本发明属于复合材料工程领域，具体地说，涉及一种白色铜系抗菌纤维及其制备方法。
背景技术：
抗菌纤维在制备功能性抗菌纺织品、功能性医用敷料等领域有很高的应用价值。铜能同时抑制细菌、病毒及真菌的生长，具有良好的抗菌广谱性；同时铜也是人体所需微量元素之一，安全无毒害，对环境友好。铜系抗菌纤维可以提高纺织品的附加值，满足人们对安全健康、绿色环保的需求，因此越来越受到重视，市场潜力巨大。
目前，市场上已存在的铜系抗菌纤维所选取的原料铜有氧化铜、氧化亚铜、亚微米级金属铜粉和各种铜盐。其中由于铜粉的粒度和氧化程度不同，显红棕色或棕黄色，铜的氧化物显黑色，铜离子显蓝色，在纤维的不同制备方式下，也有可能生成碱式碳酸铜，显绿色。这些有色物质不但会使抗菌纤维带有颜色，使得纤维的应用范围变窄；而且在高温熔融造粒和纺丝以及冷却过程中，原料铜会进一步与水、氧反应，使得产品在后端应用时，颜色多变且不均匀，且铜的价态及存在状态不同，颜色差别较大。
所以，铜系抗菌纤维亟需开发以白色铜源为基料，并且颜色均匀性一致性好的纤维配方及制备方法。
有鉴于此特提出本发明。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种白色铜系抗菌纤维，通过选用白铜系合金纳米粉体抗菌剂作为原料，在保持纤维抗菌性的同时，有效提高纤维颜色的均匀一致性，拓宽了纤维可染色范围，降低了配色难度和成本，增大了纤维的应用范围。
为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：一种白色铜系抗菌纤维，所述抗菌纤维包括以下组分：
白铜系合金纳米粉体抗菌剂、基体树脂、润滑剂、抗氧化剂和分散剂。
进一步的，所述白铜系合金纳米粉体抗菌剂占抗菌纤维总重量的0.4％～15％，优选为1％～3％。
进一步的，所述白铜系合金纳米粉体抗菌剂的平均粒径为200～700nm，优选为300～600nm。
以上含量和平均粒径范围内的白铜系合金纳米粉体抗菌剂在能够保证纤维的制成和抗菌效果的基础上，同时兼顾纤维的制成率及制备成本。
进一步的，所述润滑剂、抗氧化剂和分散剂分别占抗菌纤维总重量的0.2％～1.5％、0.2％～1.5％、0.2％～1.5％，其余为基体树脂。
优选的，所述润滑剂、抗氧化剂和分散剂分别占抗菌纤维总重量的0.3％～1.2％、0.3％～1.2％、0.3％～1.2％。
进一步的，所述润滑剂、抗氧化剂和分散剂中不含有与白铜系合金纳米粉体抗菌剂发生化学反应的离子。
润滑剂、抗氧化剂和分散剂能够很好地包覆抗菌剂，使白铜系合金纳米粉体抗菌剂在基体树脂中均匀分散，有效防止白铜系合金纳米粉体抗菌剂发生氧化变性，提高了纤维颜色的均匀性和一致性。
进一步的，所述白铜系合金纳米粉体抗菌剂包括纳米铜镍合金抗菌剂、纳米铁铜镍合金抗菌剂、纳米锌铜镍合金抗菌剂、纳米锰铜镍合金抗菌剂和纳米铝铜镍合金抗菌剂中的一种或多种。
白铜系合金纳米粉体抗菌剂中的主要成分为铜，铜能同时抑制细菌、病毒及真菌的生长，具有良好的抗菌广谱性，同时铜也是人体所需微量元素之一，安全无毒害，对环境友好，且铜的价格较低。
将铜锭与镍锭通过气相合成制成纳米白铜合金粉，也可加入能够与铜和镍固溶的锌、铁、锰、铝等元素制成铁铜镍合金、锌铜镍合金、锰铜镍合金和铝铜镍合金等复杂白铜，目的是为了在保证铜的抗菌性的同时，通过白铜系合金的制备，使制备的纤维呈白色，拓宽可染色范围，降低配色难度和成本，增大纤维的应用范围。
进一步的，所述白铜系合金纳米粉体抗菌剂经过分散剂包覆的分散处理。
优选的，所述分散剂包括苯丙三氮唑、有机酸、偶联剂的一种或多种。
