季铵盐∕两性壳聚糖改性真丝织物及其协同增效作用
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第31卷㊀第6期2023年11月
现代纺织技术
AdvancedTextile
Technology
Vol.31ꎬNo.6Nov.2023
DOI:10.19398∕j.att.202212030
季铵盐∕两性壳聚糖改性真丝织物及其协同增效作用
杨㊀晟1ꎬ徐兆梅2ꎬ马廷方2ꎬ付飞亚1ꎬ刘向东1ꎬ姚菊明1
(1.浙江理工大学材料科学与工程学院ꎬ杭州㊀310018ꎻ2.杭州万事利丝绸数码印花有限公司ꎬ杭州㊀310020)㊀㊀摘㊀要:化学改性是进一步拓展蚕丝用途的重要技术手段ꎬ但传统单一物质改性难以同时实现绿色和高效改性目的ꎮ使用水溶性羧化壳聚糖(CMC)和2ꎬ3 ̄环氧丙基三甲基氯化铵(GTA)作为反应原料经串联反应对真丝织物(SF)进行化学改性ꎮ期待CMC为GTA提供更多的反应位点ꎬGTA有助于稳定CMC并弥补其功能不足ꎮ对比分析了SF㊁SF∕CMC㊁SF∕GTA以及SF∕CMC∕GTA四种样品的形貌㊁结构㊁物化性能等ꎮ结果表明:串联反应在水溶剂中80ħ条件下可成功实施ꎻSF∕CMC∕GTA(1.5mV)的Zeta电位相对SF(-26.3mV)明显增加ꎬ其透气率和吸水率均最大ꎬ分别达到272g∕(m2 d)和326%ꎻSF∕CMC∕GTA抗菌效果最明显ꎬ对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率均在99.9%以上ꎬ上染率相对SF提高了55倍ꎮ研究结果可为丝绸的绿色染整加工提供新的科学依据和技术路径ꎮ
关键词:真丝织物ꎻ串联反应ꎻ协同增效ꎻ抗菌性能ꎻ染色性能
中图分类号:TS146㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1009 ̄265X(2023)06 ̄0017 ̄11
收稿日期:20221221㊀网络出版日期:20230321
基金项目:浙江省重点研发计划(2121069 ̄J)ꎻ浙江省 高层次人才特殊支持计划 杰出人才项目(2021R51003)ꎻ浙江省分析测试项目
(LGC22E030006)ꎻ浙江省清洁染整技术研究重点实验室开放基金项目(QJRZ2110)
作者简介:杨晟(1996 )ꎬ男ꎬ山西运城人ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事天然高分子改性方面的研究ꎮ通信作者:付飞亚ꎬE ̄mail:fufar@163.com
㊀㊀蚕丝具有优良的服用性㊁生物相容性和生物可降解特性ꎬ在纺织㊁生物医用㊁食品等领域被广泛应用[1]ꎮ化学改性是拓展蚕丝用途的重要技术手段[2 ̄3]ꎬ但蚕丝的蛋白质属性对化学原料和反应路径均有较高的要求ꎬ例如高温㊁有毒试剂㊁强酸∕
碱易造成蛋白质变性等[4 ̄5]ꎮ探索蚕丝纤维的绿色化学改性方法推进其高值化利用的重要技术途径ꎮ
壳聚糖是自然界第二丰富的多糖生物质[6 ̄7]ꎬ具有优异生物相容性和生物活性ꎬ在纺织领域经常用作织物染色㊁印花和抗皱整理剂[8]ꎮ但壳聚糖存在大量分子间和分子内氢键ꎬ导致其在水中难以溶解ꎬ因此将壳聚糖方便㊁绿色且牢固地键连到真丝织物表面仍是挑战[9 ̄10]ꎮFerrero等[11]采用酒石酸㊁二甲基丙烯酸㊁环氧树脂等交联剂实现壳聚糖与蚕丝
的化学接枝ꎬ而壳聚糖在蚕丝表面分布不均匀ꎬ大量交联剂的使用破坏了蚕丝原有良好的物化性能ꎮDavarpanah等[12]利用丁二酸酐和邻苯二甲酸酐对
