CN105862210A - 抗菌纳米纤维纱线及其制备方法 - Google Patents

抗菌纳米纤维纱线及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗菌纳米纤维纱线及其制备方法，该纱线包括芯部以及完全且均匀地包覆在芯部外表面的皮层；芯部为长丝纱或短纤维纱线，皮层为静电纺纳米纤维，在静电纺纳米纤维内部均匀地分布有抗菌剂。该制备方法采用纳米纤维纱线机一次成型生产工艺，在正负极电场的耦合作用下，直接在纱线表面包覆抗菌纳米纤维。本发明抗菌纳米纤维纱线，通过纺织用纱线、纳米纤维和抗菌剂的组合，能够达到抗菌抑菌和亲水舒适的综合效果，且其耐热性好、耐洗性强，生产过程一次成型，能够有效节约成本和能源，附加值更高。

Description

抗菌纳米纤维纱线及其制备方法
技术领域
本发明涉及纺织技术领域，具体涉及一种抗菌纳米纤维纱线及其制备方法。
背景技术
纺织品由于自身具有微孔结构，穿着者本身的体温（温度）、人体散发的湿气（水分）以及皮肤的代谢物（营养）等因素为微生物提供了合适的生长环境，使纺织品成为最适合细菌和真菌等微生物滋生和繁殖的温床。纺织品上滋生的细菌，不仅会使纤维制品变色、发霉、脆化降解等，而且容易对人体皮肤产生异常的刺激并诱发各种皮肤疾病，影响人体健康。研究开发具有抗菌功能的纺织品是使人们免受或少受细菌侵害的有效途径之一，具有非常重要的行业意义和实用价值。因此，具有抗菌功能的纤维、纱线或织物越来越受到人们的青睐。抗菌性织物，主要是降低细菌在纺织品中的生存和传播机会，防止微生物分解人体汗液及其他分泌物产生臭味，或者是防止纺织品发霉变质，从而保护人体的健康、改善和提高人们的生活质量。
目前，国内外开发的抗菌纺织品主要有两种方法：一是在纤维生产过程中加入抗菌剂来生产抗菌纤维，利用此类纤维生产出的织物具有永久抗菌功能；但是这种方法具有加工成本高、技术要求高、抗菌剂用量大、分布不易控制等缺点，而且这种方法只适用于在化学纤维中加入抗菌剂，而不适合天然纤维织物。第二种方法是抗菌后整理，如表面涂层、树脂整理等，虽然加工方法简单，但是抗菌剂只附着于织物表面，初期抗菌剂溶出量大，抗菌效果随洗涤次数逐渐下降，织物的舒适性、安全性和手感都受到了很大的影响，因此，这两种方法都不是很好的开发抗菌纺织品的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种既具有普通涤纶长丝优异的机械拉伸性能、又具有纳米纤维较高的比表面积和较大的孔隙率的抗菌纳米纤维纱线及其制备方法，这种抗菌纳米纤维纱线在满足基本的力学性能、起毛起球、勾丝及透气性等服用性能外，同时兼具抗菌性。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种抗菌纳米纤维纱线，其包括芯部以及完全且均匀地包覆在所述芯部外表面的皮层；所述芯部为长丝纱或短纤维纱线，所述皮层为静电纺纳米纤维，在所述静电纺纳米纤维内部均匀地分布有抗菌剂。
优选的，所述静电纺纳米纤维为静电纺聚丙烯腈纳米纤维、静电纺聚丙烯纳米纤维、静电纺聚氨酯纳米纤维、静电纺聚酯纳米纤维、静电纺聚乳酸纳米纤维或静电纺聚己内酯纳米纤维。
