纺织品抗菌面料的性能测试方法
纺织品抗菌面料的性能测试方法
摘要：作为防护性功能纺织品的抗菌整理，存在着各种不同性能测试方法。详细介绍了纺织品抗菌性能的各种定性和定量测试方法；同时论述了影响纺织品抗菌性能测试效果的关键因素。
关键词：纺织品抗菌面料；测试方法；定量测试；关键因素
0•前言
在现实生活中,人们不可避免地要接触到各种各样的细菌、真菌等微生物。这些微生物在合适的条件下会迅速生长繁殖,并通过接触等方式传播疾病,影响人类的身体健康。近几年,国内外研制和生产了各种纺织品抗菌面料,因此如何准确地检测和科学评价这些产品的抗菌性能,对于纺织品抗菌面料的良性发展就显得尤为重要。抗菌织物测试方法在国外研究较早,尤其是美国和日本研究成果较多,西欧发达国家也提出了一些测试方法,但与美日方法大同小异,而国内抗菌测试也主要采用国外测试方法。迄今为止,具有代表性且应用较广的是美国的AATCC100、ASTM E2149、日本的JIS L1902标准、我国纺织行业抗菌标准FZ/T 01021-92和GB/T 20944.1-2007。
1•测试菌种的选择
测试的菌种包括细菌和真菌。在细菌中主要用革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，在真菌中主要用霉菌和癣菌。
在纺织品抗菌面料抗菌性能的评价中,菌种的选择必须具有科学性和代表性。表1列出的菌种在自然界(包括人体皮肤及粘膜上)的分布较为广泛。
金黄色葡萄球菌是无芽胞细菌中抵抗力最强的致病菌,可作为革兰氏阳性菌的代表。巨大芽胞杆菌是芽胞类细菌中常见的致病菌;枯草杆菌易形成芽胞,抵抗力强,可作为芽胞菌的代表。大肠杆菌分布相当广泛,已作为通常的革兰氏阴性菌的代表性菌种用于各种试验。黄曲霉、球毛壳霉作为规定的防霉试验用菌种,已列入我国国家标准(GB2423.16-81),其他一些所选择的霉菌,则是侵蚀纺织品或高分子材料的常见霉菌。白色念珠菌是人体皮肤粘膜常见的条件致病性真菌,对药物具有敏感性,具真菌的特性,菌落酷似细菌而不是细菌又不同于霉菌,因具有酷似细菌的菌落,易于计数观察,常作为真菌的代表。
因此,为考核纺织品抗菌面料是否具有广谱抗菌效果,较合理的选择是按一定的比例,将有代表性的菌种配成混合菌种用于检测。目前大部分抗菌产品的抗菌性能,往往仅选择金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和白色念珠菌分别作为革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和真菌的代表。但实际上仅用这三种菌来代表织物的抗菌性能是远远不够的[1]。
另外,由于大部分真菌无法计数菌落数,因此,纺织品抗真菌性能的评价主要通过观察试样接触真菌后,在一定的温湿度的条件下,经过一定时间以后真菌在试样上的生长情况来评定,而对真菌生长程度的评定,则采用英国标准BS6085-81来进行等级评定。
2•纺织品抗菌性能测试方法
纺织品抗菌面料性能测试方法主要包括定性测试方法、半定量测试方法和定量测试方法。
2.1定性测试方法
定性测试方法主要有美国AATCC Test Method90(Halo Test,晕圈法,也叫琼脂平皿法)、JISZ2911-1981(抗微生物性实验法)、AATCC-30（纺织材料抗霉菌和抗腐烂性能的评定）以及GB/T 20944.1-2007（纺织品抗菌性能的评价第1部分：琼脂平皿扩散法）等。定性测试方法包括在织物上接种测试菌和用肉眼观察织物上微生物生长情况。它是基于离开纤维进入培养皿的抗菌剂活性,一般适于溶出性抗菌整理,但不适用于耐洗涤的抗菌整理。优点是费用低,速度快,缺点是不能定量测定抗菌活性,结果不够准确。
2.1.1 AATCC-90试验法