蚕丝进行酰化作用ꎬ后通过化学接枝壳聚糖ꎬ但反应需在有机溶剂中进行ꎬ反应条件要求高ꎬ过程复杂ꎮ水溶性羧化壳聚糖(CMC)是一种重要的水溶性壳聚糖衍生物ꎬ同样具备良好的生物相容性和生物降解性ꎬ在化工㊁环保㊁保健品方面也有广泛的应用[13]ꎮ由于CMC同时包含大量活性氨基和羧基[14]ꎬ可通过化学键共价接枝在真丝织物表面ꎬ提升稳定性ꎬ但其抗菌活性受环境pH值㊁聚合度等影响较大[15 ̄16]ꎮ张伟[17]㊁Lim等[18]尝试直接使用壳聚糖季铵盐对真丝织物进行改性ꎬ过程需要使用交联剂如柠檬酸进行固化ꎬ对真丝织物的白度㊁力学性能存在负面影响ꎮ
本文提出采用水溶性的CMC和2ꎬ3 ̄环氧丙基三甲基氯化铵(GTA)对真丝织物(SF)进行串联化学改性的新方法ꎮ使用扫描电镜㊁红外光谱仪㊁X射线电光子能谱等测试手段对比分析不同真丝织物的形貌㊁结构㊁物化性能变化规律ꎮ此外ꎬ论文将研究样品的抗菌活性和染色性能ꎬ阐明CMC和GTA的
协同增效作用ꎮ本方法过程简单㊁无有机溶剂㊁反应条件温和且效果明显ꎬ可为真丝织物的功能化改性提供新的技术途径ꎮ
1㊀实㊀验
1.1㊀实验材料
真丝织物(60g∕m2(14姆米)真丝斜纹绸ꎬ杭州
万事利丝绸数码印花有限公司)ꎬ羧化壳聚糖((C6H11NO4)nꎬ15kDaꎬBRꎬ水溶性ꎬ阿拉丁有限公司)ꎬ2ꎬ3 ̄环氧丙基三甲基氯化铵(C6H14ClNOꎬȡ95%ꎬ麦克林生化有限公司)ꎬ大肠杆菌(E.coliꎬATCC1555)㊁金黄色葡萄球菌(S.aureusꎬATCC
547)ꎬ均购于上海鲁微科技有限公司ꎮ1.2㊀实验方法
1.2.1㊀SF∕CMC和SF∕GTA的制备
将脱除丝胶的真丝织物(SFꎬ5.00cmˑ5.00cmꎬ
5片)以浴比1ʒ50浸入CMC水溶液(100mLꎬ质量分数为2%)中ꎬ在60ħ油浴锅中搅拌2hꎬ使CMC与SF纤维充分接触ꎬ之后将处理的SF于80ħ热处理3hꎬ再用去离子水充分清洗3次ꎬ经60ħ烘干后得到SF∕CMCꎮ另制备了仅负载GTA的真丝织物作
为对比样ꎮ将SF(5.00cmˑ5.00cmꎬ5片)浸入GTA水溶液(100mLꎬ质量分数为8%)中ꎬ在80ħ油浴锅中搅拌反应10hꎬ再用去离子水充分清洗3
次ꎬ经60ħ烘干后得到SF∕GTAꎮ1.2.2㊀SF∕CMC∕GTA的制备
将SF∕CMC改性真丝织物(5.00cmˑ5.00cmꎬ5片)浸入GTA水溶液(100mLꎬ质量分数为8%)中ꎬ在80ħ油浴锅中搅拌反应10hꎬ再用去离子水
充分清洗3次ꎬ经60ħ烘干后得到SF∕CMC∕GTAꎮ
图1为串联改性法制备SF∕CMC∕GTA的过程示意图ꎮ首先CMC通过酰胺化反应接枝在真丝织物表面ꎬ富含氨基的CMC为真丝织物提供了更多的反应位点ꎬ提高真丝织物表面的反应活性ꎮGTA通过其环氧基与SF∕CMC中部分氨基发生开环反应ꎬ从而将含有阳离子基团的GTA接枝在真丝织物表面ꎮGTA基团的引入进一步提高了SF表面阳离子的数目ꎬ有望改善其抗菌活性和染色性能ꎮ同时ꎬGTA基团通过与SF表面的羧基㊁氨基㊁羟基等产生氢键相互作用ꎬ有利于进一步稳定CMC基团ꎮ整个制备过程不使用任何有机溶剂ꎬ反应条件温和(80ħ)ꎬ无有害小分子副产物生成ꎬ是绿色㊁经济㊁便捷的化学改性技术手段
ꎮ
图1㊀SF∕CMC∕GTA的制备过程示意
Fig.1㊀SchematicdiagramofthepreparationprocessofSF∕CMC∕GTA
1.3㊀基本测试
采用扫描电子显微镜(SEM∕Ultra55ꎬZeissꎬ德国)对SF㊁SF∕CMC㊁SF∕GTA㊁SF∕CMC∕GTA的表面形貌进行观察分析ꎮ采用傅里叶红外光谱仪(FTIR∕TENSORⅡꎬBrochꎬ德国)再配备衰减全反射仪
