基于氰尿酸的卤胺抗菌剂前驱体的合成及应用

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马凯凯,姜潜远,蒋之铭,任学宏
(江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏无锡 214122)

摘要：本课题合成一种基于氰尿酸的卤胺抗菌剂前驱体1-（2，3-二羟基丙基）-S-三嗪三酮（DTT），并在交联剂1，2，3，4-丁烷四羧酸（BTCA）协助下成功交联到了棉织物上。用FTIR 和 SEM对涂层做了表征。该涂层经过氯漂后具有优良的抗菌功能。在对金黄色葡萄球菌(ATCC 6538)和大肠杆菌(ATCC 43895)的抗菌测试中，可以在一分钟内杀死全部细菌。强力、褶皱恢复角、水洗照稳定性在本课题中也做了测试。
关键词：纺织工程；卤胺；氰尿酸；棉织物；抗菌

Abstract： A N-halamine precursor based on cyanuric acid, 1-(2,3-dihydroxypropyl)-s-triazine-2,4,6-trione (DTT), were synthesized and tethered onto cotton fabrics via the cross-linking agent 1,2,3,4-butanetetracarboxylic acid (BTCA). The coated samples were characterized by FTIR and SEM. The coated fabrics were rendered biocidal upon exposure to dilute hypochlorite solutions. The chlorinated cotton swatches were challenged with Staphylococcus aureus (ATCC 6538) and Escherichia coli O157:H7 (ATCC 43895) and exhibited excellent biocidal efficacy with complete inactivation within 1 min. Breaking strength, wrinkle recovery angle and stability of the coated samples to washing stability were also investigated.
Keywords: textile engineering, N-halamine; cyanuric acid; cotton; antimicrobial
 
1 概述
致病菌引起的感染是人类面临的最大威胁之一，而纺织品又是细菌传播和增殖的优良媒介。所以人们对使用抗菌剂来生产抗菌纺织品做了大量研究。卤胺类抗菌剂是目前生产抗菌纺织品最有前途的抗菌剂。因为卤胺类抗菌剂具有广谱杀菌，无毒，环境友好等特点。同时，它们的抗菌性具有可再生性和持久性。^1-5
N-halamine及其前驱体可与纺织品以共价键或者其它方式结合，然后通过氯化过程转变为N-halamine化合物，其抗菌能力来源于具有氧化性的N-Cl键，使微生物失活，N-Cl键转变为N-H键，但该转变是可逆的。在漂液中洗涤时，失活的抗菌剂分子中的N-H键，会重新获得Cl原子而转变为N-Cl键。含卤胺类化合物不仅具有高效的杀菌作用，而且可以能有效地杀死病毒和真菌，这是其它抗菌剂所无法比拟的。^6,7
美国奥本大学和加州大学戴维斯分校就卤胺类抗菌剂进了近二十年研究，研发出一系列卤胺类抗菌剂。它们都是通过化学键接枝到织物上，所以赋予织物长久的抗菌效果。Sun等将3-羟甲基-5，5-二甲基海因，1，3-二羟基-5，5-二甲基海因，3-羟甲基-2，2，5，5-四甲基-咪唑烷-4-酮通过轧烘焙工艺整理到棉织物上，经氯漂后，赋予织物高效抗菌性能。^8-10 Ren将3-（三乙氧硅基)丙基-5，5-二甲基海因通过轧烘焙涂层到棉织物和涤纶上，取得良好抗菌效果。¹¹Ren 和Sun 分别将3-（4-苄基）-5，5-二甲基海因和3-烯丙基-5，5-二甲基海因通过在织物表面聚合的方法，接枝到棉织物和化纤织物上，整理后织物水洗牢度非常稳定，五十次水洗仍保持抗菌效果。^12,13以上科研团队合成的卤胺类抗菌剂虽然在实践中有优良的抗菌效果，但是在实际应用中存在一些问题：原料价格昂贵；反应能耗大、反应时间长、生产成本较高。
本课题用廉价的氰尿酸作为原料，合成一种新型的卤胺抗菌剂前驱体1-（2，3-二羟基丙基）-S-三嗪三酮（DTT）。使用BTCA作为交联剂成功将前驱体交联到棉织物上，过程如图1所示。前驱体为水溶性，配制工作液时不需加入有机溶剂助溶，而且在整理纺织品和使用纺织品时不存在甲醛释放的问题，符合绿色环保的要求。如图2所示，交联到棉织物上的的氰尿酸六元环环经过氯漂后，可以形成酰亚胺氯胺结构，具有强大的杀菌能力，可以在一分钟内杀死10⁷CFU单位的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。而且抗菌效果对水洗有良好的稳定性。因为交联剂BTCA的使用，织物的褶皱恢复角有一定的提高。强力的损失可控制在35%以内，考虑到赋予织物的抗菌性能，这种损失是可以被接受的。