是用于抗菌剂筛选的抗菌效力快速定性方法。原理是:在琼脂培养基上接种试验菌,再紧贴试样。于37℃下培养24 h后,用放大镜观察菌类繁殖情况和试样周围无菌区的晕圈大小,与对照样的试验情况比较。此法一次能处理大量的试样,操作较简单,时间短。但也存在一些问题,如虽然规定了在一定时间内培养试验菌液,但是菌浓却没有明确的规定。另外,阻止带的宽度代表的是扩散性和抗菌效力,对于与标准织物比较是有意义的,但不能作为抗菌活力的定量评定[2]。
2.1.2 AATCC-90喷雾法
AATCC-90喷雾法是对AATCC-90试验法改良之一，是在培养后的试样喷撒一定量TNT试剂,肉眼观察试样上菌的生长情况。其发色原理为TNT试剂因试验菌的琥珀酸脱氢酶的作用被还原,生成不溶红色色素而显红色,从而达到判定抗菌性的目的。该种方法的优点就是无论试样是否有抑菌圈形成,只要平板上有细菌生长,就会显出红色。
2.1.3 AATCC-90比色法
AATCC-90比色法也是对AATCC-90试验法改良，是在培养后试样上的菌洗出液中加入一定量的TNT试剂使发色,15 min后用分光光度计测定525nm处的吸光度,来求出活菌个数。但是以上两方法不适用于无琥珀酸脱氢酶的试验菌。
2.1.4J ISZ2911抗霉菌试验法
该法是第一条研究思路在霉菌检测中的早期成果,其基本原理是:在样品及培养基上均匀地喷洒一定量的混合孢子悬液,培养一定时间,定期观察试样长霉情况,按霉菌的生长情况分等级评价试样的抗霉菌性能。
2.1.5 AATCC 30试验法
AATCC-30是对纺织材料抗霉菌和抗腐烂性能的评定。确定了纺织材料抵抗霉菌和耐腐烂的性能,以评定杀菌剂对纺织材料抗菌性能的有效性。分为土埋法、琼脂平板法及湿度瓶法等几种方法。土埋法是指将样品(具有一定尺寸)埋在泥中一定时间后,测定样品的断裂强度。此法是用样品经土埋处理后所损失的断裂强度来表征其抗霉能力。琼脂平板法是用来评估织物抵抗这类细菌能力的方法。该法是将含有培养基的琼脂平板均匀滴上一定量的分散有曲霉菌孢子的水溶液,然后将经非离子润湿剂处理的样品圆片放置其上,并在样片上均匀滴加一定量的上述水溶液,在一定的温度下放置一段时间,最后观察样品上霉菌的生长情况。它是用样品圆片上的霉菌面积来进行表征的。湿度瓶法是经过预处理的样品条悬挂置于一个有一定通风的，盛有一定量的，分散有一定数目细菌孢子的水溶液的广口瓶中,在一定的温度下放置一段时间。此法也是用样品条上的霉菌面积进行表征[3]。
2.1.6GB/T 20944.1-2007纺织品抗菌性能的评价第1部分：琼脂平皿扩散法
此标准是国内最新推出的纺织品抗菌性能定性测试方法，平皿内注入两层琼脂培养基，下层为无菌培养基，上层为接种培养基，试样放在两层培养基上，培养一定时间后，根据培养基和试样接触处细菌繁殖的程度，定性评定试样的抗菌性能[4]。
2.2半定量测试法
纺织品抗菌性能半定量测试法中应用的较多的是平行划线法。
平行划线法是对纺织品抗菌效力的半定量实验方法,可相对快速和方便地定性测试经抗菌整理的纺织材料的抗菌性能,可用来确定具有可扩散抗菌剂的纺织品的抗菌能力。替代了繁琐的A A T C C-1 0 0。
AATCC-147应用于纺织材料的抗菌整理的评定,是对纺织材料抗菌性能的半定量分析。AATCC-147法是将一定量的培养液(内含一定数目的金黄色葡萄球菌等细菌的孢子)滴加于盛有营养琼脂平板的培养皿中,使其在琼脂表面形成五条平行的条纹,然后将样品垂直放于这些培养液条纹上,并轻轻挤压,使其与琼脂表面紧密接触,在一定的温度下放置一定时间。此法是用与样品接触的条纹周围的抑菌区的宽度来表征织物的抗菌能力。
2.3定量测试法
目前纺织品抗菌性能定量测试方法最主要的就是烧瓶振荡法和吸收法。烧瓶振荡法是通过纺织品在菌液中的振荡,使细菌与纺织品所含有的抗菌剂接触,根据振荡前后菌液中所含活菌个数的变化,作为抗菌性能的主要指标。而吸收法是将含有规定浓度的菌液滴加于纺织品抗菌面料试样和不含抗菌剂的对照样上,在规定条件下培养一定时间后,对培养前后的试样和对照样分别用规定的洗脱液进行洗涤,之后再对洗脱液中的活菌记数。通过对比培养前后活菌个数的变化,来评价抗菌性能。
