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抗菌聚丙烯专用料的研制及应用

时间:2024-07-28

吴建东

(中国石化上海石油化工股份有限公司塑料部,200540)

纤维及非织造布用抗菌聚丙烯专用料具有内在抗菌性,所制成的抗菌纤维及抗菌非织造布可以将沾污在纤维和布面上的细菌在一定时间内杀死或抑制其增殖,保持自身清洁状态。与常规的化学和物理消毒方法相比,使用抗菌纤维及抗菌非织造布既经济方便,又可通过长期杀死或抑制细菌增殖,预防或降低疾病传播,从而提高人民健康水平。在此对纤维及非织造布用抗菌聚丙烯专用料的开发和研制进行介绍。

1 实验

1.1 原辅料

原辅料主要包括:纤维级聚丙烯粉料(中国石化上海石油化工股份有限公司塑料部生产)、抗氧剂、成核剂、过氧化物等少许添加剂(市售)、抗菌剂(市售和自行复配)。

1.2 试验用主要设备

主要设备有:GH—10DQ型混料机、D303带型螺杆造粒机、GH—50DQ型混料机、STSH—Z72双螺杆配混挤出造粒机。

1.3 测试仪器

(1)熔体流动速率测试:采用美国TINUSOLSEN987熔体流动速率测定仪;

(2)热性能测试:采用美国 TA仪器公司DSC—10型差示扫描量热仪;

(3)力学性能测试:日本岛津公司的万能材料试验机,日本东洋精机的AGS—5KND悬臂梁冲击试验机,美国DYNISW公司的低温冲击仪;

(4)模量测试:岛津拉力机AJS—5000N;

(5)抗菌剂分布观测:日本电子株式会社的透射电子显微镜(TEM);

(6)抗菌性能测试:由上海市工业微生物研究所测试。

1.4 分析测试方法

1.4.1 抗菌性能测试采用的标准

抗菌防霉测试:QB/T 2591—2003;抗菌防霉长久性测试:JC/T 939—2004;纤维和非织造布抗菌防霉测试:QB/T 20944.2—2008。

1.4.2 常规力学性能测试采用的标准

熔体流动速率:GB/T 3682—2000;拉伸屈服应力:ASTMD 638;弯曲模量:ASTMD 256;悬臂梁冲击强度:ASTMD 256。

1.4.3 DSC分析

在氮气保护条件下,取少量试样,以10 K/min的速率升温至200℃,然后再以同样的速率冷却至室温,进行熔融态及结晶态测试(DSC TA TNSTRUMENTS)。

2 结果与讨论

2.1 抗菌剂的选择及其在聚丙烯中的分散性

聚丙烯所用抗菌剂是1种具有杀灭微生物或抑制微生物繁殖的新型添加剂,添加微量抗菌剂即赋予聚丙烯长期的抗菌和杀菌能力。

为此先后对有机-无机复合型和新型高效有机型等多种抗菌剂进行了研制、复配,并进行了反复的纺丝试验和技术探索。采用以上两种抗菌剂制成的抗菌聚丙烯专用料,其本身都具备了强抗菌防霉能力,但有机-无机复合型抗菌剂由于粒径太小,表面能大,微粒在持续的纺丝高温下,出现了部分团聚现象,影响了专用料的可纺性及其抗菌性能;而新型高效有机型抗菌剂则能“忍受”住纺丝持续高温以及过量降温母粒(过氧化物)的影响,不仅其结构性能未变,而且在高温聚丙烯熔体中表现出良好的分散状态,随后反复试验优化了分散剂配方,把易于凝结的成分去除,从而使其分散状态更佳(见图1)。

图1 新型高效有机型抗菌剂在纤维中分布情况

从图1可见:新型高效有机型抗菌剂均匀地分散在聚丙烯纤维中。

2.2 抗菌剂对聚丙烯材料热力学结晶性能的影响

聚丙烯大分子虽经抗菌功能团的改性,但其主体结构仍达99%以上,不失其优异的特性,只是大分子聚集态情况稍有变化。在小试经验的基础上,进行了放大试验及生产,制出了若干批符合纺丝特性的抗菌聚丙烯专用料,具体DSC数据见表1。

表1 聚丙烯专用料样品DSC数据

从表1中可知:抗菌聚丙烯样品的结晶速度低于同类普通聚丙烯样品,而过冷度前者大于后者,从而抗菌聚丙烯的球晶粒度较同类普通聚丙烯要大。在表1中也显示了前者的结晶度较后者小,这是因为抗菌剂呈环状结构妨碍了大分子的结晶。

