Synthesis of O-quaternary Ammonium Salt-oxidized Chitosan and Its Antibacterial Finishing for Cotton Fabric

doi:10.7503/cjcu20230375

Abstract

Abstract:

By utilizing vanillin to form Schiff bases with the C2 amino group of chitosan in order to protect the amino group， and then grafting 2，3-epoxypropyl trimethylammonium chloride（GTA） quaternary ammonium salt on C6 site in chitosan， O-quaternary ammonium chitosan（O-HACC） was synthesized after removing Schiff-base from the solution of dilute HCl and ethanol. Subsequently partial groups at C2 and C3 positions in O-HACC were selectively oxidized into dialdehyde groups with KIO₄， so the O-quaternary ammonium salt-oxidized chitosan（O-HAOCC） was finally obtained， which possessed the fiber-reactive and dual antibacterial activities， and then grafted with cotton fabric to obtain O-HAOCC modified cotton fabric. The characterizations of Fourier-transform infrared spectroscopy（FTIR）， X-ray diffraction（XRD）， proton nuclear magnetic resonance spectroscopy（¹H NMR）， scanning electron microscopy（SEM） and differential scanning calorimetry（DSC） displayed that， major amino groups were retained while introducing the structure of quaternary ammonium salt and active dialdehyde groups in O-HAOCC molecules， and the crystal morphology was destroyed， as well as thermal stability reduced. Furthermore， the test results showed that the water solubility of O-HAOCC oxidized for 3 h achieved 23.7 g/100 mL， and the 2，2'-azinobis（3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid）diamine salt（ABTS） radical scavenging rate after 40 min was 65.58%. The graft ratio of O-HAOCC modified cotton fabric arrived at 9.84% when the mass fraction of O-HAOCC was 2%， the reaction time was 2 h and the graft temperature was 80 ℃. The antibacterial rate of modified cotton fabrics against Staphylococcus aureus and Escherichia coli was 98.63% and 93.38%， respectively， furthermore the antibacterial rate maintained above 90.75% after 50 times of washing， manifesting extensive application in antibacterial textile and garment， home textile and medical and sanitary products， etc.

Key words: Quaternary ammonium salt chitosan, Vanillin, Selective oxidation, Structure and property, Antibacterial fabric

CLC Number:

O636

TrendMD:

ZHOU Xiaolong, WANG Ruiqi, CHEN Guoli, GUO Wenming, CHEN Fei, ZHOU Yan, SUN Lide, TANG Dabao, XU Yunhui. Synthesis of O-quaternary Ammonium Salt-oxidized Chitosan and Its Antibacterial Finishing for Cotton Fabric[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(3): 20230375.

Figures/Tables 15

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Index	DS of O⁃HACC（%）				Oxidation time of O⁃HAOCC ^a
Index	34.81	58.76	75.72	86.35	1	3	6	8
Water solubility ^b /（g·L^-1）	26	65	142	176	188	237	279	261
10^‒4M_v^c	62.7	56.8	67.2	59.1	38.5	20.3	13.7	10.4

Index	DS of O⁃HACC（%）				Oxidation time of O⁃HAOCC ^a
Index	34.81	58.76	75.72	86.35	1	3	6	8
Water solubility ^b /（g·L^-1）	26	65	142	176	188	237	279	261
10^‒4M_v^c	62.7	56.8	67.2	59.1	38.5	20.3	13.7	10.4

Wearability	Modified cotton fabric with graft ratio of 9.84%	Ref.［19］	Ref.［20］
Improvement effect of breaking strength	12.88%	-2.77%	—
Improvement effect of wrinkle recovery angle	34.66%	31.07%	—
Improvement effect of capillary effect	36.63%	—	—
Antibacterial rate（Antibacterial durability against laundry）	≥93.38%（≥90.76%）	—	—

Wearability	Modified cotton fabric with graft ratio of 9.84%	Ref.［19］	Ref.［20］
Improvement effect of breaking strength	12.88%	-2.77%	—
Improvement effect of wrinkle recovery angle	34.66%	31.07%	—
Improvement effect of capillary effect	36.63%	—	—
Antibacterial rate（Antibacterial durability against laundry）	≥93.38%（≥90.76%）	—	—

	Number of washing time
Sample	0		20		50
	S. aureus	E. coli	S. aureus	E. coli	S. aureus	E. coli
Raw cotton fabric	2.16×10⁶（0）	4.29×10⁶（0）	—	—	—	—
Modified cotton fabric with graft ratio of 4.81%	1.28×10⁵（94.07）	3.32×10⁵（92.26）	1.72×10⁵（92.04）	3.96×10⁵（90.77）	2.07×10⁵（90.42）	4.62×10⁵（89.23）
Modified cotton fabric with graft ratio of 9.84%	2.96×10⁴（98.63）	2.84×10⁵（93.38）	1.06×10⁵（95.09）	3.55×10⁵（91.72）	1.33×10⁵（93.86）	3.96×10⁵（90.76）