振荡法操作相对复杂,一般的标准中应用范围也仅限于非溶出型纺织品抗菌面料;而虽然吸收法的操作较为复杂,耗时较长,但因其是定量方法,对溶出型与非溶出型纺织品抗菌面料均较适用,且试验条件与人体实际穿着情况较为接近,所以是目前测试结果最为准确的方法。从科学性以及生活实际出发,该法都应该是未来纺织品抗菌性能测试的主要发展方向。
定量测试的标准主要包括以下几种，美国AATCCTest Method 100(菌数测定法)、J ISL1902-8(1998)定量试验法、FZ/T02021-92、改良的奎因(Quinn)实验法、ASTM E 2149–2001（固着性抗菌剂抗菌性的动态测试法）、GB/T 20944.2-2007（纺织品抗菌性能的评价第2部分：吸收法）等。定量测试方法的优点是定量、准确、客观,缺点是时间长、费用高。下面介绍一下常用的纺织品定量测试方法。
2.3.1 AATCC Test Method 100试验法
该法于1961年由美国纺织印染协会标准委员会提出,1965、1981年修订后基本定型。该法提出时间较早、影响较大,能定量地检测试样的杀菌能力和抑菌能力。原理为:在待测试样和对照试样上接种测试菌,暴露一定时间后分别加入一定量中和液,强烈振荡将试样残存活菌洗出,以稀释平板法测定洗脱液菌浓度,与对照样比较,计算抗菌织物上细菌减少的百分率[5]。
此法的缺点是一次试验的检体不能太多,且花费时间较长;对于非溶出型试样,不能进行抗菌性能评价;没有详细规定中和溶液的成份;而且菌液中营养过于丰富,与实际穿着条件相差太大;容器太大,不易操作。
在吸收国内外经验的基础上,经过大量的实验,对其加以改进,形成了一套系统的定量测试方法体系,可以满足不同纺织品抗菌面料抗菌性能测试的需要，即改良AATCC-100,要点如下:将AATCC-l00法的试样由直径为4.8 cm的圆形改为边长约1.8 cm的正方形,将其放入30 mL或50 mL带盖锥形瓶。用0.85%冰冷生理盐水(0~4℃)代替AATCC肉汤稀释接种菌。将菌种从约108~109 cfu/mL稀释到1×105~2×105 cfu/mL,制成接种菌液。用20 mL,0.85%冰冷生理盐水代替中和剂洗涤试样。
用下式计算试样的抑菌活性和杀菌活性:抑菌率="18h后空白对照样活菌数-18h后试样活菌数/18h后空白对照样活菌数×100%杀菌率=“0”时空白对照样活菌数-18" h后试样活菌数/“0”时空白对照样活菌数×100%该种方法无论对于溶出型试样,还是非溶出型试样,都能进行抗菌测试,而且培养基的养分适合织物的使用条件。
2.3.2J ISL1902-8(1998)定量试验法
日本学者对美国AATCC100法提出的改良方法,如菌数测定法、细菌增殖抑制试验法、琼脂平板法、改良细菌增殖抑制试验法、改良的AATCC100试验法等,依此日本工业标准委员会对JISL1902-1990标准进行修订,制定出了JISL1902-1998标准[6]。
2.3.3FZ/T02021-92试验法
FZT01021–92中华人民共和国纺织行业标准，织物抗扰菌性能试验方法(以下简称FZ／T法)；将测试样和对照样分别放于三角瓶中(测试样2瓶，对照样1瓶)，加入指示菌菌液后将对照样和零时测试样上的菌立即用缓冲液洗涤并测定菌量，20 h试样置适宜温度下培养后也用缓冲液洗涤，并测定菌量，然后计算出试样细菌减少百分率。
2.3.4改良的奎因(Quinn)试验法
实验原理：将实验菌液直接滴于待检织物上，使细菌充分在织物上接触暴露一定时间，然后覆盖培养基，使剩下的菌体生长。比较抗菌样品菌量下降百分率，对其抗菌能力做出判断。使用放大镜计数菌落形成单位[7]。
2.3.5 ASTM E 2149–2001试验法