2.3 抗菌剂对材料力学性能的影响

从前面的研究可知,由于抗菌功能团的进入,材料结晶速度变慢,球晶变大,结晶度有所减少,并且使聚丙烯材料的力学性能也有所变化,如表2所示。

表2 抗菌聚丙烯专用料(中试)力学性能测试

从表2中可以看出:抗菌聚丙烯专用料样品的力学性能数据的变化,在理论上与大分子聚集态的变化一致。

2.4 抗菌剂对纤维及非织造布质量的影响

2.4.1 抗菌剂对聚丙烯非织造布力学性能的影响

表3为抗菌聚丙烯非织造布力学性能测试情况。

表3 抗菌聚丙烯非织造布力学性能测试

从表3可知:抗菌聚丙烯非织造布其纵、横向强度好于普通聚丙烯非织造布,这是由于抗菌聚丙烯结晶度低,纤维与纤维间的粘结强度增加所致。另外,由于抗菌聚丙烯结晶度低、软化点低,非织造布热轧温度降低,从而使非织造布质地更加柔软,透气、透湿效应更强,用于即弃卫生用品质量会更上一个台阶。

2.4.2 抗菌剂对聚丙烯纤维质量的影响

表4为对抗菌聚丙烯纤维力学性能的测试情况。

表4 抗菌聚丙烯纤维力学性能测试

从表4可见:抗菌聚丙烯纤维力学性能数据全部好于普通聚丙烯纤维标准,这就说明所采用的抗菌剂对纤维质量没有不利影响。

2.4.3 抗菌剂对聚丙烯可纺性的影响

由于该抗菌剂与聚丙烯的相容性好,抗菌剂在聚丙烯基体中分散性好,故其熔体流动性不受影响,仍具有良好的可纺性。抗菌专用料在用纺黏法纺制非织造布时,生产运转都达到了普通聚丙烯的正常速度。纺丝无喷丝孔堵塞,纺丝过滤无压力骤增,没有出现非正常断丝等现象,纤维成型卷装和非织造布布面外观理想。

2.5 抗菌聚丙烯专用料的抗菌性能特点

抗菌基团能够消除细菌的离子梯度,而细菌就是通过这种离子梯度进行正常呼吸和获得营养。由于离子梯度的消除,细菌不能进行呼吸和获得营养,最终必然死亡,而它在杀死细菌的同时本身并未被消耗,保证了抗菌效果的持久性。表5是测出的抗菌防霉数据。

表5 抗菌聚丙烯的抗菌效果

表5中抗菌塑料板是根据建筑用抗细菌塑料管抗细菌性能标准JC/T939—2004试验后进行检测,即:塑料板在50℃温水连续冲洗16 h后再进行抗菌防霉检测。从表5可知:该抗菌聚丙烯专用料具有持久、高效、广谱的抗菌能力。在纺丝持续高温、高浓度的色母粒、高含量的降温母粒(过氧化物)作用下,其纤维和非织造布仍能符合抗菌防霉要求。

抗菌基团经过精心设计和优选,对日常生活环境常见的细菌、真菌和霉菌等都有优异的抑制效果,可有效抑制易导致常见病、多发病的细菌以及常造成的黑点、粘滑和臭气的霉菌。

2.6 使用安全性

该抗菌聚丙烯薄板的毒理安全性由上海市疾病控制中心检测,其中急性经口毒性试验为:受试薄板按1 cm2加0.2 mL 4%乙酸的比例,在60℃中浸泡2 h,所得浸提液直接对20只合格昆明种小鼠(雌、雄各10只)按20 mL/kg的标准灌胃。结果在试验期间各组动物活动正常,毛色光泽度好,未见任何中毒症状和死亡。

根据上述试验可以得知,该抗菌聚丙烯薄板属无毒级物质。

皮肤刺激试验为:取合格新西兰家兔,普通级4只,体重2.5~3.0 kg,试验前24 h将背部脊柱两侧去毛,去毛范围各约3 cm×3 cm。次日在左侧完好去毛皮肤上划出2.5cm×2.5cm的试验区,将浸提液0.2 mL均匀涂抹在试验区皮肤上,并用一层玻璃纸将其覆盖,再用无刺激胶布固定,使浸提液与皮肤直接接触,以右侧毛皮肤作对照。待试验结束后除去覆盖物,并用温水清洗除去残留浸提液后。分别于除去残留浸提液后1,24,48 h观察试验部位皮肤反应,按皮肤刺激反应强度的评分标准评分,并对皮肤刺激反应强度进行分级。

根据上述试验,可以得知受试物对家兔急性皮肤刺激均为无刺激性物质。

3 抗菌聚丙烯专用料在纤维及非织造布领域中的应用

非织造布所用抗菌丙纶抗菌效果显著,无毒无害,不改变产品的原有性能和质量。对与之接触细菌的抑杀率高达95%以上,因其抑杀细菌的方式是物理性的,杀菌剂既不溶出,也不分解,更不会进入人体,自然也不会对人体产生任何副作用。抗菌持久,可以长期保存,使用者即使较长时间不更换抗菌用品,其自动清洁功能也不会减弱。

