CN112877802A

CN112877802A - 抗菌纤维

Info

Publication number: CN112877802A
Application number: CN201911202188.7A
Authority: CN
Inventors: 许晶; 罗瑞; 韩磊; 李军
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: OMSIGNAL Inc
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2021-06-01
Also published as: EP3828322A1; US20210198814A1; EP3828322B1; US12264417B2

Abstract

本申请涉及抗菌纤维。描述了提供抗菌纤维的装置和相关制造方法。所述制造方法包括将超高分子量聚乙烯结构加入到挤出设备中。所述制造方法还包括将抗菌低密度聚乙烯(LDPE)供给到在预定温度的所述超高分子量聚乙烯中以产生组合的长丝。所述制造方法进一步包括使所述组合的长丝穿过浴。所述浴被配置为凝固所述组合的长丝并提取溶剂。所述制造方法还进一步包括将所述组合的长丝通过烘箱进行干燥。所述制造方法还包括热拉伸所述组合的长丝。在所述热拉伸期间在所述烘箱内加热所述组合的长丝并且所产生的组合的长丝具有抗菌性质。还提供了相应的抗菌纤维。

Description

抗菌纤维

技术领域

本申请的示例性实施方案总体上涉及高性能材料，并且更具体地涉及抗菌高性能材料结构和复合材料。

背景技术

大多数个人防护装备典型地由不具有抗菌性能的超高分子量聚乙烯制成。超高分子量聚乙烯通常位于皮肤附近并且由于细菌生长而可能变得令人感到瘙痒和/或发出难闻气味。生产抗细菌材料的当前方法包括将手套浸入抗菌添加剂，例如Ag和Ag⁺、季铵化合物或其它试剂中。然而，浸渍的材料的抗菌性能是非永久性的并且增加了制造手套的额外步骤。此外，浸渍的材料的抗细菌性和寿命通常随不同材料而不同。另外，为了生产抗细菌材料处理过程是复杂的并且产生了污染。

申请人已经确认了与高性能材料结构数据相关联的许多缺陷和问题。通过努力、创造和创新，很多这些确认的问题已经通过开发包括在本公开的实施方案中的解决方案而得以解决，而本公开实施方案的许多例子在本文中进行了详细描述。

发明内容

本公开的示例性实施方案涉及一种耐切割高抗细菌性纤维结构及相关制造方法。在一个示例性实施方案中，提供了抗菌纤维。所述抗菌纤维包含超高分子量聚乙烯结构。所述抗菌纤维还包含抗菌低密度聚乙烯(LDPE)。所述抗菌LDPE包含接枝到LDPE结构上的聚六亚甲基胍(polyhexamethylene guanidine，PHMG)。所述超高分子量聚乙烯结构和所述抗菌LDPE组合在一起以形成所述抗菌纤维。

在一些实施方案中，所述抗菌低密度聚乙烯溶解在油中。在一些实施方案中，溶解所述抗菌低密度聚乙烯的油包括煤馏油(coal oil)。在一些实施方案中，所述抗菌LDPE的重量为所述抗菌纤维总重量的大约1%。在一些实施方案中，使用凝胶纺丝组合所述超高分子量聚乙烯和所述抗菌LDPE。在一些实施方案中，所述抗菌LDPE的重量为所述抗菌纤维总重量的0.5%至10%。

在一些实施方案中，通过挤出设备挤出所述超高分子量聚乙烯结构。在一些实施方案中，在与所述抗菌LDPE组合之前通过挤出设备挤出所述超高分子量聚乙烯结构。在一些实施方案中，通过调流设备(moderated flow device)挤出所述超高分子量聚乙烯结构和所述抗菌LDPE。在一些实施方案中，所述抗菌纤维可被配置为服装材料。

在另一个示例性实施方案中，提供了一种制造抗菌纤维的方法。所述方法包括将超高分子量聚乙烯结构加入到挤出设备中。所述方法还包括将抗菌低密度聚乙烯(LDPE)供给到在预定温度的所述超高分子量聚乙烯中以产生组合的长丝(filament)。所述方法进一步包括使所述组合的长丝穿过浴。所述浴被配置为凝固(coagulating)所述组合的长丝并提取溶剂。所述方法还进一步包括将所述组合的长丝通过烘箱进行干燥。所述方法还包括热拉伸(hot-drawing)所述组合的长丝。在所述热拉伸期间在所述烘箱内加热所述组合的长丝并且所述产生的组合的长丝具有抗菌性质。