优选的，所述芯部为涤纶长丝、锦纶长丝、腈纶长丝、棉纱或粘胶纱线。其中，涤纶长丝具有较高的机械拉伸强度、耐热性和耐磨性，能保证纱线具有较高的机械拉伸性能，使纱线可以应用到纺织服装领域。皮层采用静电纺纳米纤维，具有极大的比表面积和孔隙率、以及非常大的表面积/体积比，在成型的网毡上有很多微孔，具有很强的吸附力以及良好的过滤性、阻隔性、粘合性和保温性。利用静电纺纳米纤维作为抗菌纳米纤维纱线的皮层，皮层的静电纺纳米纤维完全且均匀地包覆在芯层的涤纶长丝表面，这样才能保证该抗菌纳米纤维纱线具有良好的均匀性、优良的阻隔性和纳米纤维特有的高孔隙率等性能。
优选的，所述抗菌剂为无机抗菌剂纳米银粒子、纳米级TiO2粒子，或天然抗菌剂壳聚糖，或有机广谱抗菌剂三氯生。其中，三氯生是一种安全无毒的广谱抗菌剂，被广泛应用于肥皂、牙膏等日用化学品之中。对引起感染或病原性革兰式阳性茵、真茵、酵母及病毒（如甲、乙肝、狂犬病毒、艾滋病毒HTV）等都具有广泛的杀灭及抑制作用。本发明选用了有机的抗菌剂三氯生，可以溶解在大多数有机溶剂中，通过静电纺丝方法进入纳米纤维内部，这样才能保证该纱线具有均匀且持久的抗菌功能。利用三氯生作为抗菌剂均匀地分布在皮层的静电纺纳米纤维内部，可以保证该抗菌性纳米纤维纱线对大多数细菌都具有杀灭和抑制作用，抗菌效果更明显。
优选的，所述抗菌纳米纤维纱线采用静电纺纳米纤维纱线机一次成型制备而成。
本发明还提供了一种上述抗菌纳米纤维纱线的制备方法，包括下列步骤：
（1）配制聚合物溶液：首先配制质量分数为5%～25%的聚合物纳米纤维溶液，然后向该聚合物纳米纤维溶液中加入占溶液质量0.5%～2%的抗菌剂，并在室温下搅拌24h,使溶液均匀澄清，消泡后待用；
（2）引入纺织用纱线：将纺织用纱线的纱管安装在静电纺纳米纤维纱线机的供纱辊上，使该纱线依次经过纱线机的张力装置、金属圆形靶和空心金属杆被牵引至卷绕辊上；
（3）设置正负极注射器：使用两个注射器抽取步骤（1）所得的聚合物溶液，然后将两个注射器分别固定在两个微量注射泵上，所述两个注射器的针头分别与纱线机上设置的高压发生器的正、负极高压相连；
（4）纳米纤维取向：将所述高压发生器的正、负极电压分别设为9～20kV，其中正极高压比负极高压高1～2kV；所述两个注射器中的聚合物溶液在高压电场的作用下被拉伸形成射流，两股射流搭接在金属圆形靶以及空心金属杆之间形成取向纳米纤维束；
（5）加捻成纱：将所述金属圆形靶的旋转速度设为200～450r/min，使步骤（4）中的取向纳米纤维束包覆在涤纶长丝表面并加捻成纱；将所述卷绕辊的转速设为8～25r/min，使所得的抗菌纳米纤维纱线成品卷绕在卷绕辊上，实现的抗菌纳米纤维纱线成品的连续收集。
优选的，步骤（1）中配制的所述聚合物纳米纤维溶液为聚丙烯腈（PAN）纳米纤维溶液、聚丙烯（PP）纳米纤维溶液、聚氨酯（PU）纳米纤维溶液、聚酯（PET）纳米纤维溶液、聚乳酸（PLLA）纳米纤维溶液或聚己内酯（PLLA）纳米纤维溶液。
优选的，步骤（2）中所述纺织用纱线为涤纶长丝、锦纶长丝、腈纶长丝、棉纱或粘胶纱线。
优选的，在步骤（3）中，与所述高压发生器的正极相连的注射泵流速设为0.8～2ml/h，与所述高压发生器的负极相连的注射泵流速设为0.6～1.8ml/h。所述静电纺纳米纤维为静电纺聚丙烯腈纳米纤维。
