甜菜碱型季铵盐抗菌剂制备及其用于织物整理的方法
阅读说明：本技术 甜菜碱型季铵盐抗菌剂制备及其用于织物整理的方法 (Preparation of betaine type quaternary ammonium salt antibacterial agent and method for applying same to fabric finishing ) 是由 吴良华 王莉莉 李益民 吴明华 占冠辉 凌江良 李磊 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种甜菜碱型季铵盐抗菌剂制备及其用于织物整理的方法,所属印染助剂技术领域,包括先将十六烷基二甲基叔胺溶于乙醇中,缓慢滴加3-氯丙烯,经后处理得到十六烷基(3-烯丙基)二甲基氯化铵再经高锰酸钾氧化处理,得到十六烷基(2-乙酸基)二甲基氯化铵；接着将1,3-丙烷磺内酯、N,N-二甲基丙烯胺溶解于四氢呋喃中,经后处理得到丙烯-磺丙基甜菜碱；然后将丙烯-磺丙基甜菜碱经高锰酸钾氧化处理,得到乙酸基-磺丙基甜菜碱；最后将十六烷基(2-乙酸基)二甲基氯化铵、乙酸基-磺丙基甜菜碱、异氟尔酮二异氰酸酯和丙三醇混合得到甜菜碱型季铵盐抗菌剂。具有工艺简单、稳定性好、抑菌持久性长和抗菌活性高的特点。(The invention relates to a method for preparing a betaine type quaternary ammonium salt antibacterial agent and a method for using the same in fabric finishing, which belongs to the technical field of printing and dyeing auxiliaries and comprises the steps of dissolving hexadecyl dimethyl tertiary amine in ethanol, slowly dropwise adding 3-chloropropene, carrying out aftertreatment to obtain hexadecyl (3-allyl) dimethyl ammonium chloride, and carrying out potassium permanganate oxidation treatment to obtain hexadecyl (2-acetoxy) dimethyl ammonium chloride; dissolving 1, 3-propane sultone and N, N-dimethyl allylamine in tetrahydrofuran, and performing post-treatment to obtain propylene-sulfopropyl betaine; then oxidizing the propylene-sulfopropyl betaine by potassium permanganate to obtain acetoxy-sulfopropyl betaine; finally, mixing hexadecyl (2-acetoxy) dimethyl ammonium chloride, acetoxy-sulfopropyl betaine, isophorone diisocyanate and glycerol to obtain the betaine type quaternary ammonium salt antibacterial agent. Has the characteristics of simple process, good stability, long antibacterial persistence and high antibacterial activity.)
技术领域