在一些实施方案中，所述预定温度为大约80摄氏度至200摄氏度。在一些实施方案中，所述预定温度为大约105摄氏度。在一些实施方案中，供给到挤出的超高分子量聚乙烯的所述抗菌LDPE被溶解到油中。在一些实施方案中，溶解所述抗菌低密度聚乙烯的油包括煤馏油。在一些实施方案中，抗菌LDPE的重量为所述抗菌纤维总重量的大约1%。在一些实施方案中，所述抗菌LDPE的重量为所述抗菌纤维总重量的0.5%至10%。

在一些实施方案中，所述方法还包括通过调流设备挤出所述超高分子量聚乙烯结构和所述抗菌LDPE。在一些实施方案中，在与所述抗菌LDPE组合之前通过挤出设备挤出所述高密度聚乙烯。在一些实施方案中，所述方法还包括将所述抗菌纤维穿在(threading)一起以形成抗菌服装材料。

提供以上概述仅仅是为了概括一些示例实施方案以提供对本发明的一些方面的基本理解。因此，将理解的是，上述实施方案仅仅是示例并且不应当被解释为以任何方式限制本发明的范围或精神。将理解的是，本发明的范围包括除了这里概括的那些之外的许多可能的实施方案，其中一些将在下面进一步描述。

附图说明

以上已经概括地描述了本公开的某些示例性实施方案，现在将参考附图。图中所示的组件可以存在于或可以不存在于本文中所描述的某些实施方案中。一些实施方案可以包括比图中所示的那些更少(或更多)的组件。

图1示出了在一种示例性抗菌手套中实施的本公开的示例性抗菌纤维结构；

图2示出了根据本公开的一个示例性实施方案，将与其它聚乙烯结构组合使用的通过将PHMG接枝低密度聚乙烯生成的一种示例性抗菌低密度聚乙烯；

图3示出了根据本公开生产抗菌纤维的一种简化制造方法；

图4是示出根据本公开的一个示例性实施方案制造抗菌纤维的一种示例性方法的流程图；

图5示出了根据本公开的一个示例性实施方案，抗菌纤维的一种示例性制造方法，例如图4中讨论的方法；和

图6A和6B示出了根据一个示例性实施方案，不具有抗菌LDPE(图6A)和具有抗菌LDPE(图6B)的高性能聚乙烯纤维的细菌积聚。

具体实施方式

概述

现在将在下文中参考附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的一些但不是全部实施方案。实际上，这些发明可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为限于本文中阐述的实施方案；相反，提供这些实施方案是为了使本公开满足适用的法律要求。相同的数字始终表示相同的元件。如本文中使用的那样，术语例如"前"、"后"、"顶部"等在以下提供的例子中用于说明性目的，以描述某些组件或组件的部分的相对位置。此外，根据本公开对本领域普通技术人员将显而易见的是，术语"基本上"和"大约"表示所提及的要素或相关描述在可应用的工程公差内是准确的。

术语"包括/包含/含有"意指包括/包含/含有但不限于，并且应当以其在专利环境中通常使用的方式来解释。短语"在一个实施方案中"、"根据一个实施方案"等一般意指该短语之后的特定特征、结构或特性可以包括在本发明的至少一个实施方案中，并且可以包括在本发明的多于一个实施方案中(重要的是，这样的短语不一定指代相同的实施方案)。如果说明书将某事物描述为"示例性的"或"例子"，则应当理解为指的是非排他性例子。

如本文中所讨论的，示例性实施方案可参考包含各种芯、长丝、纱线、覆盖物等等的纤维结构来描述。在这方面，在一些例子中，所描述和要求保护的纤维结构可以是指复合纤维结构。为了描述清楚起见，本申请的示例性实施方案在本文中参考"抗菌纤维"进行描述，但可等同地且可互换地指代复合抗菌纤维结构。术语抗菌可以表示细菌的大量减少，可以表示细菌的完全减少和/或消除，可以表示对细菌有活性的纤维，和/或诸如此类。本公开的各种实施方案使得能够得到具有抗菌性质的材料，而无需昂贵的制造和/或附加步骤(例如，涂覆等等)。例如，一些手套目前使用传统手套的抗菌涂层以减少细菌，但是这种方法不但是非永久性的并且给制造过程增加了额外的步骤。