(ATR)分析不同样品的化学结构ꎬ扫描范围500~4000cm-1ꎮ采用二维X射线衍射仪(XRD∕D8Discoverꎬ德国)研究样品晶体结构ꎬ扫描速率2(ʎ)∕minꎬ扫描范围5ʎ~45ʎꎮ采用X射线电光子能谱(XPS∕AXSSꎬ德国)分析样品表面化学成分ꎮ采用热重分析仪(TG∕SDTA851ꎬ美国)分析热稳定性ꎬ测试温度范围30~800ħꎬ升温速率为10ħ∕minꎬ空气气氛ꎮ
81 现代纺织技术第31卷
采用紫外可见分光光度计(UH4150ꎬ日本)测量染料吸收率ꎬ扫描范围420~700nmꎮ采用通用材料试验机(Instron5943ꎬ美国)测试样品的机械拉伸性能ꎮ采用固体表面ZETA电位仪(DLS∕SURPASSꎬ奥地利)分析SF㊁SF∕CMC㊁SF∕GTA及SF∕CMC∕GTA表面Zeta电位ꎬ测试pH范围为3~10ꎮ
1.4㊀抗菌性能测试
按照改进的AATCC100-1999«纺织材料中抗菌整理剂的鉴定»方法来测试真丝织物样品对大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)的抗菌率ꎮ抗菌实验前ꎬ将待测真丝织物样品在紫外灯下灭菌30minꎮ抗菌测试中ꎬ首先将样品(1.5cmˑ
1 5cm)上滴入20μL的标准菌液ꎬ培养1hꎮ取出样品放入到含有5mLPBS缓冲溶液(4ˑ106
CFU∕mL)
的试管中ꎬ恒温培养箱中震荡10minꎮ最后最后ꎬ将
100μL的PBS溶液涂在LB琼脂平板上ꎬ在37ħ下培养24hꎮ抗菌率(BR)按照式(1)计算:
BR∕%=
B-A
B
ˑ100(1)
式中:A和B分别是待测真丝织物样品和原始真丝织物做完抗菌率实验后固体培养基中菌落的个数ꎮ每组样品均重复测试3次取平均值ꎮ
1.5㊀水气透过率测试
根据ASTME ̄96方法ꎬ进行了水气透过率实验ꎮ在直径为15mm的试管中装有蒸馏水ꎬ使得水面离试管口约3mmꎬ再用待测真丝织物封住试管口ꎬ用橡皮筋栓牢ꎮ记录24h前后试管中水质量的变化ꎮ用式(2)计算真丝织物的透气性:
T=
m0-maπ r2
(2)
式中:T是透气率为每天每平方米的真丝织物表面透出去水的质量ꎬg∕(m2 d)ꎻm0是测试前试管内水的质量ꎬgꎻma是测试后试管内水的质量ꎬgꎻr是试管
的内壁半径ꎬmꎮ每组样品重复测试3次取平均值ꎮ1.6㊀吸水性测试
将待测真丝织物样品浸没在蒸馏水中10minꎬ然后悬挂10minꎬ直到样品不滴水ꎮ记录待测真丝织物样品吸收水前后质量的变化ꎬ按式(3)计算真丝织物样品的吸水性:
w∕%=wa-w0
w0
ˑ100
(3)
式中:w是真丝织物的吸水率ꎬ%ꎻw0是吸水前真丝
织物的质量ꎬgꎻwa是吸水后真丝织物的质量ꎬgꎮ每
组样品均重复测3次取平均值[19]ꎮ
1.7㊀染色性能测试
活性染料是一种分子结构上带有活性基团的水溶性染料ꎬ能与蛋白质纤维上的氨基发生共价键结合ꎮ本实验通过浸渍法染色ꎬ首先用去离子水为参照液ꎬ取活性红3BF染料配制成样品注入比色皿中ꎬ使用可见光分光光度计在波长为420~700nm范围内扫描得到相对应的吸光度ꎮ经过吸光度与扫描波长ꎬ找出染料的最大吸收波长λmaxꎮ然后分别将不同真丝织物在25ħ下浸入染料中搅拌10min完成上染ꎬ对不同真丝织物染色前染液㊁染色后残液取样ꎬ测其吸光度ꎬ按式(4)计算真丝织物样品的上染率:
R∕%=1-A1A0æ
èçöø
÷ˑ100(4)
式中:R为真丝织物样品的上染率ꎬ%ꎻA0为染色原液的吸光度ꎻA1为染色后残液的吸光度ꎮ每组样品均重复测3次取平均值ꎮ
2㊀结果与讨论
2.1㊀改性真丝织物的形貌分析
图2为真丝织物经CMC㊁GTA处理前后的SEM照片ꎮ如图2所示ꎬ改性前的SF纤维具有光滑㊁均匀的表面ꎮ经过化学改性后ꎬ通过观察样品的低倍SEM图像ꎬ发现SF∕CMCꎬSF∕GTA和SF∕CMC∕GTA形貌没有明显变化ꎬ表明化学改性对真丝织物整体结构影响较小ꎮ高倍SEM图像显示ꎬ从SF∕CMCꎬSF∕GTA到SF∕CMC∕GTAꎬ纤维表面呈现出越来越粗糙的趋势ꎬ造成这一现象的原因为:化学反应破坏了组成蚕丝的蛋白微纤之间的氢键[20]ꎬ进而导致蚕丝表面有部分纤丝出现ꎮ
