence on mechanical properties and appearance color of fibers，aiming at the application characteristics and application scenarios of antibacterial fibers，the research and development progress of intrinsic antibacterial fibers and modified antibacterial fibers were summarized.Factors affecting structure and properties of antibacterial fibers were studied from aspects of preparation method and antibacterial mechanism.Reasons for the deterioration of antibacterial durability and strength were summarized，and the development trend of antibacterial fibers in the future was prospected.It is considered that antibacterial fiber should be developed in the direction of environmental protection，durable stability and high added value.Key Words intrinsic antibacterial fiber，modified antibacterial fiber，antibacterial agent，antibacterial mechanism，antibacterial durability随着卫生意识的加强和生活水平的提高，抗菌产品逐渐受到了人们的广泛关注。抗菌纤维是指具有杀灭微生物或者抑制微生物繁殖生长能力的纤维，普遍可以抗菌、防霉防臭，不仅可以防止纤维被微生物污染、损坏，还可以防止传播疾病，保证人们的生命安全与健康，改善生活环境。因此，抗菌纤维日益受到消费者的青睐，开发兼具耐洗涤、耐候性、舒适性、透气性的高附加值抗菌纤维已经是必然趋势，对发展高端应用纺织品至关重要。抗菌纤维品种繁多，通常可以分为两大类：一类是本身具有抗菌性的天然纤维或者利用本身具有抗菌性的纤维原料制备而成的纤维，可以称之为本征抗菌纤维；另一类是通过物理添加或化学反应的方法获得具有抗菌性的纤维，一般称之为改性抗菌纤维。本研究围绕抗菌纤维应该具有的广谱抗菌、抗菌效率高、抗菌耐久性好、对人体安全无害、应用场景广、对纤维的力学性能和外观颜色影响小等要求，概述了本征抗菌纤维和改性抗菌纤维的研究开发进展，从制备方法和抗菌机理两方面研究了抗菌纤维结构和性能的影响因素，并展望了抗菌纤维未来的发展趋势。科技进展基金项目：国家自然科学基金（51773032）作者简介：谷思思（2001），女；张玥，通信作者，副研究员，收稿日期：2022-12-23】【73第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology1 本征抗菌纤维本征抗菌纤维又称天然抗菌纤维，如麻纤维、竹原纤维等都具有抗菌性，另外还有利用这些天然纤维原料制备的再生纤维也有抗菌性，虽然严格来说不再是天然纤维，但也可归类在天然抗菌纤维中。除了上述两类，少量合成纤维也有抗菌性，如聚乳酸纤维。1.1麻纤维及麻浆纤维麻纤维是最早使用的天然纤维，其历史可以追溯到公元前 3 000 年。人类很早就发现了麻纤维的抗菌性能，在我国古代人们用麻布包裹房梁来防霉防蛀，古埃及人选用麻布包裹法老尸体来抑制细菌繁殖。麻纤维独特的孔腔结构使其内部富含氧气，起到抑制厌氧菌生长的效果，且表面有缝隙和沟槽，赋予麻纤维良好的吸湿性，破坏细菌的生长环境；并且麻纤维含有麻甾醇、鞣质等抗菌物质，能破坏细胞膜的结构和功能，干扰细胞的正常代谢。不同的麻纤维含有不同的抗菌物质，如苎麻中的丁宁、嘧啶、嘌呤，汉麻中的大麻酚类物质，罗布麻中的黄酮类化合物、甾体、蒽醌等。XU X 等1通过模拟罗布麻化学脱胶过程中抗菌物质的化学反应途径，研究发现麻纤维抗菌性能与水不溶性多酚衍生物存在密切相关，抗菌能力的顺序为黄酮衍生物多酚衍生物黄酮单宁。除了天然的麻纤维，麻浆纤维也具有良好的抗菌性，并且其产业化程度较高，河北吉藁化纤有限责任公司推出的圣麻纤维保留了天然的抑菌性；吉林化纤股份有限公司开发的莱麻纤维横截面呈锯齿形，纵向分布有沟壑，湿模量高，不易变形；恒天海龙股份有限公司研发的麻赛尔纤维具有类似原麻纤维的中空截面形状，保持了天然麻纤维的抑菌防霉、吸湿快干等特性。