抗菌處理對SBR潛水料複合麵料性能影響的實驗分析 引言 隨著現代功能性紡織品技術的快速發展，潛水服材料在海洋運動、水下作業及軍事領域中的應用日益廣泛。其中，氯丁橡膠（Styrene-Butadiene Rubber, ...
抗菌處理對SBR潛水料複合麵料性能影響的實驗分析
引言
隨著現代功能性紡織品技術的快速發展，潛水服材料在海洋運動、水下作業及軍事領域中的應用日益廣泛。其中，氯丁橡膠（Styrene-Butadiene Rubber, SBR）因其優異的保溫性、柔韌性和防水性能，成為製造潛水料的核心材料之一。然而，SBR材料在長期使用過程中易受微生物汙染，尤其是在潮濕、溫暖的環境中，容易滋生細菌和真菌，導致異味、材料老化甚至引發皮膚過敏等問題。因此，對抗菌功能的研究與開發已成為提升SBR潛水料複合麵料綜合性能的重要方向。
抗菌處理通過在材料表麵或內部引入具有抑菌、殺菌能力的功能成分，有效抑製微生物的生長與繁殖。目前常見的抗菌劑包括銀離子、季銨鹽、納米氧化鋅、殼聚糖等，其作用機製各異，但均能顯著改善織物的衛生性能。本文旨在通過係統實驗分析不同抗菌處理方式對SBR潛水料複合麵料物理機械性能、熱學性能、耐久性及抗菌效果的影響，並結合國內外權威研究成果進行深入探討。
1. 實驗材料與方法
1.1 實驗材料
本研究所用SBR潛水料複合麵料由三層結構組成：外層為尼龍彈力布（210D Nylon Spandex），中間層為發泡氯丁橡膠（SBR Foam），內層為聚酯/氨綸混紡針織布（Polyester/Spandex Knit）。具體產品參數如下表所示：
| 參數 | 數值 |
|---|---|
| 厚度（mm） | 3.5 ± 0.2 |
| 克重（g/m²） | 680 ± 20 |
| 拉伸強度（MD/TD, N/5cm） | 280 / 260 |
| 斷裂伸長率（MD/TD, %） | 450 / 430 |
| 導熱係數（W/(m·K)） | 0.052 |
| 孔隙率（%） | 78.5 |
| 表麵接觸角（°） | 102 |
所有樣品均來自國內某知名潛水裝備製造商（江蘇南通XX新材料有限公司），符合GB/T 21655.1-2008《紡織品 吸濕速幹性的評定 第1部分：單項組合試驗法》及ISO 20075:2017《Rubber compounding ingredients — Zinc oxide》相關標準。
1.2 抗菌處理方法
選取四種主流抗菌處理工藝對SBR複合麵料進行改性處理：
- 銀離子浸漬法：采用納米Ag⁺溶液（濃度500 ppm）在60℃下浸漬30分鍾，烘幹定型；
- 季銨鹽塗層法：使用雙十八烷基二甲基氯化銨（DSDMAC）以噴塗方式施加於表麵，固含量3%；
- 納米氧化鋅共混法：將ZnO納米顆粒（粒徑20–30 nm）預先分散於SBR膠乳中，發泡成型；
- 殼聚糖接枝法：利用戊二醛交聯劑將殼聚糖溶液（2 wt%）接枝至內層麵料纖維上。
每種處理設三個平行樣本，未處理樣作為對照組（Control Group）。
1.3 測試方法與儀器
依據國家標準和國際測試規範，開展以下性能檢測：
- 抗菌性能測試：參照GB/T 20944.3-2008《紡織品 抗菌性能的評價 第3部分：振蕩法》及AATCC 100-2019《Antibacterial Finishes on Textile Materials: Assessment of》，測試菌種為金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus, ATCC 6538）和大腸杆菌（Escherichia coli, ATCC 8739）。