2.2㊀改性真丝织物的结构分析
图3(a)㊁图3(b)为SF和不同改性SF样品的
ATR ̄FTIR光谱图ꎬ图3(a)中ꎬ1620㊁1510㊁1230cm-1
处的吸收峰分别对应于丝素蛋白分子结构中酰胺Ⅰ㊁酰胺Ⅱ㊁和酰胺Ⅲ的C O伸缩振动峰[21 ̄22]ꎮ除上述特征峰之外ꎬ1373cm-1和1328cm-1处出现对应于CMC的 COO 对称伸缩振动和 OH的面内弯曲振动吸收带ꎬ在1158cm-1附近存在较强氧化壳聚糖C O C 桥式 不对称伸缩吸收峰ꎮ
1739cm-1附近出现新的吸收峰ꎬ这是由于引入CMC后 COOH基团的特征吸收峰ꎬ此峰在SF的红
91 第6期杨㊀晟等:季铵盐∕两性壳聚糖改性真丝织物及其协同增效作用
图2㊀SF和不同改性SF样品的SEM图Fig.2㊀SEMimagesofSFanddifferentmodifiedSF
samples
图3㊀SF和不同改性SF样品的ATR ̄FTIR和XRD谱图
Fig.3㊀ATR ̄FTIRandXRDspectrumofSFand
differentmodifiedSFsamples
外曲线中没有出现ꎬ说明了SF与CMC发生了酰胺交
联反应[23]ꎮSF∕GTA和SF∕CMC∕GTA在1483cm-1处
所均出现了新的吸收峰ꎬ这应归因于CH3 N+的伸
缩振动[24]ꎬ另外ꎬ相对于SF∕GTAꎬ1483cm-1特征峰
在SF∕CMC∕GTA样品中更为明显ꎬ由此也说明CMC
的引入有助于后续键接GTA基团ꎮ图3(b)中GTA
和SF∕CMC∕GTA∕N(SF∕CMC改性织物与GTA未发
生热处理的吸附织物)都在928cm-1处(C O C
拉伸振动)出现环氧环的特征峰[25]ꎬ但此峰在SF和
SF∕CMC∕GTA曲线中没有出现ꎬ说明环氧环与氨基
发生反应ꎬGTA成功键接到真丝织物上ꎮ图3(c)为 02 现代纺织技术第31卷
SF和不同改性SF样品的XRD谱图ꎬ2θ=20.8ʎ处为蚕丝的明显特征衍射峰ꎬ是蛋白质分子的β ̄折叠[23]ꎬ9.38ʎ和20.8ʎ归属于丝素蛋白SilkⅡꎬ24.5ʎ和29.8ʎ归属于丝素蛋白SilkⅠ[26]ꎮSF∕CMC㊁SF∕GTA㊁SF∕CMC∕GTA谱图中上述4个特征衍射峰的位置无明显变化ꎬ表明CMC和GTA的引入对真丝织物的晶体结构无明显影响ꎬ该结果与SEM图像结论一致ꎮSF∕GTA在2θ=20.8ʎ处的衍射强度略大于其他样品ꎬ这是由于GTA小分子更容易进入纤维内部ꎬ更多地破坏了其非晶区ꎮ
XPS可以分析样品的化学组成和各元素的化学状态ꎮ图4(a)为SF和SF∕CMC∕GTA的XPS全谱ꎬ两者均在结合能531㊁399eV和284eV处分别出现了O1s㊁N1s㊁C1s的信号峰ꎮ图4(b)和图4(c)分别为SF和SF∕CMC∕GTA的高分辨N1s分峰拟合谱图ꎬ前者在结合能399eV处出现了 CONH 的信号峰ꎮ不同的是ꎬ后者在结合能402eV处出现了新的信号峰ꎬ归属于反应引入的GTA基团中的
CH3 N+[27]ꎮ图4(d)和图4(e)分别为SF和SF∕CMC∕GTA的C1s高分辨率拟合谱图ꎮSF的C1s峰被分峰为3个峰ꎬ其对应的峰分别为287.38eV( C O)㊁285eV(C N)和283eV(C C)ꎬ同时ꎬSF∕CMC∕GTA的C1s峰分别出现在287.49eV( C O)㊁285eV(C N)和283eV(C C)[28 ̄29]ꎮ在改性真丝织物中 C O峰的位置发生了偏移ꎬ这是由于CMC与真丝织物发生的酰胺化反应所导致的[30]ꎬ并且C N峰面积稍大ꎬ这应该与引入的CMC和GTA中均有C N键有关