优选的，所述有机酸包括油酸、抗坏血酸、烷基胺、脂肪酸、柠檬酸、水杨酸中的一种或多种。
优选的，所述偶联剂包括硅烷偶联剂、酞酸酯偶联剂中的一种或多种。
利用分散剂对白铜系合金纳米粉体抗菌剂的包覆分散处理，使白铜系合金纳米粉体抗菌剂在母粒中均匀分散，降低了白铜系合金纳米粉体抗菌剂由于粒径较小造成的易团聚，提高了纤维颜色的均匀性和一致性，同时将白铜系合金纳米粉体抗菌剂包覆起来也具有一定的抗氧化作用。
进一步的，所述润滑剂包括低分子蜡、改性低分子聚乙烯、硅酸酯、磷酸酯、白油、松节油、矿物油、硅油、羟基硅油、异丙醇、硬脂酸及其盐、酰胺聚合物中的一种或多种。
所述抗氧化剂包括抗氧剂1010、抗氧剂1024、抗氧剂1076、抗氧剂1098、抗氧剂168、抗氧剂dnp中的一种或多种。
进一步的，所述基体树脂包括pp、pet、pa6、pa66、pbt、pla中的一种或多种。
一种白色铜系抗菌纤维的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)磨粉：将基体树脂切片加入磨粉机中磨成基体树脂粉末；
(2)称量：按重量份称取白铜系合金纳米粉体抗菌剂、基体树脂粉末、润滑剂、抗氧化剂和分散剂；
(3)混合：将白铜系合金纳米粉体抗菌剂、基体树脂粉末、润滑剂、抗氧化剂和分散剂加入高速混料机中进行高低速混合；
(4)挤出：将混合好的原料加入螺杆挤出机中挤出，挤出的丝条经过冷却后固化；
(5)造粒：固化的丝条经吹干后切成颗粒状，即为母粒；
(6)干燥：将母粒在真空干燥箱中干燥12～48h；
(7)纺丝：将干燥好的母粒加入纺丝机中，经过螺杆高温挤出形成均匀的熔体，将计量后的熔体输送到纺丝组件，经过喷丝板喷出形成丝条，经冷却、上油，最后卷绕制得预取向纤维；
(8)加弹：在加弹机上进行假捻变形加工，获得拉伸变形的白色铜系抗菌纤维。
其中，步骤(3)中所述的高低速混合包括：
至少一次低速混合，所述低速混合为在低转速下混合一段时间。
至少一次高速混合，所述高速混合为在高转速下混合一段时间。
所述低速混合和高速混合间隔进行。
利用高低速混合的方式对原料进行混合，可以有效提高各原料间的混合程度，使原料间分散性更好。
通过纺丝组件的更换，既可以是单组分的纯抗菌母粒纺丝，也可以将母粒作为皮层母粒和无抗菌剂的基料芯层母粒熔融后复合纺丝得到皮芯结构白色铜系抗菌纤维。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明提供了一种白色铜系抗菌纤维，通过选用白铜系合金纳米粉体抗菌剂作为原料，在保持纤维抗菌性的同时，有效提高纤维颜色的均匀一致性，拓宽了纤维可染色范围，降低了配色难度和成本，增大了纤维的应用范围。
对白铜系合金纳米粉体抗菌剂的含量和平均粒径进行限定，在能够保证纤维的制成和抗菌效果的基础上，同时兼顾纤维的制成率及制备成本。
将铜锭与镍锭通过气相合成制成纳米白铜合金粉，也可加入能够与铜和镍固溶的锌、铁、锰、铝等元素制成铁铜镍合金、锌铜镍合金、锰铜镍合金和铝铜镍合金等复杂白铜，目的是为了在保证铜的抗菌性的同时，通过白铜系合金的制备，使制备的纤维呈白色，拓宽可染色范围，降低配色难度和成本，增大纤维的应用范围。
润滑剂、抗氧化剂和分散剂能够很好地包覆抗菌剂，使白铜系合金纳米粉体抗菌剂在基体树脂中均匀分散，有效防止白铜系合金纳米粉体抗菌剂发生氧化变性，提高了纤维颜色的均匀性和一致性。
利用分散剂对白铜系合金纳米粉体抗菌剂的包覆分散处理，使白铜系合金纳米粉体抗菌剂在母粒中均匀分散，降低了白铜系合金纳米粉体抗菌剂由于粒径较小造成的易团聚，提高了纤维颜色的均匀性和一致性，同时将白铜系合金纳米粉体抗菌剂包覆起来也具有一定的抗氧化作用。