在上述方法中，直接将抗菌剂加入到聚合物纳米纤维溶液中，利用静电纺丝方法直接制备出抗菌纳米纤维纱线，使抗菌剂均匀分布于纳米纤维内部，可以保证纱线具有持久的抗菌性能。采用纳米纤维纱线机一次成型生产工艺，在正负极电场的耦合作用下，直接在涤纶长丝表面包覆抗菌纳米纤维，生产效率高，节约成本和能源。
本发明的有益效果在于：
（1）纱线的芯部采用长丝纱或短纤维纱线，具有较好的机械拉伸性能、耐热性和耐磨性，可以保证该纱线具有较高的机械拉伸性能，是纱线可以直接应用到机织物或针织物中。涤纶长丝外部包覆静电纺纳米纤维，具有极高的比表面积和较大的孔隙率，芯吸效应非常明显，可以保证纱线具有良好的亲水性和舒适性。
（2）纳米纤维内部含有抗菌剂，且均匀地分布在纳米纤维内部，可以有效地杀灭及抑制多种细菌、真菌，并且能承受多次洗涤，具有持久的抗菌功能。本发明抗菌纳米纤维纱线，通过纺织用纱线、纳米纤维和抗菌剂的组合，能够达到抗菌抑菌和亲水舒适的综合效果，且其耐热性好、耐洗性强，生产过程一次成型，能够有效节约成本和能源，附加值更高。
（3）本发明抗菌纳米纤维纱线的制备方法采用纳米纤维纱线机一次成型生产工艺，在正负极电场的耦合作用下，直接在纱线表面包覆抗菌纳米纤维，生产效率高，节约成本和能源。
附图说明
图1为本发明抗菌纳米纤维纱线的纵向SEM图片；
图2为普通涤纶长丝的SEM图片；
图3为本发明抗菌纳米纤维纱线制备方法的工艺流程示意图；
其中，1为供纱辊，2为张力装置，3为涤纶长丝，4为金属圆形靶，5为高压静电正极接线柱，6为高压静电负极接线柱，7为取向纳米纤维束，8为空心金属杆，9为抗菌纳米纤维纱线成品，10为卷绕辊，11、12为注射器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1： 一种抗菌纳米纤维纱线，包括芯部以及完全且均匀地包覆在芯部外表面的皮层；芯部为涤纶长丝，皮层为聚丙烯腈（PAN）静电纺纳米纤维，在静电纺纳米纤维内部均匀地分布有有机广谱抗菌剂三氯生。参见图1中的本发明抗菌纳米纤维纱线的纵向SEM图片，与图2中的普通涤纶长丝的SEM图片相对比可知：具有抗菌功能的聚丙烯腈/三氯生纳米纤维完全包覆在涤纶长丝表面，使该抗菌纳米纤维纱线具有良好的抗菌性。另外，纳米纤维的直径远远小于涤纶长丝的直径，具有非常大的比表面积，较大的孔隙率和芯吸性能，将赋予该抗菌纳米纤维纱线良好的亲水性和舒适性。
实施例2：一种抗菌纳米纤维纱线，与实施例1的不同之处在于，芯部为锦纶长丝，皮层为静电纺聚丙烯纳米纤维，在该静电纺聚丙烯纳米纤维内部均匀地分布有无机抗菌剂纳米银粒子。
实施例3：一种抗菌纳米纤维纱线，与实施例1的不同之处在于，芯部为腈纶长丝，皮层为静电纺聚乳酸纳米纤维，在该静电纺聚乳酸纳米纤维内部均匀地分布有纳米级TiO2粒子。
实施例4：一种抗菌纳米纤维纱线，与实施例1的不同之处在于，芯部为粘胶纱线，皮层为静电纺聚己内酯纳米纤维，在该静电纺聚己内酯纳米纤维内部均匀地分布有天然抗菌剂壳聚糖。
实施例5：一种抗菌纳米纤维纱线，与实施例1的不同之处在于，芯部为棉纱，皮层为静电纺聚氨酯纳米纤维。