ꎮ
㊀㊀㊀㊀
㊀
㊀㊀㊀㊀
㊀
12 第6期杨㊀晟等:季铵盐∕两性壳聚糖改性真丝织物及其协同增效作用
图4㊀SF和SF∕CMC∕GTA的XPS谱图
Fig.4㊀XPSspectrumofSFandSF∕CMC∕GTA
图5(a)㊁图5(b)和图5(c)分别为SF和不同改性SF样品的应力 ̄应变曲线㊁热重曲线(TG)和热重微分曲线(DTG)ꎮ图5(a)应力应变曲线所示ꎬSF的拉伸断裂强度和断裂伸长率分别为67.2MPa㊁
25.1%ꎮ而SF∕CMC㊁SF∕GTA㊁SF∕CMC∕GTA改性真丝织物的拉伸断裂强度分别为63.5㊁57.8㊁62.7MPaꎬ断裂伸长率为23.1%~26.3%ꎬ由此可以看出不同真丝织物的拉伸强度相近ꎬ表明CMC和GTA的接枝对真丝织物的力学性能无明显影响ꎮ该现象明显优于寇爱静[31]㊁Ferrero等[32]的类似工作ꎬ以甲基丙烯酸羟基乙酯与三乙二醇二甲基丙烯酸酯在二甲基亚砜等有机溶剂的作用下对真丝织物进行接枝处理ꎬ但改性后织物的断裂强度和断裂伸长率均下降5%~15%ꎬ导致其力学性能严重恶化ꎮ图5(b)中的TG曲线所示ꎬSF在低于100ħ范围内有失重峰ꎬ该现象是由织物中水分的蒸发所导致ꎬ此外ꎬ在200~700ħ有1个失重阶段ꎬ在300ħ左右达到最大分解速率ꎬ这一阶段可归因于丝素蛋白分子间侧链和主链遭到破坏引起的分解失重[33]ꎮ同时从图5(c)DTG中可以观察到ꎬSF㊁SF∕CMC㊁SF∕GTA㊁SF∕CMC∕GTA的主失重峰依次是326㊁324㊁329㊁327ħꎮ各样品的TG㊁DTG曲线无明显变化ꎬ真丝织物经CMC㊁GTA处理前后的热稳定性不变ꎮ图6为SF和不同改性SF样品的Zeta电位测试曲线ꎬ表面电荷特性可通过Zeta电位进一步表征ꎮ如图6所示ꎬ在pH为3~10的范围内ꎬSF表面的平均电荷为-26.3mVꎬSF∕CMC和SF∕GTA的平均表面电荷分别为-22.8㊁-9.5mVꎬ这说明经GTA改性后的真丝织物表面电负性远小于未改性真丝织物ꎬ这归因于接枝在真丝织物表面GTA所带的正电荷氨基ꎬ提高了SF表面阳离子的数目ꎬ
增强了其表
图5㊀SF和不同改性SF样品的应力 ̄应变曲线㊁
TG曲线和DTG曲线
Fig.5㊀Stress ̄straincurvesꎬTGcurvesandDTGcurves
ofSFanddifferentmodifiedSFsamples
22 现代纺织技术第31卷
面的正电性ꎮ而SF∕CMC∕GTA的Zeta电位得到最大幅度提升ꎬ平均电荷达到1.5mVꎬ在酸性㊁中性和碱性条件下均为正值ꎬ得益于高效的串联化学改性方法ꎬ使得真丝织物带电性能有较大改变ꎬ为抗菌活性和染色性能的改善提供了强有力的保障ꎮ2.3㊀改性真丝织物的性能分析
图7(a)㊁图7(b)和图7(c)分别为SF和不同改性SF样品对E.coli㊁S.aureus两种菌的抗菌率统计结果及抗菌实验的光学图像ꎮ如图7(a)所示ꎬSF∕CMC㊁
SF∕GTA对E.coli的抗菌率为49.5%㊁95 1%ꎬSF∕CMC∕GTA的抗菌率达到99.9%ꎮ图7(b)中ꎬSF∕CMC㊁SF∕GTA对S.aureus的抗菌率62.1%㊁98.8%ꎬ而SF∕CMC∕GTA的抗菌率达到99.9%ꎮ结果表明:CMC的加入对于真丝织物抗菌性能的提高有积极作用ꎬ且当CMC和GTA通过串联化学改性共同作用在真丝织物表面时ꎬ其抗菌效果得到最大程度的提升ꎮ从图7(c)抗菌实验的光学图像可以更直观地观察到真丝织物在改性前后的抗菌效果差别ꎬ改性真丝织物的菌落数目明显少于未改性织物ꎮ本研究中ꎬCMC本身就具有一定抗菌特性ꎬ并且通过反应将CMC接枝在真丝织物表面可提供更多的反应位点ꎬ将更多的GTA接枝到真丝织物上ꎮ改性真丝织物的抗菌性归因于其表面所带的大量正电荷ꎬ可以与带负电的细菌细胞膜结合ꎬ从而破坏其内部结构ꎬ达到抗菌的效果