参考图1，示出了实施一种示例性抗菌纤维和/或由一种示例性抗菌纤维组成的抗菌手套100。如图所示，抗菌手套100可以由根据本文中讨论的一个示例性实施方案制造的抗菌纤维制造或形成。例如，所述抗菌纤维可用于生产纱线，所述纱线用于制造配置用于服装织物等等的抗菌布料。

如下文参考图3-5所述，本申请的抗菌纤维可由组合高密度聚乙烯如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)原材料和抗菌低密度聚乙烯(LDPE)(例如，所述抗菌LDPE由与LDPE接枝的PHMG形成)来生产。虽然本公开可关联UHMWPE来指代高密度聚乙烯，但也可考虑其它高密度聚乙烯结构。

虽然主要参考凝胶纺丝进行论述，但是所述高密度聚乙烯和所述抗菌LDPE可以使用各种纺丝技术例如干纺、湿纺等进行组合。虽然参考用于形成抗菌手套100的抗菌纤维结构进行说明和描述，但是本公开考虑了本文中描述的所述抗菌纤维结构可同样用于形成任何衣服(例如，裤子、衬衫、夹克、覆盖物等)而没有限制。在一些实施方案中，所述抗菌纤维可具有浅颜色(例如，所述抗菌纤维可为浅黄色的)，使得所述抗菌纤维可被染成各种颜色以供使用。

现在参考图2，根据一个示例性实施方案示出了一种示例性抗菌LDPE。如图所示，将PHMG接枝到LDPE上以形成本文中讨论的抗菌LDPE 200。在各种实施方案中，所述PHMG结构可以是(C₇H₁₅N₃)_n并且可以被配置为接枝到LDPE以产生本文讨论的抗菌LDPE结构。

现在参考图3，示出了抗菌纤维的简化制造方法。如图所示，上面参考图1讨论的抗菌纤维可以通过凝胶纺丝UHMWPE原材料和抗菌LDPE (即，PHMG接枝的LDPE)以产生抗菌UHMWPE长丝(例如，所述抗菌纤维)来制造。在一些实施方案中，抗菌LDPE的量可以基于所需的抗细菌性的量、所需的成本等等而变化。在一些实施方案中，所述抗菌LDPE可以为所述抗菌纤维总重量的大约0.5%至10%。在一些实施方案中，所述抗菌LDPE可以为所述抗菌纤维总重量的大约0.75%至3%。在一些实施方案中，所述抗菌LDPE可以为所述抗菌纤维总重量的大约 0.8%至1.5%。在一些实施方案中，所述抗菌LDPE可以为所述抗菌纤维总重量的大约1%。

图4示出了根据一个示例性实施方案示出的一种示例性制造方法。除非另外明确说明，否则所描述的方法的各种实施方案可以以与本文中所描述的顺序不同的顺序来实施。在制造抗菌纤维的方法过程中，也可以包括另外的操作，因此下面的步骤不是穷举性的。

现在参考图4的方框400，所述制造方法包括将超高分子量聚乙烯(例如，具有1×10⁶-2×10⁷克/摩尔的粘均分子量的聚乙烯)结构加入到挤出设备中。在一些实施方案中，所述UHMWPE可以使用混合容器等加入到挤出设备中。在一些实施方案中，所述混合容器可以包括搅拌器(例如，搅拌器桨叶等)。在一些实施方案中，UHMWPE可以与一种或多种另外的物质(例如UHMWPE可以悬浮在第一溶剂例如白油(white oil)或氯氟烷中，和在一些情况中，另外的物质例如表面活性剂、分散剂)组合以形成UHMWPE溶液以辅助挤出过程。在各种实施方案中，所述UHMWPE结构可以以给定浓度悬浮在非挥发性第一溶剂中。在一些实施方案中，UHMWPE浓度可以是UHMWPE溶液的大约5%至20%，优选UHMWPE溶液的大约6%至15%，更优选UHMWPE溶液的大约8%。在各种实施方案中，挤出设备510可以是配置为在运行期间旋转的双螺杆。在一些实施方案中，挤出设备510也可在运行期间加热UHMWPE原材料。

