Kiitos, että kävit Nature.com-sivustolla. Käyttämäsi selainversio tukee CSS:ää rajoitetusti. Parhaan tuloksen saavuttamiseksi suosittelemme uudemman selainversion käyttöä (tai Internet Explorerin yhteensopivuustilan poistamista käytöstä). Sillä välin näytämme sivuston ilman tyylittelyä tai JavaScriptiä jatkuvan tuen varmistamiseksi.
Nykyään antibakteerisia ominaisuuksia omaavat toiminnalliset kankaat ovat suositumpia. Kestävien ja tasalaatuisten toiminnallisten kankaiden kustannustehokas tuotanto on kuitenkin edelleen haaste. Polyvinyylialkoholia (PVA) käytettiin polypropeeni- (PP) kuitukankaan modifiointiin, ja sitten hopeananopartikkeleita (AgNP) kerrostettiin in situ PVA-modifioidun, AgNP-kuormitetun PP:n (jäljempänä AgNP:t) tuottamiseksi. /PVA/PP) kangas. PP-kuitujen kapselointi PVA-pinnoitteella auttaa parantamaan merkittävästi kuormitettujen Ag-nanopartikkelien tarttumista PP-kuituihin, ja Ag/PVA/PP-kuitukankailla on merkittävästi parantuneet mekaaniset ominaisuudet ja kestävyys Escherichia colia (jäljempänä E. coli) vastaan. Yleisesti ottaen 30 mM hopea-ammoniakkipitoisuudella valmistetulla Ag/PVA/PP-kuitukankaalla on paremmat mekaaniset ominaisuudet, ja antibakteerinen suojausaste E. colia vastaan saavuttaa 99,99 %. Kangas säilyttää erinomaisen antibakteerisen aktiivisuuden 40 pesun jälkeen ja sillä on potentiaalia toistuvaan käyttöön. Lisäksi Ag/PVA/PP-kuitukankaalla on laaja käyttöalue teollisuudessa hyvän ilmanläpäisevyyden ja kosteudenläpäisevyyden ansiosta. Lisäksi olemme kehittäneet rullalta rullalle -teknologian ja tehneet alustavia tutkimuksia menetelmän toteutettavuuden testaamiseksi.
Taloudellisen globalisaation syventyessä laajamittaiset väestönliikkeet ovat lisänneet huomattavasti viruksen leviämismahdollisuuksia, mikä selittää hyvin, miksi uudella koronaviruksella on niin voimakas kyky levitä ympäri maailmaa ja miksi sitä on vaikea estää1,2,3. Tässä mielessä on kiireellisesti kehitettävä uusia antibakteerisia materiaaleja, kuten polypropeenista (PP) valmistettuja kuitukankaita, lääketieteellisiksi suojamateriaaleiksi. Polypropeenista valmistetulla kuitukankaalla on etuna alhainen tiheys, kemiallinen inerttiys ja alhaiset kustannukset4, mutta sillä ei ole antibakteerista kykyä, lyhyt käyttöikä ja alhainen suojaustehokkuus. Siksi on erittäin tärkeää antaa PP-kuitukankaille antibakteerisia ominaisuuksia.