ꎮ
图6㊀SF和不同改性SF样品的Zeta电位曲线
Fig.6㊀ZetapotentialcurvesofSFanddifferent
modifiedSF
samples
㊀㊀㊀㊀㊀
㊀
图7㊀SF和不同改性SF样品的抗菌性能
Fig.7㊀AntibacterialpropertiesofSFanddifferentmodifiedSFsamples
32 第6期杨㊀晟等:季铵盐∕两性壳聚糖改性真丝织物及其协同增效作用
㊀㊀透气性㊁吸水性是衡量织物舒适性的重要指标ꎮ图8(a)和图8(b)分别为SF和不同改性SF样品的水蒸气透气率和吸水率ꎮ如图8(a)所示ꎬSF的水蒸气透气率为266g∕(m2 d)ꎬSF∕CMC㊁SF∕GTA㊁SF∕CMC∕GTA的水蒸气透气率分别为263㊁285㊁272g∕(m2 d)ꎮ图8(b)所示ꎬSF的吸水率为266%ꎬSF∕CMC㊁SF∕GTA㊁SF∕CMC∕GTA的吸水率分别为254%㊁328%㊁326%ꎮ相比于SFꎬSF∕GTA㊁SF∕CMC∕GTA都有较高的水蒸气透气率和吸水率ꎬ这是由于强亲水性GTA的引入改善了真丝织物的亲水性ꎬ吸湿㊁保湿性都得到一定程度的提高ꎮ
图9(a)㊁图9(b)分别为SF和不同改性SF样品染色后残液吸光度的测试结果和上染率的统计结果ꎮ由图9(a)可知ꎬ染液的特征波长在516nm和540nm处ꎬ后通过测试真丝织物的染色残液在该波长的吸光度并按照式(4)可得到上染率ꎮ通过图9(b)所示ꎬSF的上染率为1.15%ꎬSF∕CMC上染率为3.15%ꎬ略高于SFꎬ这是由于接枝在真丝织物表面的CMC会电解出一部分氨基正电荷ꎬ对真丝织物染色有一定的积极作用ꎮ而SF∕GTA㊁SF∕CMC∕
GTA的上染率分别为50.6%㊁63.7%ꎬ远高于SF的上染率ꎮ从图9(c)中真丝织物染色前后的光学图像可以更直观的发现ꎬ相比于SFꎬ改性真丝织物在染色后颜色更深ꎬ上染率提升幅度更大ꎮ综上所述ꎬ当CMC与GTA共同作用在真丝织物表面时ꎬ相比于SFꎬSF∕CMC∕GTA上染率提高了近55倍ꎬ染色性能得到显著改善ꎮ本工作中使用的活性染料属阴离子染料ꎬGTA对真丝织物的改性过程实际上是对氨基的阳离子性改性ꎬ得益于改性真丝织物表面携带的大量季铵盐基团ꎬ可增强表面正电性ꎮ通过强电荷吸引力提高阴离子染料的上染率ꎬ从而提升真丝织物的染色性能
ꎮ
㊀㊀㊀
㊀
图8㊀SF和不同改性SF样品的透气率和吸水率
Fig.8㊀AirpermeabilityandwaterabsorbabilityofSFanddifferentmodifiedSF
samples
㊀㊀㊀
㊀
42 现代纺织技术第31卷
图9㊀SF和不同改性SF样品的染色性能
Fig.9㊀DyeingpropertiesofSFanddifferentmodifiedSFsamples
3㊀结㊀论
本文采用简单㊁高效的串联化学改性方法对SF进行功能改性ꎬ探索CMC和GTA的对真丝织物协同改性的可行性ꎮ分析改性前后真丝织物的形貌㊁结构和物化性能变化ꎬ并对比测试其抗菌和染色性能ꎬ主要结论如下:
a)ATR ̄FTIR㊁XPS测试证明了水溶性羧化壳聚糖和2ꎬ3 ̄环氧丙基三甲基氯化铵对真丝织物串联改性的成功实施ꎬSEM㊁XRD㊁拉伸测试和TG等测试显示ꎬ串联改性对SF的微观形貌㊁力学性能和热稳定性能影响较小ꎮZeta电位测试表明串联改性可将SF表面电荷由-26.3mV增至1.5mVꎮb)抗菌测试显示ꎬSF∕CMC对E.coli和S.aureus的抗菌率分别为49.1%和61.3%ꎬSF∕CMC∕GTA对两种菌的抗菌率均达到99.9%ꎬ证明协同改性可以显著提高SF抗菌活性ꎮ
