李燕明

李燕明 ¹

摘 要 细菌纤维素（Bacterial Cellulose，BC）具有环保、舒适的特点，逐渐成为纺织行业的热门材料。本文介绍了BC作为传统纺织材料替代品的可行性，重点分析了其在实际应用中面临的吸水膨胀和抗菌能力问题，以及当前研究中提出的改良策略，进而讨论适用于提升BC耐用性的生产方法，这对于推动纺织行业的绿色转型和实现环境友好型生产具有积极意义。

关键词 细菌纤维素；纺织材料；吸水膨胀；抗菌性

Analysis of Water Absorption, Swelling and Antibacterial Properties of Bacterial Cellulose Textile Materials

LI Yan-Ming ¹

Abstract Bacterial cellulose (BC) is gradually becoming a widely concerned material in the field of textile fabrics due to its environmental friendliness and comfort. This paper discusses the feasibility of using BC as an alternative to traditional textile materials, with a focus on analyzing the issues of water absorption, swelling and antibacterial properties in practical applications. It also reviews the improvement strategies proposed in current research, aiming to discuss production methods that can enhance the durability of BC. This contributes to promoting the green transformation of the textile industry and achieving environmentally friendly production.

Keywords bacterial cellulose; textile materials; water absorption and swelling; bacterial resistance

随着环保理念日益深入人心，纺织制造业开始将目光投向了可再生和生物可降解的创新原材料。细菌纤维素（Bacterial cellulose，BC）作为一种生物基材料，由木醋杆菌等微生物通过发酵过程，利用天然资源如茶、咖啡、大豆和雪梨，生产出具有生物可降解性的细胞外纳米结构代谢物^[1]。这种独特的生物合成过程赋予了BC优秀的物理和化学特性，使其在多个应用领域中展现出巨大的潜力。有研究表明BC在未来时尚中的潜力，许多品牌已经开始探索或已将BC作为创新和环保的原材料。但BC的吸水膨胀性^[2]和抗菌性能^[3]问题是其作为纺织布料性能的关键考量因素。面对市场对高性能纺织布料日益增长的需求，对BC性能的深入剖析及针对性改良变得尤为关键，开发出既契合现有生产工艺又能显著提高材料性能的策略，已成为细菌纤维素在纺织布料制造中的创新焦点和行业发展的优先方向。

1 细菌纤维素的吸水膨胀与抗菌能力分析

1.1 细菌纤维素的吸水膨胀问题分析

棉质纤维具有良好吸湿性^[4]，经过纺织加工制成的服装不仅柔软舒适，而且不会过于硬挺，为穿着者带来一种自然的亲肤感^[5]。相较之下，BC具有更细腻的纤维和丰富的亲水基团，呈现出独特的三维网状纳米结构，这一结构赋予了它巨大的比表面积以及出色的吸水和保水能力^[6]。研究表明，BC具有卓越的保水能力，未经干燥的BC的持水率（Water Retention Value，WRV）值高达1000%以上^[7]，见表1。图1展示了接触角测量技术的最新进展，已经能够精确地测定纯BC与水滴之间的接触角为20°左右^[8]。这种亲和性的根源在于BC分子内含有大量如羟基等亲水性基团，它们与水分子通过氢键紧密结合，为BC提供了在湿润环境中保持性能稳定的能力^[9]。

尽管BC的高亲水性使其吸水和持水能力强，但这一特性在纺织业的应用中却存在一定的局限性。BC的高亲水性导致其在洗涤后容易迅速吸水，且不易干燥^[10]。此外，BC在吸水时会发生体积膨胀。研究显示，其溶胀性能尤为显著，尤其是在持水能力上，BC的WRV远超棉纤维。棉纤维虽然也会吸水膨胀^[11]，但其溶胀对织物影响有限。BC的膨胀特性则可能会对纺织布料的形态稳定性造成影响。吸水后，纤维的横向膨胀可能导致织物在长度上缩短、厚度上增加，并且在干燥后无法完全恢复原状，从而引起纺织品的缩水和变形，如图2所示。有研究表明不同干燥方式得到的BC在溶胀率和复水性方面存在显著性差异^[12]。这一发现强调了在制作BC纺织品时，必须谨慎考虑其吸水膨胀的特性。