Muinaisena antibakteerisena aineena hopea on käynyt läpi viisi kehitysvaihetta: kolloidinen hopealiuos, hopeasulfadiatsiini, hopeasuola, proteiinihopea ja nanohopea. Hopeananopartikkeleita käytetään yhä enemmän esimerkiksi lääketieteessä5,6, johtavuudessa7,8,9, pinta-aktiivisessa Raman-sironnassa10,11,12, väriaineiden katalyyttisessä hajoamisessa13,14,15,16 jne. Erityisesti hopeananopartikkeleilla (AgNP) on etuja perinteisiin antimikrobisiin aineisiin, kuten metallisuoloihin, kvaternaarisiin ammoniumyhdisteisiin ja triklosaaniin, verrattuna niiden vaadittavan bakteerienkestävyyden, stabiilisuuden, alhaisten kustannusten ja ympäristöystävällisyyden ansiosta17,18,19. Lisäksi suuren ominaispinta-alan ja korkean antibakteerisen aktiivisuuden omaavia hopeananopartikkeleita voidaan kiinnittää villakankaisiin20, puuvillakankaisiin21,22, polyesterikankaisiin ja muihin kankaisiin antibakteeristen hopeapartikkelien kontrolloidun ja pitkäkestoisen vapautumisen saavuttamiseksi23,24. Tämä tarkoittaa, että kapseloimalla AgNP:itä on mahdollista luoda PP-kankaita, joilla on antibakteerista aktiivisuutta. PP-kuitukankaista kuitenkin puuttuu funktionaalisia ryhmiä ja niillä on alhainen polaarisuus, mikä ei edistä AgNP:iden kapselointia. Tämän haitan voittamiseksi jotkut tutkijat ovat yrittäneet kerrostaa Ag-nanopartikkeleita PP-kankaiden pinnalle käyttämällä erilaisia modifiointimenetelmiä, kuten plasmaruiskutusta26,27, säteilyoksastusta28,29,30,31 ja pintakäsittelyä32. Esimerkiksi Goli ym. [33] esittelivät proteiinipinnoitteen PP-kuitukankaan pinnalle. Proteiinikerroksen reunalla olevat aminohapot voivat toimia AgNP:iden sitoutumisen ankkuripisteinä, jolloin saavutetaan hyvät antibakteeriset ominaisuudet. Li ja työtoverit34 havaitsivat, että ultravioletti (UV) -etsauksella yhdessä oksastettu N-isopropyyliakryyliamidi ja N-(3-aminopropyyli)metakryyliamidihydrokloridi osoittivat voimakasta antimikrobista aktiivisuutta, vaikka UV-etsausprosessi on monimutkainen ja voi heikentää kuitujen mekaanisia ominaisuuksia. Oliani ym. valmistivat Ag NPs-PP-geelikalvoja, joilla oli erinomainen antibakteerinen aktiivisuus, esikäsittelemällä puhdasta PP:tä gammasäteilytyksellä; heidän menetelmänsä oli kuitenkin myös monimutkainen. Siksi on edelleen haasteena tuottaa tehokkaasti ja helposti kierrätettäviä polypropeenikuitukankaita, joilla on haluttu antimikrobinen aktiivisuus.
Tässä tutkimuksessa polyvinyylialkoholia, ympäristöystävällistä ja edullista kalvomateriaalia, jolla on hyvä kalvonmuodostuskyky, korkea hydrofiilisyys ja erinomainen fysikaalinen ja kemiallinen stabiilius, käytetään polypropeenikankaiden modifiointiin. Glukoosia käytetään pelkistävänä aineena36. Modifioidun PP:n pintaenergian kasvu edistää AgNP:iden selektiivistä laskeutumista. Puhtaaseen PP-kankaaseen verrattuna valmistettu Ag/PVA/PP-kangas osoitti hyvää kierrätettävyyttä, erinomaista antibakteerista aktiivisuutta E. colia vastaan, hyviä mekaanisia ominaisuuksia jopa 40 pesukerran jälkeen sekä merkittävää hengittävyyttä, sukupuolten välistä kykyä ja kosteuden läpäisevyyttä.
Jiyuan Kang'an Sanitary Materials Co., Ltd. (Jiyuan, Kiina) toimitti 25 g/m2:n ominaispainoltaan ja 0,18 mm:n paksuisen PP-kuitukangasmateriaalin, joka leikattiin 5 × 5 cm2:n kokoisiksi arkeiksi. Hopeanitraattia (99,8 %; AR) ostettiin Xilong Scientific Co., Ltd.:ltä (Shantou, Kiina). Glukoosia ostettiin Fuzhou Neptune Fuyao Pharmaceutical Co., Ltd.:ltä (Fuzhou, Kiina). Polyvinyylialkoholia (teollisuuslaatuinen reagenssi) ostettiin Tianjin Sitong Chemical Factorylta (Tianjin, Kiina). Liuottimena tai huuhteluaineena käytettiin deionisoitua vettä, joka valmistettiin laboratoriossamme. Ravintoagar ja -liemi ostettiin Beijing Aoboxing Biotechnology Co., Ltd.:ltä (Peking, Kiina). E. coli -kanta (ATCC 25922) ostettiin Zhangzhou Bochuang Companylta (Zhangzhou, Kiina).