 
2 实验部分
2.1 主要药品和仪器
药品：氰尿酸，氢氧化钠，3-氯甘油，碘化钾，硫代硫酸钠，可溶淀粉均为分析纯试剂。
仪器：AVANCE Ⅲ 400MHz 型全数字化核磁共振谱仪，NICOLET NEXUS 470 型红外光谱仪，SU-1510 型电子扫描显微镜， YG(B)026D-250型电子织物强力机，YG541D型全自动数字式织物折皱弹性仪，耐洗牢度仪 SW-12AII 温州市大荣纺织仪器有限公司。
2.2 前躯体的合成及应用
2.2.1 1-(2，3-二羟基丙基)-S-三嗪三酮的合成
称取6.45 g（0.05 mol）氰尿酸置于250 mL平底烧瓶中，加入100 mL去离子水，用玻璃棒搅拌均匀后加入4 g氢氧化钠，继续搅拌至氰尿酸完全溶解，缓慢滴加5.50 g（0.05 mol）3-氯甘油，于室温（25℃）充分搅拌反应10 h，用稀硫酸调节pH至7.0；用旋转蒸发仪除去反应后溶液中的水分，并将所得固体溶解于DMF中，过滤除去合成副产物氯化钠，再通过旋转蒸发仪除去滤液中的DMF，得到白色固体为卤胺类抗菌剂前驱体1-(2，3-二羟基丙基)-S-三嗪三酮（产率82%）。¹H-NMR (400 MHz， DMSO-d6)：δ 3.25（2H）， δ 3.70（3H）， δ 4.42（1H）， δ 4.75（1H）， δ 9.80 (2H);
2.2.2 1-(2，3-二羟基丙基)-S-三嗪三酮整理织物
合成的卤胺类抗菌剂前驱体1-(2，3-二羟基丙基)-S-三嗪三酮配制成质量百分浓度为1.5%-7%的工作液，工作液中与前驱体等摩尔的BTCA，将待处理天然纤维纺织品浸渍于上述工作液15 min，二浸二轧，轧余率100%。于100℃在烘干机中烘干2 min，然后于160℃焙烘3 min；取出焙烘后的棉织物，用质量百分浓度为0.5%的标准皂片溶液和大量的去离子水清洗其表面，于室温晾干。
2.3 棉织物的氯化及氯含量的滴定
将整理后的棉织物浸泡于质量百分浓度为0.5%的次氯酸钠溶液中（用稀硫酸调节溶液pH值至7.0），浸泡1 h后取出棉织物并用大量的清水清洗，于45℃在烘干机中烘干1 h以除去游离氯，制得抗菌纯棉织物。
称取0.1 g左右的织物放于50 mL锥形瓶中，加入10 mL蒸馏水，加入0.2g KI，滴加几滴淀粉溶液，搅拌十分钟，溶液变成蓝色。用一定浓度的Na₂S₂O₃溶液滴定，滴定至溶液无色。根据Na₂S₂O₃溶液的用量计算织物氯含量。计算公式如下 ：