本发明涉及印染助剂技术领域，具体涉及一种甜菜碱型季铵盐抗菌剂制备及其用于织物整理的方法。
背景技术
在病原菌的传播过程中，纺织品是重要的媒介之一。棉织物柔软透气，具有良好的吸水性，有利于细菌的粘附、转移和增殖，这就会损伤织物的性能，所以越来越多的学者对棉织物的抗菌整理展开研究。抗菌整理是应用抗菌剂处理纺织品，从而使纺织品获得抗菌、防霉等功能。因此，在棉织物上进行抗菌整理具有重要的研究价值。
季铵盐类化合物作为一种典型的有机抗菌整理剂，已投入使用超过50年，它是一种阳离子表面活性剂，常被用作消毒剂、防腐剂，广泛应用于表面清理、医院消毒等各个领域。季铵盐类化合物的抗菌性能受分子中阳离子季铵盐数量、烷基长度影响很大，且与是否存在全氟代烃基团，常作为抗菌剂应用于织物的抗菌整理。
季铵盐类化合物亦能影响细菌等微生物的DNA转录，破坏其正常繁殖。若季铵盐分子中有长链烃基，季铵盐则对细菌产生两种作用：(1)季铵盐的中心氮原子带正电，与带负电荷的细菌细胞膜等产生静电吸附；(2)疏水长链烃基与微生物的非极性中心产生分子间作用力，季铵盐因静电吸引力吸附在微生物细胞表面后，由于分子定向排列空间位阻的存在，长链烃基刺入细胞内部进而破坏其代谢过程，在微生物细胞失活后，季铵盐仍能继续发挥其抗菌性能。
为此，改性季铵盐的目的多为提高抗菌整理剂的广谱抗菌性并且增强抗菌剂与纺织品之间的结合力，增强其耐洗牢度。目前，大多数研究者所设计的改性化学方案多基于改变氮上连接的基团，较少考虑将两个均有抗菌性的物质连接起来。单一季铵盐类季对那些不带负电的细菌没有抗菌作用，并且阳离子季铵盐很容易和阴离子表面活性剂(如肥皂)反应，使该类抗菌剂的正电性消失，从而失去抗菌作用。例如：Liu J.等合成了一种新型的聚硅氧烷季铵盐，对大肠杆菌的抗菌率达到99.52％，对金黄色葡萄球菌的抗菌率约为98.33％，但是经过20次洗涤后发现，抗菌率均有所下降。
发明内容
本发明主要解决现有技术中存在工艺复杂、稳定性差、抑菌持久性短和抗菌活性低的不足，提供了一种甜菜碱型季铵盐抗菌剂制备及其用于织物整理的方法，其具有工艺简单、稳定性好、抑菌持久性长和抗菌活性高的特点。能有效纺织细菌粘附并且抑制生物膜的形成，提高抗菌剂在织物上的耐久抑菌和抗菌活性。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种甜菜碱型季铵盐抗菌剂制备的方法，括如下操作步骤：
第一步：将十六烷基二甲基叔胺溶于50mL乙醇中，在60～80℃的温度下剧烈搅拌，缓慢滴加3-氯丙烯，反应3～5h，经后处理得到十六烷基(3-烯丙基)二甲基氯化铵；十六烷基(3-烯丙基)二甲基氯化铵的化学结构式：
第二步：将十六烷基(3-烯丙基)二甲基氯化铵经高锰酸钾氧化处理，得到十六烷基(2-乙酸基)二甲基氯化铵；十六烷基(2-乙酸基)二甲基氯化铵的化学结构式：
第三步：将1，3-丙烷磺内酯、N，N-二甲基丙烯胺溶解于四氢呋喃中，在50～60℃的温度下反应4～6h，经后处理得到丙烯-磺丙基甜菜碱；丙烯-磺丙基甜菜碱的化学结构式：
第四步：将丙烯-磺丙基甜菜碱经高锰酸钾氧化处理，得到乙酸基-磺丙基甜菜碱；乙酸基-磺丙基甜菜碱的化学结构式：
第五步：将十六烷基(2-乙酸基)二甲基氯化铵、乙酸基-磺丙基甜菜碱、异氟尔酮二异氰酸酯和丙三醇在室温，pH为4～6的条件下发生酯化反应3～6小时，得到甜菜碱型季铵盐抗菌剂，甜菜碱型季铵盐抗菌剂化学结构式：
作为优选，十六烷基二甲基叔胺与3-氯丙烯的摩尔比为1∶(1～3)，3-氯丙烯用量为十六烷基二甲基叔胺摩尔数的1～3倍，且需要在1h内滴加完毕，搅拌速度为400～600r/min。
作为优选，十六烷基二甲基叔胺与3-氯丙烯混合后冷却，进行的后处理采用蒸馏去除溶剂，用石油醚冲洗3～5次，得到十六烷基(3-烯丙基)二甲基氯化铵。
作为优选，十六烷基(3-烯丙基)二甲基氯化铵与高锰酸钾的摩尔比为3∶(10～13)；十六烷基(3-烯丙基)二甲基氯化铵与高锰酸钾氧化处理的条件为：pH7～10，温度80～100℃，搅拌处理30～60分。
作为优选，1，3-丙烷磺内酯与N，N-二甲基丙烯胺的摩尔比为1∶(1～3)，四氢呋喃用量为25～30mL。