ASTM E 2149–2001是一种振荡测试法,测试操作比吸收法简单,是目前较为理想的测试方法。振荡法是在一定液体中接种细菌,对于试样的吸水性要求不高,对于纤维,不论是粉末状或羽绒羽毛,或凹凸不平的织物,任意形状的试样都能应用,且对非溶出型和溶出型抗菌织物的测试都非常适用。该测试方法不仅可以测试织物,还可以测试粉状和颗粒状材料,以及其他表面处理固体材料[8]。
2.3.6GB/T 20944.2-2007纺织品抗菌性能的评价第2部分：吸收法
此标准是国内最新推出的纺织品抗菌性能定量测试方法，测试原理是将试样与对照样分别用试验菌液接种。分别进行立即洗脱和培养后洗脱，测定洗脱液中的细菌数并计算抑菌值或抑菌率，以此评价试样的抗菌效果[9]。
3•影响纺织品抗菌测试方法中的关键因素本文主要针对定量测试方法中的烧瓶振荡法和吸收法做介绍。
3.1影响烧瓶振荡测试效果的关键因素影响烧瓶振荡法测试结果的关键因素包括试验菌种、洗涤剂、洗涤方法、测试参数以及抗菌效果的判定等[10]。
3.1.1试验菌种
即使是使用同属一个菌种的微生物,但如果来源不同,对抗菌整理加工样品的敏感性也有差异,测出的抗菌值也就不同。所以,测定时尽量使用标准菌株。细菌的生长都有一定的规律性,一般可分为:迟缓期、对数增长期、稳定期和衰退期等四个生长期。
不同细菌的各个生长周期长短不一。如纺织品抗菌面料检测时常用细菌“金黄色葡萄球菌”繁殖速度比大肠杆菌、肺炎杆菌要慢得多。接种不同时期试验菌(即细菌的活性不同)得出的结果也有所差异。
3.1.2洗涤剂、洗涤方法
除非是一次性用品或根据实际用途不需要洗涤的试样,一般在测试样品前处理时都要先洗涤一次,一是为了去除织物上的灰尘或杂质,二是消除过量使用的抗菌剂。
洗涤试验采用何种洗涤剂,以及是否已将残留洗涤剂清洗干净,对结果的影响很大。因此,对洗涤程序及洗涤剂要进行标准化,不然,不同测试单位的试验数据就会缺乏可比性。
3.1.3测试参数
温度是影响微生物生长的一个重要因素。温度过低,细菌就会停止生长;当温度升高时,细胞内的化学反应和酶生化反应速率均较快,生长速率加快。大部分细菌属于嗜温微生物,最适生长温度在37℃左右。细菌的繁殖受温度的影响非常大,所以,对温度的考虑是不可缺少的。
纺织品抗菌面料测试方法中,除了《抗菌针织品》行业标准将样品上菌液培养温度设定为(24±1)℃,其余皆为37℃。为避免试验过程中温度差异对细菌生长产生的影响,使各标准间具可比性,应统一测试温度。接种菌液浓度、接种菌活性、接种菌营养水平、样品与菌液接触时间的培养方式及培养时间等,皆对测试结果有影响。因此,规定统一的测试参数,可使实验室内和各实验室间测试结果具有重演性和可比性。
3.1.4抗菌效果的判定
目前,抗菌结果的表示有百分率和对数值两种。百分率易于理解,但抗菌差异不明显。如90%、99%、99.9%、99.99%、99.999%......百分率数值上看似乎差一点点,但是小数点后多一个9,实际数值就要相差10倍,而且测试报告上一般只保留小数点后一位数,因此,抗菌差异显示不出。况且,细菌是以几何级数增长的,因此,用百分率来表示并不合理。用对数值则可分别表示为1、2、3、4、5,让人一目了然地了解其抗菌差异,但是不易被外行人士理解。考虑到环境和安全因素,不可片面追求过高的抗菌效果。抗菌织物大多数与人体皮肤直接接触,而且需多次洗涤,应保证其安全性和持续性。台湾地区标准CNS14945《一般用途纺织品抗菌面料性能评估》的适用范围备注中规定,在测试抗菌性能之前,申请者必须附上抗菌剂的皮肤刺激性(pH值<2)或过敏性(无过敏反应)的动物试验报告,以及产品中添加物之经口急性毒性报告–小鼠>1000 mg/kg无死亡和异常现象的认证实验室报告正本,或是原料厂商提供的第三方检验报告副本及保证书。对于无需洗涤或不接触人体的制品,可降低这方面的要求。所以,有必要根据实际用途设定合理的抗菌效果判定值。