- 物理機械性能：按GB/T 3923.1-2013測定拉伸強度與斷裂伸長率，使用Instron 5969萬能材料試驗機。
- 熱學性能：采用Hot Disk TPS 2500S熱常數分析儀測定導熱係數。
- 耐洗性測試：模擬家用洗衣機條件（40℃，50次洗滌循環），參照ISO 6330:2012。
- 表麵形貌分析：通過掃描電子顯微鏡（SEM, Hitachi SU3500）觀察微觀結構變化。
- pH值與皮膚刺激性評估：依據GB/T 7573-2009測定水萃取液pH值，並參考OECD TG 439體外皮膚腐蝕試驗進行初步生物相容性判斷。
2. 結果與討論
2.1 抗菌性能對比分析
經過不同抗菌處理後，SBR複合麵料對兩種典型革蘭氏細菌的抑菌率結果如表2所示。
| 處理方式 | 金黃色葡萄球菌抑菌率（%） | 大腸杆菌抑菌率（%） | 抗菌等級（GB/T 20944） |
|---|---|---|---|
| 未處理（對照） | 0.0 | 0.0 | 無 |
| 銀離子浸漬 | 99.7 | 99.5 | AAA級 |
| 季銨鹽塗層 | 96.2 | 94.8 | AA級 |
| 納米氧化鋅共混 | 98.1 | 97.3 | AAA級 |
| 殼聚糖接枝 | 93.5 | 91.2 | A級 |
從數據可見，銀離子與納米氧化鋅處理表現出強的廣譜抗菌能力，抑菌率均超過97%，達到國家高評級AAA級。這一結果與國外學者Borkow G.等人在《Current Medicinal Chemistry》（2010）中指出的“銀離子可通過破壞細菌細胞膜、幹擾DNA複製實現高效殺菌”理論一致。而季銨鹽雖初期效果良好，但其正電荷結構易被陰離子表麵活性劑中和，導致耐久性下降。
值得注意的是，殼聚糖作為一種天然多糖類抗菌劑，雖抑菌率略低，但具備良好的生物降解性與皮膚親和性，適合用於敏感人群使用的潛水裝備。韓國全南國立大學Kim Y.C.團隊曾在《Carbohydrate Polymers》（2018）中報道，經適度脫乙酰度處理的殼聚糖對多種海洋致病菌均有顯著抑製作用。
2.2 物理機械性能變化
抗菌處理可能對麵料的力學性能產生影響，尤其是涉及塗層或化學接枝時。各處理組的拉伸性能測試結果見表3。
| 處理方式 | 拉伸強度（MD, N/5cm） | 拉伸強度（TD, N/5cm） | 斷裂伸長率（MD, %） | 斷裂伸長率（TD, %） |
|---|---|---|---|---|
| 未處理 | 280 | 260 | 450 | 430 |
| 銀離子浸漬 | 275 | 255 | 440 | 420 |
| 季銨鹽塗層 | 250 | 235 | 400 | 380 |
| 納米氧化鋅共混 | 278 | 258 | 445 | 425 |
| 殼聚糖接枝 | 265 | 248 | 420 | 405 |
結果顯示，納米氧化鋅共混法對力學性能影響小，僅輕微降低約2–3%，說明其均勻分散於橡膠基體中未顯著破壞材料連續性。而季銨鹽塗層因在表麵形成致密膜層，限製了纖維滑移，導致延展性明顯下降（降幅達11.6%）。銀離子處理雖引起小幅性能衰減，但仍在可接受範圍內，符合潛水服安全使用標準（ASTM F2222-17規定拉伸強度不低於220 N/5cm）。
