碳-凯夫拉/环氧树脂混杂复合材料中使用二氧化硅与石墨烯纳米颗粒协同提升HCF寿命的研究

《Polymers》：Synergistic Enhancement of HCF Lifespan in Carbon–Kevlar/Epoxy Hybrid Composites UsingSilica and Graphene Nanoparticles Iman Voghofi, Faramarz Ashenai Ghasemi and Kazem Reza Kashyzadeh

　　

研究人员在本研究中探讨了经酶改性和壳聚糖功能化的棉/聚酯混纺织物的界面现象。酶预处理（生物活化）采用果胶酶复合剂（Biosol PRO）、酯酶复合剂（Texazym PES）及两者联合处理，旨在激活织物表面并改善混纺中聚酯组分的亲水性。壳聚糖功能化使用均质化的3%乙酸壳聚糖溶液，并通过浸轧-干燥-焙烘工艺施加于生物活化的织物。研究人员通过界面现象指标监测改性前后的变化，包括ζ电位（Zeta Potential, ZP）、等电点（Isoelectric Point, IEP）、比表面电荷（Specific Surface Charge, q）及接触角（Contact Angle, CA），并利用水分管理测试仪（Moisture Management Tester, MMT）测定润湿时间（Wetting Time, WT）和最大润湿半径（Maximum Wetted Radius, MWR）。同时评估织物的力学性能和光谱性质，并测试其抗菌效能。结果表明，酯酶与果胶酶虽作用于不同纤维组分，但均能改善织物性能，尤其是联合使用时效果更佳。经过三次洗涤循环后，酶活化的织物表面仍保留壳聚糖，这一点由ζ电位、IEP和比表面电荷的变化得以证实，抗菌活性亦保持稳定。其中，酯酶活化表面的壳聚糖功能化效果最优。总体而言，该处理方法提供了柔韧且机械稳定的功能化方案，兼具抗菌有效性和耐洗性，并可便捷地应用于纺织工业生产。

研究背景与意义

棉/聚酯混纺织物因结合天然舒适性与机械强度而在纺织服装工业中占据重要地位。然而，聚酯纤维结晶度高，活性基团少且疏水，需要表面改性以提升性能。传统碱处理工艺能耗高、化学品用量大、环境负担重，因此亟需开发高效、可持续的替代方案。酶法处理因其低温催化、可生物降解、环境友好等优势成为研究热点。壳聚糖作为一种天然生物聚合物，具备抗菌特性，但在纺织品上的耐久性不足。如何在无交联剂的情况下实现壳聚糖在棉/聚酯混纺织物上的稳定结合，并兼顾力学性能、亲水性与抗菌性，是本研究要解决的核心问题。该论文发表于《Polymers》，旨在提供一种可工业化应用的环保型多功能纺织品改性策略。

主要技术方法

研究选用50/50棉/聚酯混纺织物（平纹组织，单位面积质量170 g/m²）为样本。酶活化采用果胶酶（Biosol PRO）和酯酶（Texazym PES）单独或联合处理，条件为60 ℃、1 h、浴比1:10。壳聚糖功能化使用3%乙酸溶解的均质壳聚糖溶液（3 g/L），通过浸轧-干燥-焙烘工艺施加。耐洗性测试采用非离子表面活性剂Felosan NOF在标准条件下进行三次洗涤。表征方法包括力学性能测试（断裂强力、断裂伸长率）、光谱分析（白度）、数字显微镜观察、ζ电位与比表面电荷测定、接触角测量、水分管理测试（MMT）及抗菌活性检测（ISO 20645:2004）。

研究结果

3.1 力学与光谱性能

酶活化导致织物单位面积质量略有增加，这是由于棉纤维吸湿膨胀所致。酯酶处理对聚酯纤维产生轻微水解，引起断裂强力下降，但联合酶处理可减少机械损伤至2.55%。壳聚糖功能化进一步提升了生物活化织物的强力（+4%~+6.6%），并显著提高断裂伸长率，表明柔韧性增强。洗涤后，壳聚糖仍保留在织物上，强力损失有限，且高于仅洗涤的未处理织物。白度方面，酶活化几乎无影响，壳聚糖引入轻微黄变，洗涤后保持稳定。

3.2 界面现象

酶活化使ζ电位更负（最高达?35.4 mV），等电点向碱性方向移动。壳聚糖功能化显著提高了表面正电性，等电点升至pH 4.07~5.25，比表面电荷转为正值。洗涤后，虽然部分壳聚糖被移除，但ζ电位和等电点仍高于未处理织物，证实壳聚糖的残留与稳定性。接触角测试显示，酶活化显著提升亲水性（BPT样品完全润湿），壳聚糖功能化初期增加疏水性（CA 83°~126°），洗涤后恢复快速润湿。MMT测试表明，酶活化将织物转变为“快吸收快干型”，壳聚糖功能化初期降低液体扩散速度，洗涤后恢复优异的湿管理能力。

3.3 抗菌效能

未处理织物无抗菌性，洗涤后因表面活性剂作用出现轻微抑菌。酶活化仅有有限抗菌效果，而壳聚糖功能化对所有测试微生物（金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌）均表现出接触式抑菌（“+/?”级）。洗涤后抗菌性依然保留，表明壳聚糖结合稳定。

3.4 壳聚糖与织物的相互作用机制

壳聚糖在酸性条件下质子化为–NH₃⁺，通过氢键（N–H···O）与棉纤维羟基结合，并通过静电吸引与酶活化聚酯表面的–COO^?作用。物理缠结与多点结合形成三维网络，增强了附着力与耐久性。棉组分以氢键为主，聚酯组分以静电作用为主。

结论与讨论

本研究证明，酶活化与壳聚糖功能化的联合处理在保持织物力学性能的同时，实现了亲水性提升、抗菌性赋予及耐洗性保障。酯酶活化对聚酯的表面水解是关键，能够显著增加壳聚糖的结合位点与稳定性。该工艺无需交联剂，采用浸轧-干燥-焙烘方式，保持了织物柔软性与透气性，适用于医院防护服、仪器覆盖布等功能纺织品。相比传统碱处理，酶法更加节能环保，可直接整合入现有纺织生产线，具有显著的工业应用潜力。