c)染色实验表明协同改性可显著改善织物染色性能ꎬSF∕CMC∕GTA的上染率相对SF提高了近55倍ꎮ
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Silkfabricmodifiedbyquaternaryammoniumsalt∕amphotericchitosananditssynergisticeffect
YANGSheng1ꎬXUZhaomei2ꎬMATingfang2ꎬFUFeiya1ꎬLIUXiangdong1ꎬYAOJuming1
(1.SchoolofMaterialsScience&EngineeringꎬZhejiangSci ̄TechUniversityꎬHangzhou310018ꎬChinaꎻ2.HangzhouWENSLISilkDigitalPrintingCo.ꎬLtd.ꎬHangzhou310020ꎬChina)Abstract:Withexcellentwearability biocompatibilityandbiodegradability silkiswidelyusedintextile biomedicine foodandotherfields.Chemicalmodificationisanimportanttechnicalmeanstofurtherexpandtheuseofsilk.However theproteinpropertiesofsilkhavehighrequirementsonchemicalrawmaterialsandreactionpaths soitisdifficultfortraditionalsinglesubstancemodificationmethodstoachievegreenandefficientmodificationatthesametime.Inthispaper anewmethodoftandemchemicalmodificationofrealsilkfabric SF usingwater ̄solublecarboxylatedchitosan CMC and2 3 ̄epoxy ̄propyltrimethylammoniumchloride GTA isproposedforthefirsttime.Themorphology structureandphysicochemicalpropertiesofSF SF∕CMC SF∕GTAandSF∕CMC∕GTAsampleswerecomparedandanalyzedbymeansofscanningelectronmicroscopy fouriertransforminfrared X ̄raydiffraction X ̄rayphotoelectronspectroscopy tensiletestandthermogravimetricanalysis.TheresultsshowthatalthoughtheamidebondformedbyCMCreactionininfraredspectroscopycoincideswithSFcharacteristicpeak theshiftofcarbonylCbindingenergyandtheincreaseofC NpeakareainX ̄rayphotoelectronspectroscopyprovethatthetandemchemicalmodificationcanbesuccessfullyimplementedat80ħinaqueoussolvent.TheintroductionofCMCprovidesmorereactionsitesforGTA