一种远红外抗菌防螨抗病毒多功能纤维及床垫保护垫

技术领域

本发明属于功能纤维材料技术领域，具体涉及一种远红外抗菌防螨抗病毒多功能纤维及床垫保护垫。

背景技术

远红外纤维纺织品是指在常温下具有吸收和发射远红外线功能的纺织品，远红外纤维是近年来受到广泛关注并已投入生产使用的新型纤维，它是在纤维加工过程中添加了远红外吸收剂，如远红外陶瓷粉等而制得的，是一种积极高效的保温材料，同时辐射的远红外线还具有活化细胞组织、促进血液循环及抑菌防臭的功效。

抗菌防霉纤维是通过将抗菌材料与纤维材料复合制成，具有抗菌杀菌防霉功能，可防感染和传染。其常规制备方法有混入法和后处理法。混入法是将含银、铜、锌等元素的无机抗菌粉体材料混入聚酯、聚酰胺、聚丙烯腈等材料中进行纺丝而得；后处理法是将成型的纤维材料用季铵盐抗菌剂或脂肪酰亚胺等有机抗菌剂浸渍处理制得。

抗病毒纤维一般是通过抗病毒成分通过混入法或后处理法处理得到的功能纤维，而普遍采用的抗病毒成分为中药提取液抗病毒成分，其具有低成本、绿色环保和抗病毒效果好的优势。

在功能纤维制备过程中，普遍存在的技术问题是功能材料的添加对纤维强度及耐用性产生不利影响，通过改善其在纤维基体中的分散性可以降低这一缺陷。在本申请人的前期研究中，采用二氧化硅气凝胶微球对无机功能材料进行负载(CN114775095A)或采用多孔二氧化硅及硅烷偶联剂表面改性(CN114808172A)已取得较好的效果。然而，通过改善功能材料的分散性对提高纤维的强度及耐用性作用有限，在对强度及耐用性要求较高的产品，如床垫保护垫等产品，往往不能满足要求。

在我们前期的专利CN113652766B中，公开了一种复方消臭抗菌抗病毒多功能纤维的制备方法，以聚乙烯醇作为中药抗病毒成分和有机硅季铵盐抗菌剂的包覆剂，促进中药抗病毒成分和有机硅季铵盐抗菌剂在纤维基体中的混合分散；同时通过硅酸酯化合物的水解、缩合反应与聚乙烯醇形成互穿网络，进一步稳定中药抗病毒成分和有机硅季铵盐抗菌剂，并形成增强结构。将其引入到纤维基体中可以达到持久长效的消臭抗菌抗病毒效果并增强纤维强度。上述专利技术对改善功能纤维的强度及耐用性方面提供了一种可行的思路。但上述增强结构对于工艺控制的难度较大，产品稳定性还有待改善。因此，有必要开发一种易于添加和稳定控制的纤维增强材料。

硅橡胶因其具有优异的力学性能、耐热性、耐寒性和耐老化性能等得到了广泛的应用，但单纯的硅橡胶一般以不可改变的热固性弹性体形式存在，其刚性较低无法制备得到纳米级的粉体产品，且与纤维材料的相容性较差，具有强疏水疏油特性，其较难通过简单熔融混合或溶液混合的方式在纤维材料中形成良好分散并达到增强效果。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种远红外抗菌防螨抗病毒多功能纤维的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的远红外抗菌防螨抗病毒多功能纤维。

本发明的再一目的在于提供一种采用上述远红外抗菌防螨抗病毒多功能纤维制备的床垫保护垫。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种远红外抗菌防螨抗病毒多功能纤维的制备方法，包括如下制备步骤：

(1)阳离子改性硅橡胶增强粒子的制备：

将羟基硅油溶解于有机溶剂中，然后加入气相二氧化硅搅拌分散均匀，在50～80℃温度及常规湿度空气条件下(湿度35％～75％)加入氨基三甲氧基硅烷进行交联反应，然后加入2,3-环氧丙基三甲基氯化铵进行阳离子化反应，产物经真空干燥脱除有机溶剂，得到阳离子改性硅橡胶增强粒子；