作为优选，1，3-丙烷磺内酯、N，N-二甲基丙烯胺溶解于四氢呋喃进行反应的后处理包括：用无水四氢呋喃萃取，在80～100℃真空状态进行干燥1～3h。
萃取过程采用在分液漏斗中添加制备出的溶液，再加入无水四氢呋喃进行振荡。将分液漏斗放在铁圈上静置使其分层，打开分液漏斗活塞，再打开旋塞，使下层液体从分液漏斗下端放出，待分层界面与旋塞上口相切即可关闭旋塞。下层液体即为得到的丙烯-磺丙基甜菜碱。
作为优选，丙烯-磺丙基甜菜碱与高锰酸钾的摩尔比为3∶(10～13)，丙烯-磺丙基甜菜碱经高锰酸钾氧化处理的氧化条件为：pH7～10，温度80～100℃，搅拌处理30～60分钟。
作为优选，十六烷基(2-乙酸基)二甲基氯化铵、乙酸基-磺丙基甜菜碱、异氟尔酮二异氰酸酯和丙三醇的摩尔比为1∶1∶1∶(1～3)。
一种甜菜碱型季铵盐抗菌剂用于织物整理的方法，采用浓度为10～30g/L的甜菜碱型季铵盐抗菌剂对织物进行整理，测试整理织物的抗菌性能。抑菌性能测定参照GB/T20944.3-2008《纺织品抗菌性能的评价第3部分：振荡法》。
作为优选，整理织物的工艺为二浸二轧，浴比1∶(20～30)，轧余率70～100％；预烘温度70～90℃，预烘时间2～3min；焙烘温度150～170℃，焙烘时间1～2min。
本发明能够达到如下效果：
本发明提供了一种甜菜碱型季铵盐抗菌剂制备及其用于织物整理的方法，与现有技术相比较，具有工艺简单、稳定性好、抑菌持久性长和抗菌活性高的特点。能有效纺织细菌粘附并且抑制生物膜的形成，提高抗菌剂在织物上的耐久抑菌和抗菌活性。
具体实施方式
下面通过实施例，对发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：一种甜菜碱型季铵盐抗菌剂制备的方法，如下操作步骤：
第一步：将十六烷基二甲基叔胺溶于50mL乙醇中，60～80℃下剧烈搅拌，1h后在其中滴加3-氯丙烯，控制十六烷基二甲基叔胺和3-氯丙烯的摩尔比为1∶0.5～5，搅拌速率为500r/min，反应4h。反应结束后，将反应液冷却，蒸馏去除溶剂，在用石油醚冲洗4次，得到产物十六烷基(3-烯丙基)二甲基氯化铵。
第二步：将十六烷基(3-烯丙基)二甲基氯化铵在pH为9，温度90℃的条件下经高锰酸钾氧化50分钟，，控制十六烷基(3-烯丙基)二甲基氯化铵与高锰酸钾的摩尔比为3∶10，得到十六烷基(2-乙酸基)二甲基氯化铵。
第三步：将1，3-丙烷磺内酯、N，N-二甲基丙烯胺溶解于100mL的四氢呋喃中，控制1，3-丙烷磺内酯与N，N-二甲基丙烯胺的摩尔比为1∶2，于55℃下进行反应5h，用无水四氢呋喃萃取，于70℃，真空干燥时间8h，得到丙烯-磺丙基甜菜碱。
第四步：将甜菜碱在pH9，温度90℃的条件下经高锰酸钾氧化50分钟，控制甜菜碱与高锰酸钾的摩尔比为3∶10，得到乙酸基-磺丙基甜菜碱。
第五步：将十六烷基(2-乙酸基)二甲基氯化铵、带羧基甜菜碱、异氟尔酮二异氰酸酯和丙三醇在室温，pH为5的条件下发生酯化反应3小时，控制十六烷基(2-乙酸基)二甲基氯化铵、带羧基甜菜碱、异氟尔酮二异氰酸酯和丙三醇的摩尔比为1∶1∶1∶2，得到一种甜菜碱型季铵盐抗菌剂。
一种甜菜碱型季铵盐抗菌剂用于织物整理的方法，将棉织物放入整理液中，二浸二轧(甜菜碱型季铵盐抗菌剂浓度10g/L，浴比1∶20，轧余率90％)，于80℃预烘2min，再于160℃焙烘1min。
改变十六烷基二甲基叔胺和3-氯丙烯摩尔比，对甜菜碱改性季铵盐抗菌剂整理的棉织物的抑菌率、防细菌黏附率进行探究，结果见表1：
表1改变十六烷基二甲基叔胺和3-氯丙烯摩尔比，甜菜碱改性季铵盐抗菌剂整理棉织物的抗菌性能
从表1中可以看出，甜菜碱改性季铵盐抗菌剂整理后的织物具有较好的抗菌性、防细菌黏附性。
实施例2：一种甜菜碱型季铵盐抗菌剂制备的方法，如下操作步骤：
第一步：将十六烷基二甲基叔胺溶于50mL乙醇中，60～80℃下剧烈搅拌，1h后在其中滴加3-氯丙烯，控制十六烷基二甲基叔胺和3-氯丙烯的摩尔比为1∶3，搅拌速率为500r/min，反应4h。反应结束后，将反应液冷却，蒸馏去除溶剂，在用石油醚冲洗4次，得到产物十六烷基(3-烯丙基)二甲基氯化铵。