本发明提供的一种白色铜系抗菌纤维，具有抗菌广谱性好、耐洗涤性能优异、颜色的均匀性和一致性好、可染色范围广、配色难度和成本低的特点。
本发明还提供一种白色铜系抗菌纤维的制备方法，具有制备工艺设备简便、高效，可重复性高，应用前景广阔的特点。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合部分实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，本领域技术人员可以了解到的是，下列实施方式仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。例如，尽管本申请按照特定顺序描述了本发明的方法的各个步骤，但是这些顺序并不是限制性的，在不偏离本发明的基本原理的前提下，本领域技术人员可以按照不同的顺序来执行所述步骤。
实施例1
一种白色铜系抗菌纤维，由0.4％的纳米铜镍合金抗菌剂、99％的pa6、0.2％的低分子蜡、0.2％的油酸和0.2％的抗氧剂1010组成。其中，纳米铜镍合金抗菌剂的平均粒径为200nm，经过油酸包覆的分散处理。
白色铜系抗菌纤维制备方法包括如下步骤：
(1)磨粉：将pa6加入磨粉机中磨成pa6粉末；
(2)称量：按重量份称取纳米铜镍合金抗菌剂、pa6粉末、低分子蜡、油酸、抗氧剂1010；
(3)混合：将0.4％的纳米铜镍合金抗菌剂、99％的pa6粉末、0.2％的低分子蜡、0.2％的油酸和0.2％的抗氧剂1010加入高速混料机进行高低速混合，其中低速混合转速为700转/分钟，混合时间为2分钟，高速混合转速为1400转/分钟，混合时间为30秒；高低速混合相互间隔，各混合两次；
(4)挤出：将混合好的原料加入螺杆挤出机挤出，挤出温度为255℃，挤出的丝条经过冷却水冷却固化；
(5)造粒：固化的丝条经吹干机吹干后由切粒机切成颗粒状，即母粒；
(6)干燥：将母粒在真空干燥箱中干燥23h；
(7)纺丝：将干燥好的母粒加入纺丝机中，纺丝温度为270℃，经过螺杆高温挤出形成均匀的熔体，经过计量泵计量后熔体被输送到纺丝组件，经过喷丝板喷出形成丝条，在侧吹风装置作用下冷却，经上油，最后卷绕制得预取向纤维；
(8)加弹：在加弹机上进行假捻变形加工，获得拉伸变形的白色铜系抗菌纤维。
实施例2
一种白色铜系抗菌纤维，由1％的纳米铁铜镍合金抗菌剂、98.1％的pa6、0.3％的硅烷偶联剂kh560、0.3％的脂肪酸和0.3％的抗氧剂1098组成，其中，纳米铁铜镍合金抗菌剂的平均粒径为300nm，经过脂肪酸包覆的分散处理。
白色铜系抗菌纤维的制备方法与实施例1相同。
实施例3
一种白色铜系抗菌纤维，由3％的纳米锌铜镍合金抗菌剂、95.5％的pa66、0.5％的酞酸酯偶联剂、0.5％的抗坏血酸和0.5％的抗氧剂168组成，其中，纳米锌铜镍合金抗菌剂的平均粒径为600nm，经过抗坏血酸包覆的分散处理。
白色铜系抗菌纤维的制备方法与实施例1相同。
实施例4
一种白色铜系抗菌纤维，由15％的纳米锌铜镍合金抗菌剂、80.5％的pla、1.5％的异丙醇、1.5％的水杨酸和1.5％的抗氧剂dnp组成，其中，纳米锌铜镍合金抗菌剂的平均粒径为700nm，经过水杨酸包覆的分散处理。
白色铜系抗菌纤维的制备方法与实施例1相同。
实验例1
参照实施例1的实施方案，只改变抗菌剂的含量，其它条件不变，得到对比例1至对比例5。
本实验例对实施例1、对比例1至对比例5制备的抗菌纤维性能进行测试，测试结果如表1所示：