Tuloksena olevaa PP-kudosta pestiin ultraäänellä etanolissa 15 minuutin ajan. Tuloksena oleva PVA lisättiin veteen ja kuumennettiin 95 °C:ssa 2 tuntia vesiliuoksen saamiseksi. Sitten glukoosi liuotettiin 10 ml:aan PVA-liuosta, jonka massaosuudet olivat 0,1 %, 0,5 %, 1,0 % ja 1,5 %. Puhdistettu polypropeenista valmistettu kuitukangas upotettiin PVA/glukoosiliuokseen ja kuumennettiin 60 °C:ssa 1 tunnin ajan. Kuumennuksen päätyttyä PP-kyllästetty kuitukangas poistetaan PVA/glukoosiliuoksesta ja kuivataan 60 °C:ssa 0,5 tuntia, jolloin rainan pinnalle muodostuu PVA-kalvo, jolloin saadaan PVA/PP-komposiittitekstiili.
Hopeanitraattia liuotetaan 10 ml:aan vettä jatkuvasti sekoittaen huoneenlämmössä ja ammoniakkia lisätään tipoittain, kunnes liuos muuttuu kirkkaasta ruskeaksi ja jälleen kirkkaaksi, jolloin saadaan hopea-ammoniakkiliuosta (5–90 mM). Aseta PVA/PP-kuitukangas hopea-ammoniakkiliuokseen ja kuumenna sitä 60 °C:ssa 1 tunnin ajan, jotta Ag-nanopartikkeleita muodostuu in situ kankaan pinnalle. Huuhtele sitten vedellä kolme kertaa ja kuivaa 60 °C:ssa 0,5 tuntia, jolloin saadaan Ag/PVA/PP-komposiittikangas.
Alustavien kokeiden jälkeen rakensimme laboratorioon rullalta rullalle -laitteiston komposiittikankaiden laajamittaista tuotantoa varten. Telat on valmistettu PTFE:stä haitallisten reaktioiden ja kontaminaation välttämiseksi. Tämän prosessin aikana kyllästysaikaa ja adsorboituneen liuoksen määrää voidaan säätää säätämällä telojen nopeutta ja telojen välistä etäisyyttä halutun Ag/PVA/PP-komposiittikangasmateriaalin saamiseksi.
Kudoksen pinnan morfologiaa tutkittiin VEGA3-skannauselektronimikroskoopilla (SEM; Japan Electronics, Japani) 5 kV:n kiihtyvällä jännitteellä. Hopeananopartikkelien kiderakenne analysoitiin röntgendiffraktiolla (XRD; Bruker, D8 Advanced, Saksa; Cu Kα-säteily, λ = 0,15418 nm; jännite: 40 kV, virta: 40 mA) alueella 10–80°. 2θ. Pintamodifioidun polypropeenikankaan kemiallisten ominaisuuksien analysointiin käytettiin Fourier-muunnosinfrapunaspektrometriä (ATR-FTIR; Nicolet 170sx, Thermo Fisher Scientific Incorporation). Ag/PVA/PP-komposiittikankaiden PVA-modifiointiaineen pitoisuus mitattiin termogravimetrisellä analyysillä (TGA; Mettler Toledo, Sveitsi) typpivirran alla. Induktiivisesti kytkettyä plasmamassaspektrometriaa (ICP-MS, ELAN DRC II, Perkin-Elmer (Hong Kong) Co., Ltd.) käytettiin Ag/PVA/PP-komposiittikankaiden hopeapitoisuuden määrittämiseen.