1.2 细菌纤维素的抗菌能力分析

衣物上出现的微生物大部分是丝状真菌，称之为霉菌。这些霉菌一旦在衣物上生长，会使衣服发黑发黄，不仅影响美观性，还会产生多种毒素，危害人体健康^[13]。这些丝状真菌的繁殖需要特定的温湿条件，温度在20～30℃之间和相对湿度超过85%的环境最适宜它们生长发育。穿过的衣物由于与皮肤紧密接触，会吸附汗水、皮脂等皮肤分泌物，同时保留适宜的温度。这些生物分泌物和温度条件为微生物提供了一个温暖、湿润且富含营养的环境，从而成为它们生长和繁殖的理想场所。BC是一种由微生物代谢合成的高纯度、高结晶度聚合物，其化学结构的简明和高纯度特性，几乎不含对细菌有害的成分，具有较好的生物相容性，这意味着BC可以为细菌提供一个优良的生长环境^[14]。织物发霉不仅影响其外观和使用价值，还可能对人体健康造成严重威胁，具体情况见表2。

表2 衣物上常见微生物及可能引发的疾病

Table 2 Common microorganisms on clothing and possible diseases

2 细菌纤维素纺织布料的改良策略

2.1 细菌纤维素疏水性改性策略

细菌纤维素和棉纤维素具有相同的化学结构，两者的区别是绿色植物光合作用合成的棉纤维素伴有木质素和半纤维素杂质，因而在工业应用前，需对其进行繁杂的预处理；而对于由细菌合成的纤维素，则相对纯净，如图3所示^[15]。这使得它们可以接受相同的疏水改性处理，以有效缓解吸水后膨胀的问题。制备疏水纤维材料主要采用两种核心技术：一是使用物理或化学手段降低纤维素表面能，如使用含氟化合物或硅氧烷等低表面能物质进行涂层处理，或者通过化学反应引入疏水性基团，从而减少材料表面的亲水性；二是在纤维素表面形成微纳米粗糙结构，比如在纤维表面形成具有特定几何形状的微观结构，这些结构能够显著增加材料表面的粗糙度，进而增强其疏水性。这两种技术可以单独使用，也可以结合使用，以达到最佳的疏水效果。

(a) (b)

图3 棉纤维素（a）和细菌纤维素（b）微纤维的模式图^[15]

Fig.3 Model diagram of cotton cellulose (a) and bacterial cellulose (b) microfibers

2.1.1 降低纤维素表面能

（1）物理吸附。物理吸附是通过棉纤维素对表面活性剂、季铵盐或共聚物等的吸附来降低纤维素表面能^[16]。这种方法因其简便性、环保性及对纳米纤维素结构完整性的保护而受到推崇。尽管如此，由于改性剂与纤维素的范德华力和氢键这些较弱的相互作用易受外力影响而脱落，从而影响稳定性。为了克服局限，未来的研究可通过化学或物理加固手段增强改性剂与纤维素的结合，提高材料稳定性^[17]。

（2）化学改性。实现棉纤维素的疏水改性的主要方式是通过化学方法对其表面进行精细修饰。由于纳米纤维素中的羟基具有较高的反应性，可以通过化学方法改性这些羟基，进而调控材料的表面能。例如，应用甲硅烷基化^[18]、烷酰化^[19]和酯化^[20]等化学改性技术，可在纳米纤维素表面添加疏水性基团，改变其表面能，从而增强其疏水性能。