第二步：将十六烷基(3-烯丙基)二甲基氯化铵在pH为9，温度90℃的条件下经高锰酸钾氧化50分钟，，控制十六烷基(3-烯丙基)二甲基氯化铵与高锰酸钾的摩尔比为3∶10，得到十六烷基(2-乙酸基)二甲基氯化铵。
第三步：将1，3-丙烷磺内酯、N，N-二甲基丙烯胺溶解于100mL的四氢呋喃中，控制1，3-丙烷磺内酯与N，N-二甲基丙烯胺的摩尔比为1∶0.5～5，于55℃下进行反应5h，用无水四氢呋喃萃取，于70℃，真空干燥时间8h，得到丙烯-磺丙基甜菜碱。
第四步：将甜菜碱在pH9，温度90℃的条件下经高锰酸钾氧化50分钟，控制甜菜碱与高锰酸钾的摩尔比为3∶10，得到乙酸基-磺丙基甜菜碱。
第五步：将十六烷基(2-乙酸基)二甲基氯化铵、带羧基甜菜碱、异氟尔酮二异氰酸酯和丙三醇在室温，pH为5的条件下发生酯化反应3小时，控制十六烷基(2-乙酸基)二甲基氯化铵、带羧基甜菜碱、异氟尔酮二异氰酸酯和丙三醇的摩尔比为1∶1∶1∶2，得到一种甜菜碱型季铵盐抗菌剂。
一种甜菜碱型季铵盐抗菌剂用于织物整理的方法，将棉织物放入整理液中，二浸二轧(甜菜碱型季铵盐抗菌剂浓度10g/L，浴比1：20，轧余率90％)，于80℃预烘2min，再于160℃焙烘1min。
改变1，3-丙烷磺内酯与N，N-二甲基丙烯胺的摩尔比，对甜菜碱改性季铵盐抗菌剂整理的棉织物的抑菌率、防细菌粘附率进行探究，结果见表2：
表2改变1，3-丙烷磺内酯与N，N-二甲基丙烯胺的摩尔比，甜菜碱改性季铵盐抗菌剂整理棉织物的抗菌性能
从表2中可以看出，甜菜碱改性季铵盐抗菌剂整理后的织物具有较好的抗菌性、防细菌黏附性。
实施例3：一种甜菜碱型季铵盐抗菌剂制备的方法，如下操作步骤：
第一步：将十六烷基二甲基叔胺溶于50mL乙醇中，60～80℃下剧烈搅拌，1h后在其中滴加3-氯丙烯，控制十六烷基二甲基叔胺和3-氯丙烯的摩尔比为1：2，搅拌速率为500r/min，反应4h。反应结束后，将反应液冷却，蒸馏去除溶剂，在用石油醚冲洗4次，得到产物十六烷基(3-烯丙基)二甲基氯化铵。
第二步：将十六烷基(3-烯丙基)二甲基氯化铵在pH为9，温度90℃的条件下经高锰酸钾氧化50分钟，，控制十六烷基(3-烯丙基)二甲基氯化铵与高锰酸钾的摩尔比为3：10，得到十六烷基(2-乙酸基)二甲基氯化铵。
第三步：将1，3-丙烷磺内酯、N，N-二甲基丙烯胺溶解于100mL的四氢呋喃中，控制1，3-丙烷磺内酯与N，N-二甲基丙烯胺的摩尔比为1∶3，于55℃下进行反应5h，用无水四氢呋喃萃取，于70℃，真空干燥时间8h，得到丙烯-磺丙基甜菜碱。
第四步：将甜菜碱在pH9，温度90℃的条件下经高锰酸钾氧化50分钟，控制甜菜碱与高锰酸钾的摩尔比为3：10，得到乙酸基-磺丙基甜菜碱。
第五步：将十六烷基(2-乙酸基)二甲基氯化铵、带羧基甜菜碱、异氟尔酮二异氰酸酯和丙三醇在室温，pH为5的条件下发生酯化反应3小时，控制十六烷基(2-乙酸基)二甲基氯化铵、带羧基甜菜碱、异氟尔酮二异氰酸酯和丙三醇的摩尔比为1∶1∶1∶0.5～5，得到一系列甜菜碱型季铵盐抗菌剂。
一种甜菜碱型季铵盐抗菌剂用于织物整理的方法，将棉织物放入整理液中，二浸二轧(甜菜碱型季铵盐抗菌剂浓度10g/L，浴比1∶20，轧余率90％)，于80℃预烘2min，再于160℃焙烘1min。
改变丙三醇用量，对甜菜碱改性季铵盐抗菌剂整理的棉织物的抑菌率、防细菌粘附率进行探究，结果见表3：
表3改变丙三醇用量，甜菜碱改性季铵盐抗菌剂整理棉织物的抗菌性能
从表3中可以看出，甜菜碱改性季铵盐抗菌剂整理后的织物具有较好的抗菌性、防细菌黏附性。
综上所述，该甜菜碱型季铵盐抗菌剂制备及其用于织物整理的方法，具有工艺简单、稳定性好、抑菌持久性长和抗菌活性高的特点。能有效纺织细菌粘附并且抑制生物膜的形成，提高抗菌剂在织物上的耐久抑菌和抗菌活性。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。