2.4 抗菌性能测试
按照修正AATCC 100-1999检测方法对空白样和抗菌改性的棉织物进行测试。本课题采用金黄色葡萄球菌(ATCC 6538)和大肠杆菌O157：H7 (ATCC 43895)作为测试菌种。将25 μL细菌悬浮液接种于两块边长为2.54 cm的正方形的抗菌样品中，每块样品接种大约10⁷CFU细菌，用无菌重物加紧保证紧密接触。经一定接触时间后，将抗菌试样置于圆锥形离心管中，用5.0 mL，0.02 N的无菌硫代硫酸钠除去氧化性的氯，并旋转震荡2 min。将上述溶液用100 μM，pH=7的磷酸盐缓冲溶液稀释，稀释后的溶液置于培养基中，在37 °C下恒温培养24 h。计算存活菌落数目，计算抗菌率。
2.5 织物断裂强力测试
织物断裂强力根据GB/T3923-1998《织物拉伸性能断裂强力和断裂伸长率的测定条样法》测定。
2.6 织物折皱回复角测试
褶皱恢复角根据GB/T3819-1997《纺织品织物折痕回复性的测定回复角法》测定，用经纬向平均缓弹回复角之和代表样品的总折皱弹性指标。
2.7 耐水洗牢度性能测试
耐水洗牢度性能按照AATCC61-2003测定，每个机洗循环相当于五次家庭机洗。
3 结果与讨论
3.1 织物的傅里叶红外光谱表征
 
图3 傅里叶红外光谱： (A)原棉， (B) 原棉仅BTCA整理， (C) 原棉经BTCA和DTT整理， （D）原棉经BTCA和DTT整理并氯化
相比于未整理的棉织物，BTCA整理后在1716cm-1出现新的吸收峰，这和BTCA羰基吸收峰相同。BTCA和前驱体DTT共同整理时，吸收峰移动到1713cm-1处，这是BTCA中羰基和氰尿酸羰基吸收峰叠加的结果。经过氯化后，上述叠加峰移动到1721cm-1处，这是因为氰尿酸环上的N-H转变为N-Cl，带部分正电荷的Cl原子的吸电子诱导效应致使羰基氧上电子云密度降低所致。⁹
3.2 织物氯含量

图4 前驱体浓度对织物氯含量的影响
氰尿酸六元环交联到棉织物后，经过氯漂，N-H键转变为N-Cl键，N-Cl键的氯原子为氧化性氯，可用硫代硫酸钠/碘化钾法定量测定。不同浓度整理棉织物的氧化性氯如上图所示。随着两种前驱体浓度的增加，织物上氯含量也增加，是因为更多氰尿酸环被交联到织物上的结果。实验结果显示，3% DTT 整理的棉织物的活性氯含量为0.26%。按照以往研究，该水平的氯含量将具有良好的抗菌效果，所以选用上述工艺整理的棉织物做进一步研究。
3.3 断裂强力和褶皱恢复角
表1 织物强力和褶皱恢复角

	断裂强力 (N)		褶皱恢复角
	纬向	经向
原棉	367	836	144
整理后棉织物	258	605	256

 
织物断裂强力和褶皱恢复角如上表所示。经过3% 1-（2，3-二羟基丙基）-S-三嗪三酮和等摩尔BTCA整理后织物在经纬向上的强力损失为28%、30% 。 因为本方法选用BTCA作为交联剂，在整理过程中会造成纤维素大分子的降解，同时发生生分子间的交联增加纤维的应力不均，这两个因素都会造成棉织物强力下降。使用 1-（2，3-二羟基丙基）-S-三嗪三酮时，所加BTCA更多，所以强力损失更严重。同时BTCA作为一种抗皱整理剂，使织物褶皱恢复角有一定提高。
3.4 水洗稳定性
表2 水洗稳定性测试结果

机洗次数	剩余氯含量（%）	再氯化后氯含量
0	0.26	0.26
5	0.07	0.23
10	0.04	0.20
25	0.03	0.20
50	0	0.19

如表2所示，预先氯化的织物，经过五十次机洗后，氯含量逐渐变为0，这主要是因为N-Cl键水解转变为N-H键造成的。五十次机洗并氯化，两种抗菌剂整理的织物氯含量可恢复到0.19%。虽然机洗过程中酯键的水解会造成小部分前驱体脱离织物，但是50次机洗并氯化后得到的氯含量仍可满足快速杀菌的需求。¹²
3.5抗菌测试
按照AATCC 100方法测试抗菌整理后的抗菌效果，结果如表所示。经前驱体整理但未氯化的样品在10 min的接触时间内两种细菌有小幅度的减少，这是因为细菌粘附到棉纤维的表面造成的.氯化后的织物，在1min的接触时间内，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌O157：H7杀灭率达到100%.杀菌的原理是卤胺化合物上的N-Cl键中的Cl原子具有氧化性，在其与细菌接触的过程中，氧化态的卤素转移到微生物的接受位上，氧化硫醇基或者氯化蛋白质中的氨基，从而使微生物失活。抗菌测试结果显示，该类型抗菌剂整理的织物具有为快速高效的抗菌性。
表3 抗菌测试结果