实施例6：一种实施例1中的抗菌纳米纤维纱线的制备方法，包括下列步骤：
（1）配制聚合物溶液：首先配制质量分数为12%的聚丙烯腈纳米纤维溶液，然后向该溶液中加入占溶液质量1%的抗菌剂三氯生，并在室温下搅拌24h,使溶液均匀澄清，消泡后待用。
（2）引入纺织用纱线：将涤纶长丝纱管安装在静电纺纳米纤维纱线机的供纱辊上，使涤纶长丝依次经过纱线机的张力装置、金属圆形靶和空心金属杆被牵引至卷绕辊上。
（3）设置正负极注射器：使用两个注射器抽取步骤（1）所得的聚合物溶液，然后将两个注射器分别固定在两个微量注射泵上，两个注射器的针头分别与纱线机上设置的高压发生器的正、负极高压相连；与高压发生器的正极相连的注射泵流速设为1.0ml/h，与高压发生器的负极相连的注射泵流速设为0.8ml/h。
（4）纳米纤维取向：将高压发生器的正、负极电压分别设为11kV和10kV，两个注射器中的聚合物溶液在高压电场的作用下被拉伸形成射流，两股射流搭接在金属圆形靶以及空心金属杆之间形成取向纳米纤维束。
（5）加捻成纱：将金属圆形靶的旋转速度设为315r/min，使步骤（4）中的取向纳米纤维束包覆在涤纶长丝表面并加捻成纱；将卷绕辊的转速设为12r/min，使所得的抗菌纳米纤维纱线成品卷绕在卷绕辊上，实现抗菌纳米纤维纱线成品的连续收集。
在使用本发明所列举的其他种类的高聚物纳米纤维配制聚合物纳米纤维溶液时，不同的聚合物可纺丝的质量分数范围不同，可根据具体所用聚合物进行调整相应的溶液质量分数；使用本发明所列举的其他种类的抗菌剂、其他种类的长丝纱或短纤维纱线时，可根据具体情况调整抗菌剂用量，根据实际纺丝情况调节高压发生器的正负极高压，以及制备过程中的其他工艺参数。
在以上实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的工业原料如无特别说明，均为市售常规工业原料。
本发明实施例6中的抗菌纳米纤维纱线的制备方法，参见图3，采用的静电纺纳米纤维纱线机的成纱装置主要包括呈对称相对配置的两组作为喷丝头的注射泵和注射器，注射器11的针头与高压静电正极接线柱5相连，注射器12的针头与高压静电负极接线柱6相连；金属圆形靶4的一侧与一个绝缘杆相连，由一个电机驱动旋转；金属圆形靶4的另一侧是一个空心金属杆8，空心金属杆8靠近该金属圆形靶4的一头具有尖端，除尖端外的其他部分喷有绝缘漆；空心金属杆8的末端一侧为卷绕辊10，卷绕辊10可由另一电机控制旋转。两组喷丝头在经相互对称和电性相反的静电场的牵伸作用下，使聚合物溶液克服自身的表面张力，在高压电场的作用下被拉伸形成射流，两股射流在金属圆形靶4处相遇，搭接在金属圆形靶4与空心金属杆8尖端之间，得到取向纳米纤维束7。而涤纶长丝3通过纱线机头端的供纱辊1、张力装置2实现供纱，然后穿过金属圆形靶4和空心金属杆8被牵引至卷绕辊10上。当金属圆形靶4旋转，而空心金属杆8固定，于是金属圆形靶4与空心金属杆8之间的取向纳米纤维束7被包覆在涤纶长丝3表面并加捻成纱。卷绕辊10转动，使抗菌纳米纤维纱线成品9缠绕在卷绕辊上。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (9)