表1抗菌剂含量对照实验
从上述实施例1、对比例1至对比例5的测试结果可以看出，原料中抗菌剂含量在0.4％～15％的范围内，随着抗菌剂的含量增加，均能够制备成纤维，且纤维的抑菌率也增大至99％。金黄色葡萄球菌和大肠杆菌是细菌，白色念珠菌是真菌，本发明制备的抗菌纤维的广谱优势主要体现在抗细菌性能和抗真菌性能均优异。
但超出此含量范围的样品，如对比例4中的抗菌剂含量为0.2％，当抗菌剂含量过少时，纤维的抑菌率明显下降，抗菌性不足；但当抗菌剂含量过多时，如对比例5中的抗菌剂含量为25％，出现飘丝、无法满卷、断头过多等情况不能制备成拉伸变形纤维。
随着抗菌剂含量增加，在控制纤维纤度大致相同的前提下，制备的母粒的可纺性降低，形成的纤维力学性能变差，拉伸应变逐渐降低，但是拉伸强度与高分子基体材料相关性更大，基本不受抗菌剂影响。
实验例2
参照实施例2的实施方案，其它条件不变，只改变抗菌剂的平均粒径，分别改变为200nm、600nm、700nm、50nm、1000nm、得到对比例6至对比例10。
本实验例对实施例2、对比例6至对比例10制备的抗菌纤维进行比较，结果如表2所示。
表2抗菌剂粒度对照实验
对实施例2、对比例6至对比例10制备的抗菌纤维进行比较，发现当白铜系合金纳米粉体抗菌剂的平均粒径范围在200～700nm范围内时，在控制制备成本的基础上，纤维的制成率相对较高，均在86％以上。但是低于此平均粒径范围时，如对比例9中平均粒径为50nm时，会大大增加制备成本，且容易团聚导致制成率有所下降；当高于此平均粒径范围时，如对比例10中平均粒径为1000nm时，纤维的制成率会大大降低。
随抗菌剂的粒度增加，在控制纤维纤度大致相同的前提下，制备的母粒的可纺性降低，形成的纤维力学性能变差，拉伸强度和拉伸应变逐渐降低，但是在粒径小于700nm时，力学性能降低不明显。
综上所述，当白铜系合金纳米粉体抗菌剂的平均粒径范围在300～600nm范围内时，综合效果更佳。
实验例3
参照实施例3的实施方案，其它条件不变，只改变抗菌剂的种类，选取氧化亚铜粉、纯铜粉、氧化锌粉进行对比，得到对比例11至对比例14。
本实验例对上述实施例3、对比例11至对比例14制备的抗菌纤维性能进行测试，测试结果如表3所示：
表3抗菌剂种类对照实验
从上述实施例3、对比例11至对比例14的测试结果可以看出，如对比例11中当原料不含抗菌剂时，虽然制备的纤维为白色，但是没有抗菌性；如对比例12中将白铜系合金纳米粉体抗菌剂更换为具有抗菌性的氧化亚铜，但由于氧化铜显红棕色，所以制备出的纤维为紫红色；同理，如对比例13中将白铜系合金纳米粉体抗菌剂更换为具有抗菌性的纯铜粉，制备出的纤维为粉紫色，使纤维的应用范围变窄；而对比例14中将白铜系合金纳米粉体抗菌剂更换为具有抗菌性的氧化锌粉，虽然制备的纤维为白色，但是抑菌率明显降低。
实验例4
将普通的纤维通过化学镀后处理，在纤维表面形成铜抗菌镀层，制备一种抗菌纤维，得到对比例15。
本实验例对上述实施例4、对比例15制备的纤维性能进行测试，测试结果如表4所示：
表4抗菌纤维制备方法的对照实验
参照gb/t30157-2013和fz/t73023-2006标准进行测试，从上述结果可以看出，采用本发明中的制备方法获得的纤维耐洗性良好，洗涤50次后，铜含量基本没有损失，抑菌率在洗涤前后都能保持99％。而通过镀层方法获得的抗菌纤维，在洗涤50次之后，铜含量损失约一小半，抑菌率也有所下降。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。