现在参考图4的方框410，所述制造方法包括将具有抗菌LDPE的煤馏油供给到挤出的高密度聚乙烯中。在一些实施方案中，加入的抗菌LDPE可以是组合的长丝的总重量的大约 0.5%至3%，优选大约0.75%至2%，更优选大约1%总重量。在一些实施方案中，所述抗菌LDPE溶液可以加入到所述UHMWPE溶液中。例如，在其中然后将煤馏油加入到在预定温度的挤出UHMWPE中的情况中，可以把抗菌LDPE溶解在煤馏油中。

在一些例子中，可以将具有抗菌LDPE的煤馏油加入在预定温度的UHMWPE中。在一些实施方案中，当添加所述抗菌LDPE时，所述UHMWPE的所述预定温度可以是大约80摄氏度至200摄氏度，优选大约80摄氏度至160摄氏度，更优选大约105摄氏度温度。在一些实施方案中，所述煤馏油可以是页岩油，例如煤油(kerosene)。在一些实施方案中，其它溶剂物质可以用于溶解所述抗菌LDPE，例如十氢化萘。

现在参考图4的方框420，所述制造方法包括使用调流设备530加工组合的长丝。在各种实施方案中，调流设备530可以被配置为挤出所述组合的长丝。在一些实施方案中，调流设备530可与喷丝头540连通，所述喷丝头540被配置为一旦组合的长丝被挤出就将组合的长丝分成多根丝线或纤维。挤出速度和随后通过喷丝头540的加工可基于应用类型、所用设备、所需纤维的尺寸和/或等等。在一些实施方案中，通过喷丝头540产生的丝线或纤维继续通过浴550以凝固。

现在参考图4的方框430，所述制造方法包括使所述组合的长丝穿过浴550。在各种实施方案中，浴550可充当凝固浴，使得组合的长丝可被骤冷(例如，组合的长丝的聚合物链可被骤冷)。在各种实施方案中，浴550可包含骤冷液体，例如水。在一些实施方案中，浴550中的骤冷液体可以是环境温度的水(例如，大约20摄氏度至30摄氏度)。在一些实施方案中，浴550可包含第二溶剂，例如二甲苯、二氯甲烷。在各种实施方案中，所述第二溶剂可用于从所述组合的长丝中提取第一溶剂。在各种实施方案中，所述第一溶剂可以在浴550内被提取。在一些实施方案中，所述组合的长丝也可在浴550内经历冷拉伸。例如，浴550可具有一个或多个辊，所述辊被配置为将组合的长丝供给通过浴550。在一些实施方案中，所述一个或多个辊可以以在所述组合的长丝上几乎没有张力到没有张力的方式运行。

现在参考图4的方框440，所述制造方法包括通过烘箱560向所述组合的长丝提供热量。在各种实施方案中，在组合的长丝穿过浴550使得纤维被骤冷并且第一溶剂被除去后，纤维然后可进入被配置为向纤维提供热量的烘箱560中。在各种实施方案中，烘箱560可被配置为在干燥过程期间从所述纤维除去一部分(例如，大部分)第二溶剂。在各种实施方案中，烘箱560可以是配置用于本文所述工艺的专用烘箱。在一些实施方案中，烘箱560可以是对流烘箱。

现在参考图4的方框450，所述制造方法包括热拉伸穿过烘箱560的长丝纤维。在一些实施方案中，所述热拉伸可被分成多个阶段。例如，所述热拉伸可以分成三个阶段或拉伸，使得每个拉伸在烘箱内使用辊来使组合的长丝改变方向。在各种实施方案中，施加到纤维的所需热量可影响拉伸的数目。在各种实施方案中，拉伸温度可以在大约110摄氏度至200摄氏度的范围，优选大约110摄氏度至160摄氏度，更优选大约140摄氏度温度。