(1)抗菌口罩和医学防护服

在医院、康复院等易感染场所,由于缺乏抗病菌、抗病毒防护,每年都有相当数量的医护人员和其他工作人员遭受感染,尤其是2003年爆发的非典型性肺炎初期,由于没有装备抗菌口罩和防护服,致使许多医护人员也受到感染。抗菌口罩能有效地吸附并杀死病菌,抑制细菌穿透过滤层。

(2)妇女卫生巾、婴儿尿布、老人失禁垫等用即弃产品

这些产品接触人类生殖器官、排泄口,是病菌、病毒最易在湿热环境下迅速繁殖的地方。如果具备了极强的抑杀细菌作用,就超越了这些产品只解决吸收污液的单一功能,而是集抗菌、清洁、除异味、保健于一体的高科技新产品。

据统计,我国处于15~49岁生理期的妇女超过3亿,2周岁以下需用尿布的婴儿5 000万,60岁以上老年人已达1.2亿。虽然由于中国人节俭的风俗和中国长期欠发达的国情,决定了中国用即弃产品的发展与发达国家不尽相同。目前妇女卫生巾、婴儿尿布、成(病、老)人失禁垫等普及率还不高,但随着人民生活的不断改善,对医疗和卫生水平的要求越来越高,抗菌医用非织造布的需求量无疑是十分可观的。

(3)空调机、除湿机、环保和工业用过滤材料

因为普通丙纶及其非织造布所制造的过滤材料不具备抗菌能力,而被过滤的空气或液体中均存在细菌,当空气或液体经过过滤材料时,细菌就会被吸附在材料上,大量繁殖,并形成一种粘滞物,堵塞过滤材料,导致过滤材料发霉、发黑。使用抗菌丙纶非织造布制造的过滤材料,当空气或液体经过过滤材料时,细菌就会被吸附抑杀,从而大大延长了过滤材料的使用寿命,并提高被过滤空气和液体的清洁质量。

(4)抗菌丙纶非织造布鞋材

脚气、脚臭是由细菌和真菌等微生物引起的,在鞋子所形成的密闭环境里汗液、皮脂、皮屑为微生物提供了营养,鞋内的温湿度也非常适合其生长,大量繁殖的细菌和真菌是使鞋子和脚产生异味、脚气的原因。如果穿上了装有抗菌鞋材的鞋子,就能有效地抑杀细菌和真菌,消除由细菌感染引起的脚气和脚臭,给人们提供健康卫生的生活。

(5)抗菌装饰用品

据相关资料报导,2000年我国地毯的年产量已达1.5×108m2,广泛用于家庭、火车、汽车用毯。各种应用环境对地毯的功能特性提出了更高的要求,用抗菌丙纶制作的地毯、墙布以及由纺黏法制作的丙纶非织造布可以有效地防止霉变和细菌的传播。

(6)抗菌包材用品

我国每年用聚丙烯非织造布制造的装饰布及包材用品用量巨大,但装饰布及包材用品有很多由于材料的霉烂而导致报废,更有产品在储存过程中就已发生霉变,造成巨大损失。使用带有抗菌防霉功能的非织造布,不仅能够避免这一损失,而且会提高使用质量,抑制细菌转播。

(7)抗菌服用产品

抗菌棉型丙纶在纺织品行业制作运动服、T恤、内衣、睡衣等贴身穿着的各类服装和袜子,和羊毛或超暖导湿复合棉结合制成具有抗菌效果的保暖内胆,不仅可保持原有功能,还可抗菌除臭。抗菌纤维与天然纤维混纺或纯纺制成的永久性抗菌纺织品,可用于医院专用床单,宾馆用床上用品、毛巾、装饰织物,美容业用毛巾等,既可防止交叉感染和病菌的传播,又可简化各种繁杂的消毒程序并降低使用成本。

4 结语

新型高效有机型抗菌聚丙烯(纤维及非织造布)专用料具有高效、广谱、持久抗菌能力,优秀的使用安全性,按有关标准严格制成的浸提液无毒性、无刺激性。

抗菌剂与聚丙烯基体相容性好,并在聚丙烯基体中有良好的分散性,也有很好的可纺性。由于专用料中大分子结晶度有所降低,能增加非织造布纤维间的热粘性能,从而能提高非织造布的强力和柔软性,用其专用料制作的卫生用品会性能更好,质量更佳。

该抗菌聚丙烯(纤维及非织造布)专用料的开发成功,使我国聚丙烯纤维和非织造布制品的功能性开发又迈上了一个新台阶。随着我国经济的快速发展和生活水平的提高以及国力的增强,人们观念的更新以及生活水准的提高,纤维及非织造布用抗菌聚丙烯专用料必然会迎来美好的前景。

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