样品	接触时间(min)	S. aureusa			E.coli 0.157:H7b
		减少率			减少率
		%	Log		%	Log
DTT-Cotton	10	97.70	1.64		2.23	0.29
DTT-Cotton-Cl	1	100	7.00		100	7.34
(0.26 % Cl+)	5	100	7.00		100	7.34
	10	100	7.00		100	7.34

^a接种浓度: 1.00 x 10⁷ (CFU/sample)
^b接种浓度: 2.19 x 10⁷ (CFU/sample)
4 结论
本课题以氰尿酸、3-氯甘油为原料，合成一种卤胺抗菌剂前驱体1-（2,3-二羟基丙基）-S-三嗪三酮(DTT)。采用轧-烘-焙工艺可以将前驱体涂层到棉织物上，并用红外吸收光谱对整理后织物做了表征。DTT整理后的棉织物经50次机洗，织物再氯化后含氯量可以恢复到原来的61%。前驱体处理织物强力损失都可控制在30%以内，DTT整理后的棉织物时因为加入BTCA，褶皱恢复角有较大提高。按照AATCC100方法对前驱体改性并且氯化的织物进行抗菌性能测试，结果显示DTT整理后的棉织物经过氯漂后可以被赋予优异的抗菌功能。DTT整理后的棉织物经过氯漂后在1min接触时间内，可以100%杀死金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。
参考文献
[[1]] 朱亚伟，任学宏．纺织品抗菌后整理加工现状[J]．印染助剂，2005，22(1)：10-14．
[2] 李燕飞，安玉山．抗菌剂和抗菌织物加工方法及展望[J]．新纺织，2003，44(6)：45-48．
[3] 王春娇，王耀．纺织品的抗菌整理[J]．新纺织，2004(2)：36-38．
[4] 赵广明，霍瑞亭，顾振亚．织物抗菌整理及抗菌整理剂的现状与发展趋势[C]．第六届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集，2006(5)：237-241．
[5] 夏金兰，王春，刘新星．抗菌剂及其抗菌机理[N]．中南大学学报，2004,35(1)：31-38．
[6]Liu, S., Sun, G. New Refreshable N-Halamine Polymeric Biocides: N-Chlorination of Acyclic Amide Grafted Cellulose[J]. Ind. Eng. Chem. Res. 2009, 48, 613–618. 
[7]Sun, Y., Sun, G. Durable and Regenerable Antimicrobial Textile Materials Prepared by A Continuous Grafting Process[J]. J. Appl. Poly. Sci. 2002, 84, 1592–1599.
[8]Sun, G., Xu, X. Durable and Regenerable Antibacterial Finishing of Fabrics: Biocidal Properties[J]. Text. Chem. Color. 1999, 30, 26–30.
[9]Qian, L., Sun, G. Durable and Regenerable Antimicrobial Textiles: Synthesis and Applications of 3-methylol-2,2,5,5-tetramethyl-imidazolidin-4-one（MTMIO)[J]. J. Appl. Polym. Sci.
2003, 89, 2418–2425.
[10]Sun, G., Xu, X. Durable and Regenerable Antibacterial Finishing of Fabrics: Fabric Properties[J]. Text. Chem. Color. 1999, 31, 21–24.
[11]Ren, X., Kou, L., Liang, J., etc. Antimicrobial Efficacy and Light stability of N-halamine Siloxanes Bound to Cotton[J].  Cellulose  2008,  15, 593–598.  
[12]Ren, X., Kou, L., Kocer, H. B., etc. Antimicrobial Coating of an N-halamine Biocidal Monomer on Cotton Fibers via Admicellar Polymerization[J]. Collid.Surf. A 2008, 317, 711–716.
[13]Sun, Y., Sun, G. Novel Regenerable N-halamine  Polymeric Biocides. II. Grafting Hydantoin-containing Monomers onto Cotton Cellulose[J]. J. Appl. Polym. Sci. 2001, 81, 617–624.