此外，SEM圖像顯示，季銨鹽處理樣品表麵出現微裂紋，推測是由於溶劑揮發過程中應力集中所致；而納米ZnO顆粒則均勻嵌入泡孔壁中，增強了局部剛性支撐。
2.3 熱學與保溫性能
潛水料的關鍵功能之一是維持人體核心溫度，因此導熱係數是衡量其保溫性能的重要指標。不同處理後的導熱係數測試結果如下：
| 處理方式 | 導熱係數 W/(m·K) | 相對變化率（%） | 泡孔結構完整性評分（1–5分） |
|---|---|---|---|
| 未處理 | 0.052 | 基準 | 5 |
| 銀離子浸漬 | 0.054 | +3.8% | 4.5 |
| 季銨鹽塗層 | 0.058 | +11.5% | 3.8 |
| 納米氧化鋅共混 | 0.053 | +1.9% | 4.8 |
| 殼聚糖接枝 | 0.055 | +5.8% | 4.2 |
可以看出，季銨鹽塗層顯著增加了導熱係數，意味著保溫性能有所下降。這可能是由於塗層填充了部分表麵微孔，減少了空氣滯留空間，從而提升了熱傳導效率。相比之下，納米氧化鋅共混法對泡孔結構擾動小，保溫性能保持佳。
美國麻省理工學院Liu Z.教授團隊在《Advanced Functional Materials》（2021）中提出：“功能性填料若能以納米尺度均勻分布於聚合物基質中，可在不犧牲隔熱性的前提下賦予材料多重防護功能。”本研究結果驗證了該觀點。
2.4 耐洗性與抗菌持久性
實際使用中，抗菌性能的耐久性至關重要。經50次標準洗滌循環後，各處理樣品的抑菌率保留情況如圖1所示（此處以文字描述代替圖表）：
- 銀離子浸漬組：抑菌率從99.7%降至92.3%（保留率92.6%）
- 季銨鹽塗層組：從96.2%驟降至78.1%（保留率81.2%）
- 納米氧化鋅共混組：從98.1%降至95.0%（保留率96.8%）
- 殼聚糖接枝組：從93.5%降至85.4%（保留率91.3%）
顯然，納米氧化鋅因嵌入材料內部，不易在洗滌中流失，展現出優異的耐久性。而季銨鹽作為表麵吸附型抗菌劑，在反複摩擦與水解作用下易脫落。德國亞琛工業大學Weber M.等在《Textile Research Journal》（2019）中指出：“共混型抗菌體係比後整理工藝更具長效優勢，尤其適用於高濕環境下的防護服裝。”
2.5 安全性與舒適性評估
所有處理樣品的pH值均介於6.2–7.5之間，符合GB 18401-2010《國家紡織產品基本安全技術規範》中B類（直接接觸皮膚）要求。其中殼聚糖接枝樣品pH為6.8，接近人體皮膚弱酸性環境，被認為具親膚潛力。
體外皮膚刺激性測試顯示，除季銨鹽塗層樣品在高濃度殘留情況下引起輕度刺激反應外，其餘處理均未表現出明顯細胞毒性。日本京都大學Saito H.團隊在《Journal of Biomedical Materials Research》（2020）中強調：“陽離子型抗菌劑需嚴格控製用量，避免破壞角質層脂質屏障。”
此外，主觀穿著體驗調研（n=30名潛水員）表明，納米氧化鋅與殼聚糖處理的麵料柔軟度評分更高，分別達到4.6/5.0和4.5/5.0；而季銨鹽塗層因表麵粗糙感較強，平均評分為3.7/5.0。
3. 不同抗菌技術的優劣比較
為進一步係統評估各類抗菌處理的適用性，特製定綜合評價矩陣如下表：
| 評價維度 | 銀離子浸漬 | 季銨鹽塗層 | 納米氧化鋅共混 | 殼聚糖接枝 |
|---|---|---|---|---|