(2)远红外抗菌防螨抗病毒多功能纳米粒子的制备：

将纳米远红外粉和纳米抗菌防螨粉加入到硅溶胶中搅拌混合均匀，然后加入硅烷偶联剂进行表面凝胶反应，120～200℃下真空干燥，粉碎，得到多孔二氧化硅及硅烷偶联剂表面改性的无机纳米粉体材料；然后加入到中药抗病毒提取液中进行吸附处理，冷冻干燥，得到远红外抗菌防螨抗病毒多功能纳米粒子；

(3)多功能纤维材料的制备：

将步骤(1)所得阳离子改性硅橡胶增强粒子、步骤(2)所得远红外抗菌防螨抗病毒多功能纳米粒子与纤维基体经混合纺丝；或将阳离子改性硅橡胶增强粒子、远红外抗菌防螨抗病毒多功能纳米粒子与纤维基体经混合制粒得到功能母粒，再将功能母粒与纤维基体经混合纺丝，得到远红外抗菌防螨抗病毒多功能纤维。

进一步地，步骤(1)中所述羟基硅油为粘度(25℃)为50～500cst的低分子量羟基硅油；所述有机溶剂为异丙醇、苯或甲苯。羟基硅油分子量过高会导致交联密度不够，反应活性降低，硅橡胶增强粒子之间产生黏连，无法得到分散性能良好的增强粒子。

进一步地，步骤(1)中所述气相二氧化硅的加入量为羟基硅油质量的5％～20％。本发明加入气相二氧化硅起到增强及成核的作用，并控制硅橡胶增强粒子的粒径，使其方便添加至纤维基体中并达到增强效果。

进一步地，步骤(1)中所述氨基三甲氧基硅烷选自氨丙基三甲氧基硅烷、氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷、二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷中的至少一种；氨基三甲氧基硅烷的加入量为羟基硅油质量的3％～12％。氨基三甲氧基硅烷的加入量过低会导致交联程度不够，硅橡胶增强粒子之间产生黏连，无法得到分散性能良好的增强粒子；氨基三甲氧基硅烷的加入量过高会导致成本增加。

进一步地，步骤(1)中所述2,3-环氧丙基三甲基氯化铵的加入量为氨基三甲氧基硅烷摩尔量的0.5～1倍。本发明利用氨基三甲氧基硅烷的氨基与2,3-环氧丙基三甲基氯化铵的开环反应进行阳离子化，2,3-环氧丙基三甲基氯化铵的加入量过高会导致过量单体难以除去，加入量过低会导致阳离子化程度不够，所得硅橡胶增强粒子的分散性及增强效果降低。

进一步地，步骤(2)中所述纳米远红外粉为远红外陶瓷粉、太极石粉、蛭石原矿石粉、麦饭石原矿石粉、纳米二氧化锆粉、纳米氧化锰粉中的至少一种；所述纳米抗菌防螨粉为氧化银粉、氧化镧粉、氧化锌粉、二氧化钛粉、氧化铜粉、氧化镁粉、碘化银粉中的至少一种。

进一步地，步骤(2)中所述硅溶胶的固含量为10％～30％，粒径为5～80nm。

进一步地，步骤(2)中所述纳米远红外粉和纳米抗菌防螨粉的总质量与硅溶胶的质量之比为1:1～4。

进一步地，步骤(2)中所述硅烷偶联剂是指含有羧基的硅烷偶联剂(如3-[3-羧基烯丙酰胺基]丙基三乙氧基硅烷)或含有氨基的硅烷偶联剂(如氨丙基三甲氧基硅烷、氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷、氨乙基氨丙基三乙氧基硅烷等)，通过上述含有活性基团的硅烷偶联剂进行表面改性后所得多孔材料对中药抗病毒活性成分的吸附效果更佳；所述硅烷偶联剂的加入量为硅溶胶质量的0.1％～5％。