2.1.2 构建微纳米结构

（1）喷涂法。喷涂技术是一种将疏水性材料直接喷涂到基材表面的便捷方法，如图4所示。目前，喷涂法常用的疏水性材料有二氧化钛（TiO₂）、聚偏氟乙烯、硅烷化试剂。有学者研究使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）、甲基三甲氧基硅烷（MTMS）、六甲基二硅胺烷（HMDS）等硅烷化试剂通过喷涂方法制备纤维素纳米晶体（CNC）超疏水涂层^[21]。硅烷化试剂因其优异的化学稳定性和疏水性能，以及低廉的价格而被广泛应用于各种表面处理工艺中。

（2）浸渍法。浸渍法是一种高效的材料表面改性技术，它通过将基材完全浸泡在含有无机纳米颗粒的悬浮液中来实现，如图5所示。在浸泡过程中，纳米颗粒会均匀地附着在材料表面。随后，通过干燥和固化的步骤，这些颗粒将形成一层稳定的疏水层。例如，有研究人员基于天然蚕丝开发出可规模化生产的热致变色纱线，结合成熟的纱线纺纱技术和简单的浸渍技术，生产出高性能的连续热致变色纱线^[22]。这种方法不仅能够提高材料的疏水性能，还能保持其原有的机械强度和耐久性。通过精心选择纳米颗粒的种类和浓度定制疏水层的特性，以满足特定的应用需求。

图5 浸渍法连续纺丝装置示意图^[17]

Fig.5 Diagram of continuous spinning device by immersion method

（3）等离子体法。等离子体处理技术是一种先进的表面改性方法，通过微细刻蚀去除污染物并激活表面化学基团。利用等离子体中的活性化学物质，如分子、原子、自由基、离子和激发态原子或分子，沉积低表面能物质并增加微观表面粗糙度，如图6所示。这一过程不仅能够迅速提升材料的疏水性能，而且由于等离子体处理的均匀性和可控性，所得的疏水层具有优异的耐用性和稳定性。Calvimontes等^[23]研究表明，氧气等离子体处理能改变纤维素表面的粗糙度和化学组成，显著提高其疏水性，优化纤维素材料的应用性能。等离子体法能精确调控纤维素基材料的亲疏水性，保持原有特性的同时提供疏水性能，具有显著的应用和工业潜力。

（4）化学气相沉积法。化学气相沉积是一种利用化学还原反应将气体中的离子转化为固态物质并沉积于基材表面形成一层薄膜，如图7所示。该方法可通过精确控制气体成分、温度和压力等参数，精确调控沉积层的化学组成、厚度和微观结构，从而实现超疏水性能的表面。Fatemeh Rafieian等^[24]研究发现纤维素纳米纤维分散体可通过化学气相沉积法使用十六烷基三甲氧基硅烷进行疏水改性，制备低密度和高孔隙率的气凝胶，其水接触角在121°～139°之间。这种方法制备的超疏水材料不仅具有优异的疏水效果，还因其均匀性和稳定性而具有良好的耐久性，适用于多种高性能应用场景。

2.2 细菌纤维素抗菌性改性策略

2.2.1 细菌纤维素抗菌改性方式

纤维的抗菌改性是通过物理和化学手段抑制微生物，比如通过物理屏障限制微生物，化学抗菌剂破坏细胞结构，金属离子如银、铜干扰细胞代谢，季铵盐等阳离子聚合物引起细胞功能障碍，光催化产生活性氧攻击细胞，以及酶和壳聚糖等天然成分改变细胞结构。

（1）物理屏障限制微生物。棉纤维织物的物理屏障限制微生物性能受编织结构影响。Beti Rogina-Car等^[25]研究揭示了编织图案对棉织物微生物屏障性能的关键影响，明确了编织结构在控制细菌穿透性方面的重要性。研究显示，编织图案决定了织物孔隙分布、大小和纱线浮游程度，这些因素共同影响细菌穿透率。精心设计的编织结构能显著提升棉织物的微生物防护能力，但可能带来生产复杂性、成本上升和生产速度减慢等挑战。尽管如此，优化编织结构是提高防护性能的有效方法，值得在生产中关注和发展。