麻浆纤维的干态强度与普通粘胶纤维接近，而湿态强度高于竹原纤维和普通的粘胶纤维，兼具透气和吸湿的优点，主要应用在家纺、服饰、汽车内饰等产品。1.2竹原纤维及竹浆纤维关于竹原纤维的最早报道是 1864 年提出的专利，其公布了一种有效分解竹原纤维的过程，用于制造绳索、布、垫子或纸浆。2012 年 AFRIN T等2在水、二甲基亚砜（DMSO）和二氧六环中对澳大利亚毛竹进行提取，发现在 DMSO 中提取的半纤维素表现出抑菌作用，从二氧六环水溶液中得到的竹子提取物经过稀释后仍具有 100%的抑菌活性，表明毛竹的抗菌化合物主要存在于木质素中。事实上，竹原纤维的抗菌性能也来源于两方面：一是竹原纤维的特殊结构，其表面也有能吸收水分的细槽；二是竹原纤维中的一种阳性抗菌物质，称为“竹醌”，能破坏细菌的细胞壁，抑制细菌的生命活动。竹原纤维的天然抗菌物质较人工抗菌剂更安全，还具有防虫抗臭、耐紫外线和耐洗涤的功能，但是竹原纤维较粗硬、难处理、成本较高，目前很少作为抗菌纤维大量生产应用。从竹子中提取的纤维素溶解后纺丝制成的竹浆 纤 维 能 够 保 留 竹 原 纤 维 中 的 抗 菌 物 质，MISHRA R等3对比了竹浆纤维、棉、粘胶纤维和棉/竹浆共混物织物的抗菌和吸湿性能，结果表明：竹浆纤维织物比棉织物和粘胶纤维织物有更好的抗菌性能，且竹浆纤维的透湿率也高于棉织物。竹浆纤维具有良好的可纺性、抗菌性、透气性和吸湿性，制成的衣物穿着舒适，广泛应用于针织面料、毛巾、床上用品和卫生用品等领域，市面上的“竹原纤维”家纺产品大多为竹浆纤维。1.3壳聚糖纤维壳聚糖（CTS）由甲壳素经浓碱处理脱除乙酰基得到，主链由多个氨基葡萄糖单体通过 1，4糖苷键连接而成。1979 年 Allan 等报道了 CTS具有广谱抗菌性，1985年仓桥五男等报道了经湿法纺丝可制得 CTS 纤维，此后 CTS 抗菌纤维受到了广泛关注。到目前为止，CTS 纤维的抗菌机理尚不明确4，但可以肯定的是，CTS的抗菌性来源于聚阳离子，阳离子与带负电的微生物细胞表面相互作用或渗透到细胞内，与细胞体内阴离子结合，影响微生物正常繁殖生长。LI J 等5对 8 种市售 CTS 纤维的化学成分、表面形态、力学性能和抗菌性能进行了研究，随CTS 脱乙酰度（DD）提高，纤维抗菌活性先降低后升高；随 CTS 分子量（Mw）提高，对葡萄球菌的抗菌性先升高后降低，对大肠杆菌的抗菌性逐渐降低，当 DD 和 Mw分别为 95%和 1.2106 g/mol时，CTS纤维抗菌效果最好，抑菌率接近 99.9%。CTS 纤维还可以与其他纤维混纺或者进行物理或化学改性以得到更好的力学性能，但是生产成本会大幅增加6，目前工业化的主要是纯 CTS 纤维，研究主要集中在医用敷料、组织工程支架等，已 广 泛 用 于 医 用 抗 菌 材 料 如 医 用 纱 布、手 术服等7。】【74第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Cotton Textile Technology1.4海藻纤维海藻纤维是用海藻中提取的海藻酸盐（多为海藻酸钠）为原料，通过湿法纺丝制得的一种新型绿色纤维。在 1881 年，Stanford 从褐藻中分离出海藻酸；19121940 年，德国、日本和英国专利均报道了有关海藻纤维的研究，荷兰 Lodz化纤研究所首先推出了海藻长丝和短纤维产品。研究表明，海藻纤维的抗菌性可能来源于藻类中的岩藻黄质、岩藻胶、虾青质、类胡萝卜素、多酚、酚酸、黄酮类、单宁和皂苷等抗菌物质，这些化合物能抑制细菌的生长，但海藻纤维自身的抗菌性往往无法达到抗菌标准，且纤维本身机械强度较差，因此常采用共混纺丝法提高抗菌性能和机械性能。FAN L 等8以羟丙基壳聚糖（HPCS）和海藻酸盐为原料，以 CaCl2水溶液为凝固浴制备共混纤维，海藻酸盐和 HPCS 之间形成的氢键使体系具有良好的混溶性；当 HPCS 含量为 30%时，共混纤维的断裂强度达到最佳值，干态断裂强度为1.23 cN/dtex，湿态断裂强度为 0.25 cN/dtex，共混纤维的保湿性与 HPCS 含量呈正相关，保水值在 88%566%，用硝酸银水溶液处理后得到的抗菌纤维对金黄色葡萄球菌表现出良好的抗菌活性。海藻纤维还可以与棉纤维9、CTS纤维、PLA纤维10等混和，得到性能优良、可纺性好的混纺纤维。海藻纤维吸湿性、生物相容性良好，在医用敷料领域有广阔前景，但是很多研究都停留在实验室阶段，还未大量工业化。1.5聚乳酸纤维聚乳酸（PLA）纤维是采用玉米等淀粉原料发酵成乳酸，聚合得到线性脂肪族天然聚酯，然后采用熔融纺丝或溶液纺丝制得。1932年，美国杜邦公司首先开始了 PLA 的研究工作，日本尤尼吉卡公司经熔融纺丝制得了 PLA 纤维11。PLA 的单体乳酸具有良好的抗菌性，可以降低环境、细胞的 pH 值，扰乱细菌的生命活动，