进一步地，步骤(2)中所述中药抗病毒提取液包括艾草、板蓝根、蒲公英、金银花、野菊花、大青叶、穿心莲、黄芩、黄连、黄柏、柴胡、贯众、连翘、虎杖、射干、大黄、鱼腥草、香薷、佩兰、侧柏叶、黄精、五味子、牛蒡子、防风、紫苏、马鞭草、冬凌草、苦参、玄参、白英、地肤子、蛇莓、牛黄、紫草、广陈皮、霍香、薄荷中至少一种中药成分的提取液。

进一步地，步骤(2)中所述吸附处理在超声及真空搅拌条件下进行，吸附处理时间为0.5～4h。

进一步地，步骤(3)中所述纤维基体为聚酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚氨基甲酸酯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯、纤维素、醋酸纤维素、聚己内酯、聚羟基脂肪酸酯或聚丁二酸丁二醇酯。

进一步地，步骤(3)中所述混合纺丝包括熔融共混纺丝或溶液共混纺丝。

进一步地，步骤(3)中所述远红外抗菌防螨抗病毒多功能纤维中，阳离子改性硅橡胶增强粒子的加入量为纤维基体质量的1％～10％，远红外抗菌防螨抗病毒多功能纳米粒子的加入量为纤维基体质量的1％～15％；所述功能母粒中，阳离子改性硅橡胶增强粒子的加入量为纤维基体质量的5％～20％，远红外抗菌防螨抗病毒多功能纳米粒子的加入量为纤维基体质量的5％～30。

一种远红外抗菌防螨抗病毒多功能纤维，通过上述方法制备得到。

一种远红外抗菌防螨抗病毒多功能床垫保护垫，通过如下方法制备得到：

将上述远红外抗菌防螨抗病毒多功能纤维织造、复合，然后通过裥棉、超声波、刺绣、电脑绣花等工艺得到双面功能复合布，再按床垫尺寸复合成垫，得到所述远红外抗菌防螨抗病毒多功能床垫保护垫。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用特定方法制备得到的阳离子改性硅橡胶增强粒子对纤维基体进行增强，常规硅橡胶材料因刚性较低无法制备得到纳米级的产品，且与纤维材料的相容性较差，具有强疏水疏油特性，其较难通过简单熔融混合或溶液混合的方式在纤维材料中形成良好分散并达到增强效果。本发明以气相二氧化硅作为粒子成核剂和增强剂，通过特定交联及阳离子化反应可以得到纳米级的硅橡胶增强粒子，经验证可以显著提高纤维材料的力学性能和耐老化性能。

(2)本发明采用多孔二氧化硅及硅烷偶联剂表面改性的无机纳米粉体材料，改善其在纤维基体中的分散性，同时作为中药抗病毒提取液的吸附载体，能够赋予纤维材料相应的远红外、抗菌防螨、抗病毒等健康保健功效。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

以下实施例中所述的中药抗病毒提取液通过如下方法制备得到：

按质量份计，将30份板蓝根、20份蒲公英、20份金银花、10份野菊花、10份大青叶、10份穿心莲、5份广陈皮、5份霍香和5份薄荷加入到500份乙醇水溶液中煎煮，过滤取滤液浓缩并调节乙醇的体积分数为40％，得到中药抗病毒提取液。

实施例1

本实施例的一种远红外抗菌防螨抗病毒多功能聚酯纤维的制备方法，包括如下制备步骤：

(1)阳离子改性硅橡胶增强粒子的制备：

按重量份计，将100份粘度(25℃)为120cst的羟基硅油溶解于异丙醇中，然后加入10份气相二氧化硅搅拌分散均匀，将体系加热至65～75℃，加入6份氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷进行交联反应1.5h(反应在常规湿度空气条件下进行)，然后加入氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷摩尔量0.8倍的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵进行阳离子化反应3h，反应完成后将产物经真空干燥脱除溶剂，得到阳离子改性硅橡胶增强粒子。

