一种抗菌包芯纱线及其制备方法

技术领域

本发明属于包芯纱技术领域，具体涉及一种抗菌包芯纱线及其制备方法。

背景技术

包芯纱线，俗称包芯纱，是以一种纤维为芯纱，另一种纤维为皮纱将其包覆起来的纱线，相比于污染较大且耐久性差的织物抗菌后整理技术，静电纺丝包芯纱线技术可以在传统纺纱过程中将搭载抗菌功能的亚微米纤维包覆于纱线表面并进行后道加工，相较于静电防纯纱，静电包芯纱既具备芯纱的机械性能，满足上机制造要求，又具备亚微米纤维超尺度带来的表面效应和丰富的物化性能，但是目前静电纺丝包芯纱线的容易滋生细菌，对人体造成危害，大都通过对成品进行抗菌涂层整理赋予其抗菌性能，该方法虽然效率高、短时间内抗菌性能良好，但是涂层与纱线成品之间的结合力较弱，几次洗涤之后因涂层脱落，丧失抗菌性能，因此，有必要提供一种耐洗涤的抗菌包芯纱线及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗菌包芯纱线及其制备方法，以解决现有包芯纱线抗菌性能耐洗涤性差的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种抗菌包芯纱线的制备方法，包括以下步骤：

第一步、将聚氨酯颗粒、四氢呋喃和N,N-二甲基甲酰胺混合，温度50℃下，转速250r/min搅拌24h，之后加入氧化石墨烯基抗菌剂，继续搅拌0.5-1h，得到抗菌纺丝液；

第二步、将粘胶短纤维按开棉工序制备粘胶棉卷，将粘胶棉卷梳理得到粘胶棉网并置于棉网输送装置上，将抗菌纺丝液静电纺丝得到抗菌纳米纤维，将所得抗菌纳米纤维喷射到粘胶棉网上，使抗菌纳米纤维沉积到粘胶棉网上，经喇叭口集束，得到粘胶生条，将粘胶生条经二道并条后喂入喷气涡流纺纱机中，锦纶长丝经过导丝装置从第一罗拉和第二罗拉的隔间距喂入，涡流纺纱，得到抗菌包芯纱线。

进一步地，第一步中聚氨酯颗粒、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺和氧化石墨烯基抗菌剂的用量比为8-15g：42.5-46mL：42.5-46mL：2-6g。

进一步地，第二步中锦纶长丝的细度为50-150D，长丝喂入比为0.95-1.01，粘胶棉网和抗菌纳米纤维质量比为1：1-3，粘胶生条和锦纶长丝的质量比为4：1。

进一步地，抗菌包芯纱线的芯丝为锦纶长丝，外包纤维为粘胶纤维和抗菌纳米纤维。

进一步地，氧化石墨烯基抗菌剂通过以下步骤制成：

将石墨烯-席夫碱配体分散于无水乙醇中，加入氯化铜的水溶液，于温度50-70℃下反应8-12h，反应结束后冷却至室温，抽滤，滤饼用去离子水洗涤至洗涤液无氯离子，60℃下干燥至恒重，得到氧化石墨烯基抗菌剂，石墨烯-席夫碱配体、无水乙醇和氯化铜的用量比为5g：50-100mL：1.8-2.5g，氯化铜的水溶液由氯化铜和去离子水按照1g：5-10mL组成，以石墨烯-席夫碱配体和氯化铜为原料，利用席夫碱与铜离子之间的配位反应，得到氧化石墨烯基抗菌剂。

进一步地，石墨烯-席夫碱配体通过以下步骤制成：

步骤S1、将氨基化氧化石墨烯和无水甲醇加入三口烧瓶中，搅拌下滴加4-氨基苯甲醛的无水甲醇溶液，滴加结束后，氮气氛围下，60℃搅拌反应4-6h，反应结束后，抽滤，滤饼用去离子水洗涤后置于60℃真空干燥箱中干燥12h，得到中间产物；

步骤S2、将4-羧丁基三苯基溴化膦和DMSO加入烧瓶中，室温下搅拌10-20min后，加入EDC·HCl和NHS，搅拌0.5h后加入中间产物，室温下搅拌反应24h，反应结束后，抽滤，滤饼用去离子水洗涤后置于60℃真空干燥箱中干燥12h，得到石墨烯-席夫碱配体。

以氨基化氧化石墨烯和4-氨基苯甲醛为原料，通过氨基与醛基之间的缩合反应，得到含有席夫碱结构和丰富氨基的中间产物，之后利用中间产物的氨基和4-羧丁基三苯基溴化膦的羧基通过酰胺反应进入季磷盐结构，得到石墨烯-席夫碱配体。