Ag/PVA/PP-komposiittikankaan (spesifikaatio: 78 × 50 cm2) ilmanläpäisevyys ja vesihöyryn läpäisykyky mitattiin kolmannen osapuolen testauslaitoksen (Tianfangbiao Standardization Certification and Testing Co., Ltd.) toimesta GB/T. 5453-1997 ja GB/T 12704.2-2009 -standardien mukaisesti. Jokaisesta näytteestä valitaan kymmenen eri pistettä testausta varten, ja laitoksen toimittamat tiedot ovat kymmenen pisteen keskiarvo.
Ag/PVA/PP-komposiittikankaan antibakteerista aktiivisuutta mitattiin kiinalaisten standardien GB/T 20944.1-2007 ja GB/T 20944.3- mukaisesti käyttäen agarlevydiffuusiomenetelmää (kvalitatiivinen analyysi) ja ravistuspullomenetelmää (kvantitatiivinen analyysi) vuonna 2008. Ag/PVA/PP-komposiittikankaan antibakteerista aktiivisuutta Escherichia colia vastaan määritettiin eri pesuajoilla. Agarlevydiffuusiomenetelmässä testattava Ag/PVA/PP-komposiittikangas lävistetään kiekoksi (halkaisija: 8 mm) lävistimellä ja kiinnitetään agarpetrimaljaan, johon on inokuloitu Escherichia coli (ATCC 25922). ; 3,4 × 108 CFU ml-1), ja inkuboidaan sitten 37 °C:ssa ja 56 %:n suhteellisessa kosteudessa noin 24 tuntia. Estovyöhyke analysoitiin pystysuunnassa kiekon keskeltä ympäröivien pesäkkeiden sisäkehään. Ravistuspullomenetelmällä testatusta Ag/PVA/PP-komposiittikankaasta valmistettiin 2 × 2 cm2:n kokoinen tasainen levy, jota autoklavoitiin liemiympäristössä 121 °C:ssa ja 0,1 MPa:n paineessa 30 minuuttia. Autoklaavin jälkeen näyte upotettiin 5 ml:n Erlenmeyer-pulloon, joka sisälsi 70 ml liemiviljelyliuosta (suspension pitoisuus 1 × 105–4 × 105 CFU/ml), ja inkuboitiin sitten 150 °C:n kierrosnopeudella 25 °C:ssa 18 tuntia. Ravistamisen jälkeen kerättiin tietty määrä bakteerisuspensiota ja laimennettiin se kymmenkertaisesti. Tarvittava määrä laimennettua bakteerisuspensiota kerättiin, levitettiin se agar-agarille ja viljeltiin 37 °C:ssa ja 56 %:n suhteellisessa kosteudessa 24 tuntia. Antibakteerisen tehon laskemiseen käytetään seuraavaa kaavaa: \(\frac{\mathrm{C}-\mathrm{A}}{\mathrm{C}}\cdot 100\%\), jossa C ja A ovat pesäkkeiden lukumäärä 24 tunnin kuluttua. Viljelty kontrolliryhmässä ja Ag/PVA/PP-komposiittikudoksessa.
Ag/PVA/PP-komposiittikankaiden kestävyys arvioitiin pesemällä standardin ISO 105-C10:2006.1A mukaisesti. Pesun aikana upotetaan testattava Ag/PVA/PP-komposiittikangas (30x40mm2) vesiliuokseen, joka sisältää kaupallista pesuainetta (5,0 g/l), ja pestään nopeudella 40±2 rpm ja 40±5 rpm/min suurella nopeudella. °C:ssa 10, 20, 30, 40 ja 50 pesukertaa. Pesun jälkeen kangas huuhdellaan kolme kertaa vedellä ja kuivataan 50–60 °C:n lämpötilassa 30 minuuttia. Hopeapitoisuuden muutos pesun jälkeen mitattiin antibakteerisen aktiivisuuden asteen määrittämiseksi.