1. 一种抗菌纳米纤维纱线，其特征在于，包括芯部以及完全且均匀地包覆在所述芯部外表面的皮层；所述芯部为长丝纱或短纤维纱线，所述皮层为静电纺纳米纤维，在所述静电纺纳米纤维内部均匀地分布有抗菌剂。
2. 根据权利要求1所述的抗菌纳米纤维纱线，其特征在于，所述静电纺纳米纤维为静电纺聚丙烯腈纳米纤维、静电纺聚丙烯纳米纤维、静电纺聚氨酯纳米纤维、静电纺聚酯纳米纤维、静电纺聚乳酸纳米纤维或静电纺聚己内酯纳米纤维。
3. 根据权利要求1所述的抗菌纳米纤维纱线，其特征在于，所述芯部为涤纶长丝、锦纶长丝、腈纶长丝、棉纱或粘胶纱线。
4. 根据权利要求1所述的抗菌纳米纤维纱线，其特征在于，所述抗菌剂为无机抗菌剂纳米银粒子、纳米级TiO2粒子，或天然抗菌剂壳聚糖，或有机广谱抗菌剂三氯生。
5. 根据权利要求1所述的抗菌纳米纤维纱线，其特征在于，所述抗菌纳米纤维纱线采用静电纺纳米纤维纱线机一次成型制备而成。
6. 一种权利要求1所述的抗菌纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）配制聚合物溶液：首先配制质量分数为5%～25%的聚合物纳米纤维溶液，然后向该聚合物纳米纤维溶液中加入占溶液质量0.5%～2%的抗菌剂，并在室温下搅拌24h,使溶液均匀澄清，消泡后待用；
（2）引入纺织用纱线：将纺织用纱线的纱管安装在静电纺纳米纤维纱线机的供纱辊上，使该纱线依次经过纱线机的张力装置、金属圆形靶和空心金属杆被牵引至卷绕辊上；
（3）设置正负极注射器：使用两个注射器抽取步骤（1）所得的聚合物溶液，然后将两个注射器分别固定在两个微量注射泵上，所述两个注射器的针头分别与纱线机上设置的高压发生器的正、负极高压相连；
（4）纳米纤维取向：将所述高压发生器的正、负极电压分别设为9～20kV，其中正极高压比负极高压高1～2kV；所述两个注射器中的聚合物溶液在高压电场的作用下被拉伸形成射流，两股射流搭接在金属圆形靶以及空心金属杆之间形成取向纳米纤维束；
（5）加捻成纱：将所述金属圆形靶的旋转速度设为200～450r/min，使步骤（4）中的取向纳米纤维束包覆在涤纶长丝表面并加捻成纱；将所述卷绕辊的转速设为8～25r/min，使所得的抗菌纳米纤维纱线成品卷绕在卷绕辊上，实现的抗菌纳米纤维纱线成品的连续收集。
7. 根据权利要求6所述的抗菌纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，步骤（1）中配制的所述聚合物纳米纤维溶液为聚丙烯腈纳米纤维溶液、聚丙烯纳米纤维溶液、聚氨酯纳米纤维溶液、聚酯纳米纤维溶液、聚乳酸纳米纤维溶液或聚己内酯纳米纤维溶液。
8. 根据权利要求6所述的抗菌纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述纺织用纱线为涤纶长丝、锦纶长丝、腈纶长丝、棉纱或粘胶纱线。
9. 根据权利要求6所述的抗菌纳米纤维纱线的制备方法，其特征在于，在步骤（3）中，与所述高压发生器的正极相连的注射泵流速设为0.8～2ml/h，与所述高压发生器的负极相连的注射泵流速设为0.6～1.8ml/h。
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