进一步地，步骤S1中氨基化氧化石墨烯和4-氨基苯甲醛的质量比为4：1-1.5。

进一步地，步骤S2中4-羧丁基三苯基溴化膦、DMSO、EDC·HCl、NHS和中间产物的用量比为5g：100mL：0.96g：0.56g：2.7-3.5g，EDC·HCl为1-乙基-(3-二甲基氨基)碳化二亚胺盐酸盐，NHS为N-羟基丁二酰亚胺。

进一步地，氨基化氧化石墨烯通过以下步骤制成：

将氧化石墨烯分散在DMF中，超声1h后加入硅烷偶联剂KH-550和去离子水，温度60-80℃，搅拌反应0.5-1h，冷却至室温后过滤，滤饼用无水乙醇洗涤后置于真空烘箱中60℃下干燥至恒重，得到氨基化氧化石墨烯，氧化石墨烯、DMF、硅烷偶联剂KH-550和去离子水的用量比为0.1g：100mL：0.1-0.2g：5-10mL，利用硅烷偶联剂KH-550修饰氧化石墨烯，在氧化石墨烯表面同时引入丰富的氨基和硅氧硅结构。

进一步地，粘胶棉卷长度为30-32m，定量为260-300g/m。

进一步地，静电纺丝工艺的参数为：纺丝温度20-25℃，相对湿度为30-60％，电压为16-21kV，接收距离为15-20cm。

进一步地，粘胶生条经二道工序采用6根粘胶生条并合。

进一步地，涡流纺纱的工艺参数为：总牵伸倍数为120-260倍，主牵伸倍速为21-35倍。

进一步地，一种抗菌包芯纱线，通过上述制备方法制得。

本发明的有益效果：

本发明提供一种抗菌包芯纱线及其制备方法，以锦纶长丝为芯丝，粘胶纤维和抗菌纳米纤维为外包纤维，通过涡流纺纱得到，具有优良的物理力学性能和抗菌性能，其中抗菌性能主要体现于抗菌纳米纤维，抗菌纳米纤维是以聚氨酯颗粒为主料、氧化石墨烯基抗菌剂为添加剂通过静电纺丝得到，氧化石墨烯基抗菌剂表面含有有机修饰物和酰胺基团，与聚氨酯相容性高在纺丝液中分散性好，且氧化石墨烯抗菌剂中含有铜离子和季磷盐结构，铜离子通过席夫碱配位作用负载于氧化石墨烯表面，季磷盐结构通过化学键连负载氧化石墨烯表面，均具有较高的稳定性，铜离子通过杀菌菌体、破坏细胞膜、抑制细菌蛋白质合成等途径进行灭菌，季磷盐具有高效、广谱杀菌效果，结合氧化石墨烯对细菌的抗菌作用，使获得的抗菌纳米纤维具有稳定且高效的抗菌性能；

此外，在燃烧过程中，氧化石墨烯基抗菌剂与聚氨酯之间具有较强的界面粘富力，可以形成致密炭层，抑制挥发物扩散至火焰中，有效保护聚合物链，减少氧和热的影响，且氧化石墨烯基抗菌剂含有N、P、S i阻燃元素，能够发挥阻燃协同效应进一步地提高纤维的阻燃性，更为突出的是，铜离子能够在凝聚相中催化纤维成炭，铜离子也可以生成氧化物协助补强炭层，进一步提高纤维的阻燃性能，且相比于采用现有有机或无机阻燃剂而言，所得纤维耐洗涤性能更好；

综上，本发明获得抗菌包芯纱不仅具有良好的力学性能、抗菌性能，还具有较高的阻燃性能。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下述实施例和对比例所用聚氨酯颗粒，硬度90，分子量20万，购买于东莞市黄江盛邦塑料原料公司；粘胶短纤维购买于南宫市鹰月绒毛有限公司，长度5mm，其他原料及设备均为普通市售。

实施例1

一种氧化石墨烯基抗菌剂，通过以下步骤制成：

将5g石墨烯-席夫碱配体分散于50mL无水乙醇中，加入由1.8g氯化铜和9mL去离子水组成的溶液，于温度50℃下反应8h，冷却至室温，抽滤，滤饼用去离子水洗涤至洗涤液无氯离子，60℃下干燥至恒重，得到氧化石墨烯基抗菌剂。

石墨烯-席夫碱配体通过以下步骤制成：

步骤S1、将4g氨基化氧化石墨烯和40mL无水甲醇加入三口烧瓶中，搅拌下滴加由1g 4-氨基苯甲醛和10mL无水甲醇组成的溶液，滴加结束后，氮气氛围下，60℃搅拌反应4h，抽滤，滤饼用去离子水洗涤后置于60℃真空干燥箱中干燥12h，得到中间产物；