(2)远红外抗菌防螨抗病毒多功能纳米粒子的制备：

按质量份计，将50份远红外陶瓷粉和50份纳米氧化银抗菌防螨粉加入到200份硅溶胶(固含量15％，粒径30～50nm)中搅拌混合均匀，然后加入4质量份3-[3-羧基烯丙酰胺基]丙基三乙氧基硅烷进行表面凝胶反应，150～160℃下真空干燥，粉碎至粒径小于1μm，得到多孔二氧化硅及表面改性的无机纳米粉体材料；然后加入到中药抗病毒提取液中(按质量份计，将30份艾草、30份板蓝根、10份蒲公英、10份金银花、10份野菊花、10份大青叶加入到500份乙醇水溶液中煎煮，过滤取滤液浓缩并调节乙醇的体积分数为40％，得到中药抗病毒提取液)，在超声及真空搅拌条件下进行吸附处理2h，过滤取固体物冷冻干燥，得到远红外抗菌防螨抗病毒多功能纳米粒子。

(3)多功能纤维材料的制备：

按质量份计，将步骤(1)所得阳离子改性硅橡胶增强粒子、10份步骤(2)所得远红外抗菌防螨抗病毒多功能纳米粒子与100份聚酯切片经挤出机熔融共混纺丝，得到远红外抗菌防螨抗病毒多功能聚酯纤维。

分别调整本实施例阳离子改性硅橡胶增强粒子的加入量为0份、1份、2份、4份、6份、8份、10份，测试所得聚酯纤维的力学强度(ISO5079-1995)和抗老化性能(AATCC186-2009，UV-A型荧光灯，辐照强度0.77W/m

表1

通过表1结果可见，通过在纤维基体中加入本发明的阳离子改性硅橡胶增强粒子，可以显著提高纤维材料的力学强度和抗老化性能，特别是对抗老化性能的提高尤为显著。

实施例2

本实施例的一种远红外抗菌防螨抗病毒多功能聚酯纤维的制备方法，包括如下制备步骤：

(1)阳离子改性硅橡胶增强粒子的制备：

按重量份计，将100份粘度(25℃)分别为50cst、100cst、200cst、500cst、1000cst的羟基硅油溶解于异丙醇中，然后加入10份气相二氧化硅搅拌分散均匀，将体系加热至65～75℃，加入6份氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷进行交联反应1.5h(反应在常规湿度空气条件下进行)，然后加入氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷摩尔量0.8倍的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵进行阳离子化反应3h，反应完成后将产物经真空干燥脱除溶剂，得到阳离子改性硅橡胶增强粒子。

(2)远红外抗菌防螨抗病毒多功能纳米粒子的制备同实施例1。

(3)多功能纤维材料的制备：

按质量份计，将8份步骤(1)所得阳离子改性硅橡胶增强粒子、10份步骤(2)所得远红外抗菌防螨抗病毒多功能纳米粒子与100份聚酯切片经挤出机熔融共混纺丝，得到远红外抗菌防螨抗病毒多功能聚酯纤维。

测试本实施例不同粘度羟基硅油所得硅橡胶增强粒子的形态及D90粒径，并测试所得多功能聚酯纤维的力学强度，结果如下表2所示。

表2

由表2结果可见，随着羟基硅油粘度(分子量)的增加，所得硅橡胶增强粒子的增强效果增强，但羟基硅油的粘度过高会导致反应活性降低、交联密度不够，硅橡胶增强粒子之间产生黏连结团，无法得到分散性能良好的增强粒子。

实施例3

本实施例的一种远红外抗菌防螨抗病毒多功能聚酯纤维的制备方法，包括如下制备步骤：

(1)阳离子改性硅橡胶增强粒子的制备：

按重量份计，将100份粘度(25℃)为120cst的羟基硅油溶解于异丙醇中，然后加入10份气相二氧化硅搅拌分散均匀，将体系加热至65～75℃，加入6份氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷进行交联反应1.5h(反应在常规湿度空气条件下进行)，然后分别加入氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷摩尔量0倍、0.3倍、0.5倍、0.6倍、0.7倍、0.9倍、1.0倍的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵进行阳离子化反应3h，反应完成后将产物经真空干燥脱除溶剂，得到阳离子改性硅橡胶增强粒子。