（2）干扰、破坏细胞限制微生物。抗菌效果的实现是一个多元化的过程，化学方法因其高效性和广泛应用而成为主流。目前常见的干扰、破坏细胞是通过一系列化学方式发挥作用，如干扰细菌细胞壁的合成、破坏细胞膜的完整性、抑制蛋白质合成、阻断代谢途径、损伤遗传物质、诱导氧化应激、改变物理结构、破坏生物膜等方法，有效地抑制或杀死细菌。表3展示了一系列化学方法干扰、破坏细胞限制微生物及相关研究进展。化学抗菌方法以其独特的优势提供了多样化的抗菌策略。这些方法不仅可以独立应用，还可以与其他抗菌技术相结合，以提升整体抗菌效能并有效延缓细菌耐药性的发展。然而，在利用化学抗菌剂时，须考虑其安全性和对环境的潜在影响，确保这些抗菌剂在有效预防和治疗感染的同时不会对人体健康或生态系统造成不利影响，是使用化学抗菌剂时的重要考量。通过使用化学抗菌剂，可以最大限度地发挥其抗菌潜力。

2.2.2 细菌纤维素抗菌改性工艺

细菌纤维素抗菌改性不仅要选择适合的抗菌方式，还要考虑加工工艺。表4中比较了不同纤维素抗菌改性工艺及优缺点。改性过程中运用适配的加工工艺如抗菌剂的负载方式、处理时间和条件，对于提高抗菌成分在细菌纤维素基材料中的均匀分布和牢固固定是至关重要的步骤。这种优化不仅显著增强了抗菌效果的长期稳定性，还显著提升了材料的综合性能。通过增强防水性、透气性和机械强度等关键特性，细菌纤维素基材料的应用范围得以扩展，其在多样化的市场需求中的竞争力得到增强。

3 结语

细菌纤维素的机械强度、高结晶度和三维结构等特性使其在纺织工业中得到了广泛应用，但高亲水性细菌纤维素在纺织领域应用中存在易膨胀与微生物滋生问题。本文分析了细菌纤维素在纺织布料中因吸水膨胀和抗菌能力较差而可能对性能和使用寿命造成的影响。针对这些问题，综合了最新的科研成果，并提出了一系列切实可行的解决策略，以通过创新方法提升细菌纤维素的稳定性和抗菌能力，从而增强其耐用性和功能性。

展望未来，细菌纤维素的性能优化将成为研究的重点，这不仅关乎材料科学的前沿发展，也是纺织工业创新的关键。通过提高细菌纤维素的耐膨胀性和抗菌能力，可以显著提升其在高湿度、多微生物环境中的适用性，进而拓宽其在医疗、卫生、户外装备等专业纺织品市场的应用范围。

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第一作者：李燕明（1989—），女，汉族，广东茂名人，本科，助理工程师，主要从事轻工纺织品检测领域工作，E-mail: 1547829272@qq.com

1. 拱北海关技术中心 珠海 519000

1. Technical Center of Gongbei Customs, Zhuhai 519000

表1 细菌纤维素与市场上常见布料纤维的保水能力

Table 1 Water retention capacity of bacterial cellulose and common fabric fibers in the market

图1 细菌纤维素动态接触角测试图

Fig.1 Bacterial cellulose of static contact angle

图2 细菌纤维素吸水膨胀示意图

Fig.2 Schematic diagram of bacterial cellulose swelling by water absorption

图4 细菌纤维素喷涂改性模拟示意图

Fig.4 Bacterial cellulose spray modification simulation diagram

图6 等离子体处理技术示意图

Fig.6 Schematic diagram of plasma processing technology

图7 化学气相沉积法示意图

Fig.7 Schematic diagram of chemical vapor deposition

表3 限制微生物生长方式及相关研究

Table 3 Microbial growth restriction patterns and related research

表4 不同纤维素抗菌改性工艺对比^[31]

Table 4 Comparison of different antibacterial modification processes