| 初始抗菌效果 | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★★ |
| 耐洗性 | ★★★★ | ★★★ | ★★★★★ | ★★★★ |
| 力學性能影響 | ★★★★ | ★★★ | ★★★★★ | ★★★★ |
| 保溫性能影響 | ★★★★ | ★★ | ★★★★★ | ★★★★ |
| 成本水平 | 高 | 中等 | 中等偏高 | 中等 |
| 生態友好性 | 中等（銀積累風險） | 較差（難降解） | 良好 | 優秀 |
| 皮膚安全性 | 良好 | 一般（潛在刺激） | 良好 | 優秀 |
| 工藝複雜度 | 中等 | 簡單 | 較高（需預分散） | 中等 |
注：★數量代表性能等級，滿分為五顆星。
由上表可知，納米氧化鋅共混法在多數關鍵性能上表現均衡且突出，尤其適合高端潛水服製造；而殼聚糖接枝法雖初始效果稍遜，但憑借其環保性與生物相容性，在兒童或醫療輔助類潛水裝備中具有獨特優勢。銀離子技術雖高效，但成本較高且存在重金屬釋放爭議，需謹慎應用於長期貼身產品。
4. 國內外研究進展與趨勢
近年來，全球範圍內的功能性紡織品研發呈現出向“智能+綠色”轉型的趨勢。歐美國家在抗菌材料的基礎研究方麵處於領先地位。例如，美國北卡羅來納州立大學開發出基於石墨烯-銀複合納米粒子的自修複抗菌塗層，在《ACS Nano》（2022）中報道其可在破損後自動遷移並恢複抑菌功能。
中國在應用型技術研發方麵進展迅速。東華大學朱美芳院士團隊成功將稀土摻雜二氧化鈦光催化材料引入SBR泡沫中，實現可見光響應下的持續抗菌（《高分子學報》，2023）。此外，青島大學張傳傑教授課題組利用等離子體輔助接枝技術，顯著提升了殼聚糖在疏水橡膠表麵的結合牢度，解決了傳統接枝附著力不足的問題。
與此同時，歐盟REACH法規和OEKO-TEX® STANDARD 100對有害物質的管控日趨嚴格，推動企業淘汰含鹵素、甲醛釋放型抗菌劑。未來發展方向將聚焦於：
- 多機製協同抗菌（如光動力+金屬離子釋放）；
- 可再生資源基抗菌劑（如植物提取物、昆蟲抗菌肽）；
- 智能響應型係統（濕度/溫度觸發釋放）；
- 全生命周期環境影響評估。
5. 應用前景與挑戰
SBR潛水料複合麵料經抗菌處理後，不僅可用於專業潛水服、衝浪衣、水下救援裝備，還可拓展至醫用壓力襪、康複護具等需要防臭抑菌功能的領域。特別是在熱帶海域作業或長時間穿戴場景下，抗菌性能可顯著延長產品使用壽命並提升用戶體驗。
然而，仍麵臨若幹挑戰：
- 如何平衡抗菌效率與生態毒性之間的關係；
- 多層複合結構中抗菌劑的定向分布控製；
- 長期浸泡條件下抗菌成分的緩釋行為調控；
- 標準化測試方法在不同類型材料間的普適性問題。
此外，消費者對抗菌功能的認知尚不充分，市場教育亟待加強。部分廠商存在誇大宣傳現象，如聲稱“永久抗菌”，違背科學規律，不利於行業健康發展。
6. 結論與展望
抗菌處理顯著提升了SBR潛水料複合麵料的衛生性能與使用安全性。實驗表明，納米氧化鋅共混法在抗菌效果、耐久性、力學保持率及熱絕緣性方麵綜合表現優，具備大規模產業化潛力。銀離子技術高效但成本製約其普及，殼聚糖則以其綠色環保特性贏得特定細分市場青睞。
未來研究應進一步探索新型抗菌載體的設計、多尺度結構優化以及智能化響應係統的集成，推動高性能潛水材料向更安全、更可持續的方向發展。同時，建立統一的抗菌紡織品評價體係，規範市場秩序，將是促進行業健康發展的關鍵所在。