(2)远红外抗菌防螨抗病毒多功能纳米粒子的制备同实施例1。

(3)多功能纤维材料的制备：

按质量份计，将8份步骤(1)所得阳离子改性硅橡胶增强粒子、10份步骤(2)所得远红外抗菌防螨抗病毒多功能纳米粒子与100份聚酯切片经挤出机熔融共混纺丝，得到远红外抗菌防螨抗病毒多功能聚酯纤维。

测试本实施例不同阳离子化程度所得硅橡胶增强粒子的形态及D90粒径，并测试所得多功能聚酯纤维的力学强度，结果如下表3所示。

表3

由表3结果可见，阳离子化程度对所得硅橡胶增强粒子的粒径及增强效果影响显著，其原因在于阳离子化程度越高，硅橡胶增强粒子在制备成核过程中的静电斥力越大，粒子间的黏连结团程度降低，从而使得粒径降低，同时在与纤维材料共混纺丝的过程中降低团聚，最终改善其在纤维材料中的分散性能和达到更好的增强力学性能的效果。当不采用阳离子改性时，硅橡胶增强粒子的粒径增大，同时其对纤维材料的增强效果明显降低，其原因在于未采用阳离子改性的硅橡胶粒子与纤维基体材料的相容性较差，存在明显的团聚倾向，导致增强效果降低。

对比例1

本对比例与实施例1相比，采用氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷表面改性的气相二氧化硅替代阳离子改性硅橡胶增强粒子，具体制备步骤如下：

(1)表面改性气相二氧化硅增强粒子的制备：

按重量份计，将100份气相二氧化硅搅拌分散于异丙醇溶剂中，将体系加热至65～75℃，加入6份氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷进行表面改性反应1.5h(反应在常规湿度空气条件下进行)，反应完成后将产物经真空干燥脱除溶剂，得到表面改性气相二氧化硅增强粒子。

(2)远红外抗菌防螨抗病毒多功能纳米粒子的制备同实施例1。

(3)多功能纤维材料的制备：

按质量份计，将8份步骤(1)所得表面改性气相二氧化硅增强粒子、10份步骤(2)所得远红外抗菌防螨抗病毒多功能纳米粒子与100份聚酯切片经挤出机熔融共混纺丝，得到远红外抗菌防螨抗病毒多功能聚酯纤维。

对以上实施例1(以阳离子改性硅橡胶增强粒子的加入量为8份作为测试样)与对比例1所得多功能纤维进行远红外性能测试(CAS115-2005，保健功能纺织品)、抗菌性能测试(依照“GB/T20944.3-2008振荡法”；测试菌为金黄色葡萄球菌和大肠杆菌)、防螨效果测试(依据GB/T24253-2009，9.2抑制法；检测生物体为粉尘螨，培养时间7天；对照样为不经任何处理的100％棉织物，经高温蒸煮和蒸馏水洗涤后作为对照样)、抗病毒性能(ISO18184-2014，测试病毒冠状病毒Hcov-229E)、力学强度和抗老化性能测试，结果如下表4所示。

表4

通过表4结果可以看出，本发明所得多功能纤维材料具有良好的远红外、抗菌防螨、抗病毒等健康保健功效。通过与表面改性气相二氧化硅增强的纤维材料相比，本发明所得阳离子改性硅橡胶增强粒子对纤维材料的增强效果更为显著，特别是对纤维材料的抗老化性能提升效果尤为显著。

实施例4

本实施例的一种远红外抗菌防螨抗病毒多功能床垫保护垫，通过如下方法制备得到：

将远红外抗菌防螨抗病毒多功能纤维(按实施例1的制备方法，所述纤维基体包括聚酯、纤维素、醋酸纤维素、聚丙烯腈、聚氨基甲酸酯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯等)织造成布(有纺织布+无纺纺布)，然后通过双复合布制造工艺(包括但不限于裥棉，超声波，刺绣，电脑绣花……等)得到双面功能复合布，再按床垫尺寸复合成垫，得到所述远红外抗菌防螨抗病毒多功能床垫保护垫。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。