步骤S2、将5g 4-羧丁基三苯基溴化膦和100mL DMSO加入烧瓶中，室温下搅拌10min后，加入0.96g EDC·HCl和0.56g NHS，搅拌0.5h后加入2.7g中间产物，室温下搅拌反应24h，抽滤，滤饼用去离子水洗涤后置于60℃真空干燥箱中干燥12h，得到石墨烯-席夫碱配体。

氨基化氧化石墨烯通过以下步骤制成：

将0.1g氧化石墨烯分散在100mL DMF中，超声1h后加入0.1g硅烷偶联剂KH-550和5mL去离子水，温度60℃，搅拌反应0.5h，冷却至室温后过滤，滤饼用无水乙醇洗涤后置于真空烘箱中60℃下干燥至恒重，得到氨基化氧化石墨烯。

实施例2

一种氧化石墨烯基抗菌剂，通过以下步骤制成：

将5g石墨烯-席夫碱配体分散于100mL无水乙醇中，加入由2.5g氯化铜和25mL去离子水组成的溶液，于温度70℃下反应12h，反应结束后冷却至室温，抽滤，滤饼用去离子水洗涤至洗涤液无氯离子，60℃下干燥至恒重，得到氧化石墨烯基抗菌剂。

石墨烯-席夫碱配体通过以下步骤制成：

步骤S1、将4g氨基化氧化石墨烯和60mL无水甲醇加入三口烧瓶中，搅拌下滴加由1.5g 4-氨基苯甲醛和20mL无水甲醇组成的溶液，滴加结束后，氮气氛围下，60℃搅拌反应6h，抽滤，滤饼用去离子水洗涤后置于60℃真空干燥箱中干燥12h，得到中间产物；

步骤S2、将5g 4-羧丁基三苯基溴化膦和100mL DMSO加入烧瓶中，室温下搅拌20min后，加入0.96g EDC·HCl和0.56g NHS，搅拌0.5h后加入3.5g中间产物，室温下搅拌反应24h，抽滤，滤饼用去离子水洗涤后置于60℃真空干燥箱中干燥12h，得到石墨烯-席夫碱配体。

氨基化氧化石墨烯通过以下步骤制成：

将0.1g氧化石墨烯分散在100mL DMF中，超声1h后加入0.2g硅烷偶联剂KH-550和10mL去离子水，温度80℃，搅拌反应1h，冷却至室温后过滤，滤饼用无水乙醇洗涤后置于真空烘箱中60℃下干燥至恒重，得到氨基化氧化石墨烯。

对比例1

本对比例为实施例1中石墨烯-席夫碱配体。

对比例2

本对比例为实施例1中氨基化氧化石墨烯。

实施例3

一种抗菌包芯纱线的制备方法，包括以下步骤：

第一步、将8kg聚氨酯颗粒、42.5L四氢呋喃和42.5L N,N-二甲基甲酰胺混合，温度50℃下，转速250r/min搅拌24h，之后加入2kg实施例1的氧化石墨烯基抗菌剂，继续搅拌0.5h，得到抗菌纺丝液；

第二步、将粘胶短纤维按开棉工序制备粘胶棉卷，将粘胶棉卷梳理得到粘胶棉网置于棉网输送装置上，将抗菌纺丝液静电纺丝得到抗菌纳米纤维，将所得抗菌纳米纤维喷射到粘胶棉网上，经喇叭口集束，得到粘胶生条，将粘胶生条经二道并条后喂入喷气涡流纺纱机中，锦纶长丝经过导丝装置从第一罗拉和第二罗拉的隔间距喂入，涡流纺纱，得到芯丝为锦纶长丝，外包纤维为粘胶纤维和抗菌纳米纤维的抗菌包芯纱线。

粘胶棉卷长度为30m，定量为260g/m，锦纶长丝的细度为50D，长丝喂入比为0.95，粘胶棉网和抗菌纳米纤维质量比为1：1，粘胶生条和锦纶长丝的质量比为4：1。

粘胶棉卷梳理中锡林速度为200r/min，刺辊速度为440r/min，道夫速度为16r/min，盖板速度为55mm/min，锡林-盖板五点隔距为0.28mm、0.25mm、0.25mm、0.25mm、0.28mm，锡林-道夫隔距为0.2mm，给棉板-刺辊隔距为0.2mm，生条定量为16g/5m。

静电纺丝工艺的参数为：纺丝温度20℃，相对湿度为30％，电压为16kV，接收距离为15cm。

粘胶生条经二道工序采用6根粘胶生条并合。

涡流纺纱的工艺参数为：总牵伸倍数为150倍，主牵伸倍数为25倍。

实施例4

一种抗菌包芯纱线的制备方法，包括以下步骤：

第一步、将10kg聚氨酯颗粒、44L四氢呋喃和46L N,N-二甲基甲酰胺混合，温度50℃下，转速250r/min搅拌24h，之后加入4kg实施例2的氧化石墨烯基抗菌剂，继续搅拌0.8h，得到抗菌纺丝液；