现在参考图4的方框460，所述制造方法包括将完成的抗菌纤维570卷绕在线轴(例如，卷轴)上。在这种实施方案中，所述抗菌纤维是待使用的，例如用在图1中示出的抗菌手套100中。在各种实施方案中，所述完成的抗菌纤维可以以与目前使用的其它纤维类似的方式进行使用。例如，所述抗菌纤维可用于各种应用，例如手套(例如，抗菌手套100)、鞋上部(upper shoe)材料、服装织物、绳索和/或诸如此类的物品。此外，所述抗菌纤维可配置为不需要任何额外的制造步骤而具有抗菌性质(例如，所述抗菌纤维本身具有抗菌性质并且不需要额外的涂覆)。

示例性制造方法

如图5中所示，可以将UHMWPE结构加入到挤出设备510中，该挤出设备通过双螺杆等等挤出悬浮在第一溶剂中的UHMWPE。可以将抗菌LDPE加入到在预定温度例如在大约110摄氏度的高密度聚乙烯中。在一些实施方案中，所述抗菌LDPE 200可溶解在油500例如煤馏油中。在一些实施方案中，具有溶解的抗菌LDPE 200的油500可以与UHMWPE在点520处组合。一旦组合，就可使组合的长丝通过调流设备530，该调流设备530挤出组合的长丝并将组合的长丝转移到配置为将组合的长丝分成单独的丝线的喷丝头540中。在已经通过喷丝头540产生单独的丝线之后，组合的长丝然后可以进入浴550，该浴550充当凝固浴(例如，浴中的水，其使组合的长丝骤冷)和提取浴(例如，存在于浴中的第二溶剂，以提取第一溶剂)。在各种实施方案中，组合的长丝可在浴550内经历冷拉伸。在一些实施方案中，组合的长丝可穿过烘箱560以干燥组合的细丝，从而蒸发第二溶剂。此外，在烘箱560内，长丝纤维在卷绕以用作抗菌纤维570之前可经历热拉伸(例如，以实现聚合物链的高取向和高结晶度)。

示例性抗细菌性测试结果

图6A-6B示出了来自没有抗菌LDPE的典型UHMWPE的细菌减少。图6A示出了在不包含抗菌LDPE的传统UHMWPE纤维上积聚的细菌，而图6B示出了在根据本文中讨论的一个示例性实施方案的抗菌纤维上积聚的细菌。图6A和6B都是在不同细菌量下GB/T 20944.3-2008测试的结果。如图所示，传统UHMWPE纤维(例如玻片600A、610A、620A和630A)可积聚很大部分穿过所述纤维并然后暴露于各种允许细菌生长的环境的细菌。在各种实施方案中，如图所示，在抗菌纤维上积聚的细菌的量可以显著少于传统UHMWPE纤维。如图所示，在其中纤维环境允许10⁴集落形成单位(CFU)/毫升(ml)细菌生长的情况中，玻片600B显示与玻片600A中所示的传统UHMWPE纤维相比，由抗菌纤维积聚的细菌显著减少。如在其中纤维环境允许10³CFU/ml的情况中所示，玻片610B显示与玻片610A中所示的传统UHMWPE纤维相比，由抗菌纤维积聚的细菌显著减少。如在其中纤维环境允许10² CFU/ml的情况中所示，玻片620B显示与在玻片620A中所示的传统UHMWPE纤维相比，由抗菌纤维积聚的细菌显著减少。在其中纤维环境允许10² CFU/ml的另一种情况中，玻片630B显示与玻片630A中所示的传统UHMWPE纤维相比，由抗菌纤维积聚的细菌显著减少。在一个示例性实施方案中，与不具有抗菌LDPE的传统UHMWPE纤维相比，具有1%总重量抗菌LDPE的抗菌纤维的细菌积聚减少可以是大约96.6%。

本公开的实施方案包括抗菌纤维或布料，其可由抗细菌相关标准管理、针对抗细菌相关标准测试或以其它方式与抗细菌相关标准相关联。在一些情况中，这些标准可以由标准团体或政府机构规定和/或执行。对本领域普通技术人员将显而易见的是，这些标准可以不时地被更新或修改以改变满足标准的要求(例如，为了减少伤害或其他事故)。作为例子，图6A和6B示出了测试的结果。此外，可以响应事故统计分析和/或响应改进的技术来更新抗细菌标准。本文中所述的抗菌纤维结构包含不同技术的组合以实现增强的抗细菌性。使用技术的组合而不是简单地使用一种技术可以促进实现多个至少部分对抗的目标和/或平衡给定设计的性能。例如，所述抗菌纤维可以被配置为满足ASTM E2149抗细菌标准。当使用AATCC 100-2012测试进行测试时，由一个示例性实施方案的抗菌纤维制成的HMPE纱线根据ATCC 8739标准导致大肠杆菌(Escherichia Coli)减少超过99.9%，以及根据ATCC 6538标准导致金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)减少超过99.9%。此外，根据ASTM2149-2013a，一个示例性实施方案的抗菌纤维导致大肠杆菌减少超过99%。