3.2影响吸收法测试效果的关键因素
影响吸收法测试结果的关键因素包括菌液制备、对照样、试样重量以及培养时间等4个关键因素,对于实验的成功与否起着决定性作用[11]。
3.2.1菌液制备
菌液制备是抗菌试验中初始、但又非常关键的一步,直接决定着试验中细菌生长情况的好坏。目前的制备方法,分别为以美国AATCC 100为代表的两步法、以日本JIS L 1902为代表的三步法。所谓两步法,就是分以下两个步骤培养细菌:
第一步,用接种环取一接种环保存的菌种,划线接种于营养琼脂平皿内,并将该平皿在37℃条件下培养一定时间;
第二步,从第一步平皿中挑取一典型细菌菌落,接种于营养肉汤中,并在37℃条件下培养一定时间;然后,就是将第二步中的菌液稀释至规定浓度。
而三步法则是在两步法的基础上再增加一步,即适量采取第二步中培养的菌液,加入到营养肉汤中,也在37℃条件下培养一定时间,最后再将培养的菌液稀释至规定浓度。
在抗菌试验中,必须是活性较高的细菌才能真实地反映纺织品抗菌面料的抗菌性能。在试验中,活性的高低一般是根据对照样上的细菌在培养前后的增长情况来判断的。细菌增长得越多,其活性就越高;反之就越低。两步法与三步法的实验数据表明(如表2所示),三步法使得菌液中的细菌活性大大提高,尤其对于生长活性较差的金黄色葡萄球菌来说效果更加明显,但对于活性较高的大肠杆菌来说变化不大。三步法避免了使用活性较低的保存菌种风险,可保证试验的重现性,真实反映纺织品的抗菌性能。但连续的3次培养,相对两步法来说,不仅耗时太长,而且操作烦琐,对于活性较高的大肠杆菌来说显得有些多余,因为采用两步法也能达到三步法的结果,即只要对照样上活菌数的增加倍数符合要求即可。为了操作简便,应根据菌种选用合适的方法。
3.2.2对照样
在抗菌试验中,对照样的选择极为关键。这是因为计算抗菌效果是以对照样为基础的,对照样上细菌生长情况的好坏,决定着抗菌效果的评价结果。一些方法选择了与试样同一类型、但不含抗菌剂的织物作为对照样,这主要是为企业而设定的,主要用于筛选工艺的比对试验。而对于市场化的检测就无法操作了,企业在送检时往往提供不出对照样来。因此,无论是从实验的可操作性、还是可对比性来看,都应当选择一种既有代表性的、又能对大多数试样都适用的对照样。
考虑到纺织品抗菌面料一般都是内衣、内裤、袜子等与人体皮肤接触较多的纯棉纺织品,故在实验中,选择了GB 7565287中规定的纺织品色牢度试验用棉贴衬织物作为对照样。在前期试验时,未对棉贴衬织物洗涤而直接进行的试验表明,该贴衬织物上的细菌经过19 h培养后洗下的液体,按照十倍稀释法对其活菌进行计数,数据严重违背十倍稀释规律,甚至出现3.2.3试样用量试样用量的多少对结果有着显著影响。这是因为,在对培养后的试样洗涤其上的活菌过程中,试样所含有的抗菌剂同时也被洗出。试样量越多,洗脱下来的抗菌剂就越多。而这些洗下的抗菌剂,会进一步抑制洗涤下来的液体中残留的活菌的生长,从而使得最后的活菌数减少。试样用量越多,活菌数就减少得越多,从而抗菌效果也越好,但这种结果并不能真实反映纺织品的抗菌性能。因此,统一试样用量在抗菌试验中就显得非常重要。
3.2.4培养时间
培养时间是指细菌在正常情况下,从生长繁殖到其活菌数达到最大值的时间。理论上,该时间段为18h比较合适。在现行方法中,有选择18～24 h的,有选择18±1 h的,还有选择20±2 h的,基本上都是在18～24 h范围内进行选择。
4•结论
迄今为止,国际上对抗菌测试还没有一套统一的标准,在实验菌种、实验仪器、实验方法和评价方法等方面都有一定的差异,不同的检测方法对检测结果也有影响。国家应尽快制定统一、权威、科学的纺织品抗菌面料检测标准及评价体系,以规范、监督这个极具发展潜力的市场。
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