第二步、将粘胶短纤维按开棉工序制备粘胶棉卷，将粘胶棉卷梳理得到粘胶棉网置于棉网输送装置上，将抗菌纺丝液静电纺丝得到抗菌纳米纤维，将所得抗菌纳米纤维喷射到粘胶棉网上，经喇叭口集束，得到粘胶生条，将粘胶生条经二道并条后喂入喷气涡流纺纱机中，锦纶长丝经过导丝装置从第一罗拉和第二罗拉的隔间距喂入，涡流纺纱，得到芯丝为锦纶长丝，外包纤维为粘胶纤维和抗菌纳米纤维的抗菌包芯纱线。

锦纶长丝的细度为50D，长丝喂入比为0.95，粘胶棉网和抗菌纳米纤维质量比为1：2，粘胶生条和锦纶长丝的质量比为4：1。

粘胶棉卷长度为31m，定量为280g/m。

粘胶棉卷梳理中锡林速度为200r/min，刺辊速度为440r/min，道夫速度为16r/min，盖板速度为55mm/min，锡林-盖板五点隔距为0.28mm、0.25mm、0.25mm、0.25mm、0.28mm，锡林-道夫隔距为0.25mm，给棉板-刺辊隔距为0.24mm，生条定量为17g/5m。

静电纺丝工艺的参数为：纺丝温度24℃，相对湿度为40％，电压为18kV，接收距离为18cm。

粘胶生条经二道工序采用6根粘胶生条并合。

涡流纺纱的工艺参数为：总牵伸倍数为150倍，主牵伸倍数为25倍。

实施例5

一种抗菌包芯纱线的制备方法，包括以下步骤：

第一步、将15kg聚氨酯颗粒、46L四氢呋喃和46L N,N-二甲基甲酰胺混合，温度50℃下，转速250r/min搅拌24h，之后加入6kg实施例2的氧化石墨烯基抗菌剂，继续搅拌1h，得到抗菌纺丝液；

第二步、将粘胶短纤维按开棉工序制备粘胶棉卷，将粘胶棉卷梳理得到粘胶棉网置于棉网输送装置上，将抗菌纺丝液静电纺丝得到抗菌纳米纤维，将所得抗菌纳米纤维喷射到粘胶棉网上，经喇叭口集束，得到粘胶生条，将粘胶生条经二道并条后喂入喷气涡流纺纱机中，锦纶长丝经过导丝装置从第一罗拉和第二罗拉的隔间距喂入，涡流纺纱，得到芯丝为锦纶长丝，外包纤维为粘胶纤维和抗菌纳米纤维的抗菌包芯纱线。

锦纶长丝的细度为50D，长丝喂入比为0.95，粘胶棉网和抗菌纳米纤维质量比为1：3，粘胶生条和锦纶长丝的质量比为4：1。

粘胶棉卷长度为32m，定量为300g/m。

粘胶棉卷梳理中锡林速度为210r/min，刺辊速度为460r/min，道夫速度为18r/min，盖板速度为65mm/min，锡林-盖板五点隔距为0.28mm、0.25mm、0.25mm、0.25mm、0.28mm，锡林-道夫隔距为0.28mm，给棉板-刺辊隔距为0.28mm，生条定量为18g/5m。

静电纺丝工艺的参数为：纺丝温度25℃，相对湿度为60％，电压为21kV，接收距离为20cm。

粘胶生条经二道工序采用6根粘胶生条并合。

涡流纺纱的工艺参数为：总牵伸倍数为150倍，主牵伸倍数为25倍。

对比例3

与实施例3相比，将实施例3中氧化石墨烯基抗菌剂替换成对比例1中物质，其余原料及制备过程同实施例3。

对比例4

与实施例3相比，将实施例3中氧化石墨烯基抗菌剂替换成对比例2中物质，其余原料及制备过程同实施例3。

对实施例3-实施例5和对比例3-对比例4所得抗菌包芯纱线进行测试，参照GB/T20994.3-2008《纺织品抗菌性能的评价第3部分：振荡法》测试包芯纱线对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率，参考标准GB/T5454-1997标准测试极限氧指数，采用耐洗色牢固度试验机水洗100次，测试洗涤之后纱线的抗菌性和极限氧指数，结果如表1所示：

表1

由表1可以看出，相比于对比例3和对比例4而言，实施例3-5所制备的包芯纱具有更好的抗菌性、阻燃性以及耐洗涤性能。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。