受益于以上描述和相关附图中呈现的教导，这些发明所属领域的技术人员将想到本文阐述的发明的许多改动和其它实施方案。因此，将会理解的是，本发明不限于所公开的具体实施方案，并且改动和其它实施方案意在包括在所附权利要求的范围内。尽管本文中使用了具体术语，但是它们仅在一般和描述性意义上使用，而不是为了进行限制。

Claims

1.一种抗菌纤维，其包含：

超高分子量聚乙烯结构；和

抗菌低密度聚乙烯(LDPE)，其中所述抗菌LDPE包含接枝到LDPE结构上的聚六亚甲基胍(PHMG)，

其中所述超高分子量聚乙烯结构和所述抗菌LDPE组合在一起以形成所述抗菌纤维。

2.如权利要求1所述的抗菌纤维，其中所述抗菌低密度聚乙烯溶解在油中。

3.如权利要求2所述的抗菌纤维，其中溶解所述抗菌低密度聚乙烯的油包括煤馏油。

4.如权利要求1所述的抗菌纤维，其中所述抗菌LDPE的重量为所述抗菌纤维总重量的大约1%。

5.如权利要求1所述的抗菌纤维，其中使用凝胶纺丝组合所述超高分子量聚乙烯和所述抗菌LDPE。

6.如权利要求1所述的抗菌纤维，其中所述抗菌LDPE的重量为所述抗菌纤维总重量的0.5%至10%。

7.如权利要求1所述的抗菌纤维，其中通过挤出设备挤出所述超高分子量聚乙烯结构。

8.如权利要求7所述的抗菌纤维，其中在与所述抗菌LDPE组合之前，通过挤出设备挤出超高分子量聚乙烯结构。

9.如权利要求1所述的抗菌纤维，其中通过调流设备挤出所述超高分子量聚乙烯结构和所述抗菌LDPE。

10.如权利要求1所述的抗菌纤维，其中如权利要求1所述的抗菌纤维可被配置为服装材料。

11.一种制造抗菌纤维的方法，所述方法包括：

将超高分子量聚乙烯结构加入到挤出设备中；

将抗菌低密度聚乙烯(LDPE)供给到在预定温度的所述超高分子量聚乙烯中以产生组合的长丝；

使所述组合的长丝穿过浴，其中所述浴被配置为凝固所述组合的长丝并提取溶剂；

将所述组合的长丝通过烘箱进行干燥；和

热拉伸所述组合的长丝，其中在所述热拉伸期间在所述烘箱内加热所述组合的长丝，

其中所产生的组合的长丝具有抗菌性质。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述预定温度为大约80摄氏度至200摄氏度。

13.如权利要求11所述的方法，其中所述预定温度为大约105摄氏度。

14.如权利要求11所述的方法，其中供给到挤出的超高分子量聚乙烯的所述抗菌LDPE被溶解到油中。

15.如权利要求11所述的方法，其中溶解所述抗菌低密度聚乙烯的油包括煤馏油。

16.如权利要求11所述的方法，其中所述抗菌LDPE的重量为所述抗菌纤维总重量的大约1%。

17.如权利要求11所述的方法，其中所述抗菌LDPE的重量为所述抗菌纤维总重量的0.5%至10%。

18.如权利要求11所述的方法，进一步包括通过调流设备挤出所述超高分子量聚乙烯结构和所述抗菌LDPE。

19.如权利要求11所述的方法，其中在与所述抗菌LDPE组合之前，通过挤出设备挤出高密度聚乙烯。

20.如权利要求11所述的方法，进一步包括将所述抗菌纤维穿在一起以形成抗菌服装材料。