andalargenumberofhydroxylgroupsformingafterthereactionofGTAcanformrichhydrogenbondswithCMCtohelpitstabilize.Withthechemicalmodificationintandem asmallamountoffibrillaappearedonthesurfaceofthefabricfiber.X ̄raydiffractionspectraalsoshowedthatthemodificationreactionwasmainlyintheamorphousregionofthesurface andhadlittleeffectontheSFcrystalstructure.ComparedwithSF thetensilestrength 62.7MPa andthermaldecompositiontemperature 327ħ ofSF∕CMC∕GTAhavenoobviouschanges whichshowsthattheseriesmodificationmethodusedinthisworkismildandeffective andthemodifiedfabricstillmaintainsgoodmechanicalpropertiesandthermalstability.ThedifferenceisthatcomparedwithSF thepermeabilityandwaterabsorptionofSF∕CMC∕GTAincreasedsignificantly reaching272g∕ m2 d and326% respectively whichshouldberelatedtothestronghydrophilicgroupsintroducedbyCMCandGTA.Inaddition theZetapotentialofSF∕CMC∕GTA 1.5mV wassignificantlyincreasedcomparedwiththatofSF -26.3mV provingthehighefficiencyoftandemmodification.ComparedwiththesinglemodifiedsampleSF∕CMCandSF∕GTA thetandem ̄modifiedsampleSF∕CMC∕GTAhadaquitehighantibacterialrate above99.9% bothagainstS.aureusandE.coli.ThedyeingexperimentshowedthatthedyeingrateofSF∕CMC∕GTAwas55timeshigherthanthatofSF whichisexpectedtobeappliedinthefieldofnon ̄washingprintinganddyeing.Thispaperprovidesscientificdatafortheapplicationoftandemreactioninfunctionalmodificationofrealsilkfabricsandanewtechnicalpathforgreensilkdyeingandfinishing.Keywords:silkfabric tandemreaction synergisticeffect antibacterialproperty dyeingproperty 72 第6期
杨㊀晟等:季铵盐∕两性壳聚糖改性真丝织物及其协同增效作用。