Kuva 1 esittää kaaviokuvan Ag/PVA/PP-komposiittikankaan valmistuksesta. Toisin sanoen PP-kuitukangas upotetaan PVA:n ja glukoosin seokseen. PP-kyllästetty kuitukangas kuivataan modifiointiaineen ja pelkistimen kiinnittämiseksi ja tiivistyskerroksen muodostamiseksi. Kuivattu polypropeenista valmistettu kuitukangas upotetaan hopea-ammoniakkiliuokseen hopeananopartikkelien kerrostamiseksi in situ. Modifiointiaineen pitoisuus, glukoosin ja hopea-ammoniakin moolisuhde, hopea-ammoniakin pitoisuus ja reaktiolämpötila vaikuttavat Ag-nanopartikkelien saostumiseen. Kuva 2a esittää Ag/PVA/PP-kankaan veden kosketuskulman riippuvuuden modifiointiaineen pitoisuudesta. Kun modifiointiaineen pitoisuus kasvaa 0,5 painoprosentista 1,0 painoprosenttiin, Ag/PVA/PP-kankaan kosketuskulma pienenee merkittävästi; kun modifiointiaineen pitoisuus kasvaa 1,0 painoprosentista 2,0 painoprosenttiin, se ei käytännössä muutu. Kuva 2 b esittää SEM-kuvia puhtaista PP-kuiduista ja Ag/PVA/PP-kankaista, jotka on valmistettu 50 mM hopea-ammoniakkipitoisuudella ja eri glukoosin ja hopea-ammoniakin moolisuhteilla (1:1, 3:1, 5:1 ja 9:1). . kuva. ). Tuloksena oleva PP-kuitu on suhteellisen sileä. PVA-kalvolla kapseloinnin jälkeen jotkut kuidut ovat liimautuneet yhteen; Hopeananopartikkelien kerrostumisen vuoksi kuiduista tulee suhteellisen karkeita. Kun pelkistävän aineen ja glukoosin moolisuhde kasvaa, kerrostunut Ag NP -kerros paksuuntuu vähitellen, ja kun moolisuhde kasvaa arvoon 5:1 ja 9:1, Ag NP -partikkelit pyrkivät muodostamaan aggregaatteja. PP-kuidun makroskooppiset ja mikroskooppiset kuvat muuttuvat tasaisemmiksi, erityisesti kun pelkistävän aineen ja glukoosin moolisuhde on 5:1. Digitaaliset valokuvat vastaavista näytteistä, jotka on saatu 50 mM hopea-ammoniakkipitoisuudella, on esitetty kuvassa S1.
Ag/PVA/PP-kankaan vesikosketuskulman muutokset eri PVA-pitoisuuksilla (a), Ag/PVA/PP-kankaan SEM-kuvat, jotka on saatu 50 mM:n hopea-ammoniakkipitoisuudella ja erilaisilla glukoosin ja hopea-ammoniakin moolisuhteilla [(b))); (1) PP-kuitu, (2) PVA/PP-kuitu, (3) moolisuhde 1:1, (4) moolisuhde 3:1, (5) moolisuhde 5:1, (6) moolisuhde 9:1], röntgendiffraktiokuvio (c) ja SEM-kuva (d) Ag/PVA/PP-kankaasta, jotka on saatu hopea-ammoniakkipitoisuuksilla: (1) 5 mM, (2) 10 mM, (3) 30 mM, (4) 50 mM, (5) 90 mM ja (6) Ag/PP - 30 mM. Reaktiolämpötila on 60 °C.
Kuvassa 2c on esitetty tuloksena olevan Ag/PVA/PP-kankaan röntgendiffraktiokuvio. PP-kuidun 37 diffraktiohuipun lisäksi neljä diffraktiohuippua kohdissa 2θ = ∼ 37,8°, 44,2°, 64,1° ja 77,3° vastaavat kuutiollisten, pintakeskeisten hopeananopartikkelien (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0) ja kidetasoa (3 1 1). Kun hopea-ammoniakkipitoisuus kasvaa 5:stä 90 mM:iin, Ag:n röntgendiffraktiokuviot terävöityvät, mikä on yhdenmukaista kiteisyyden lisääntymisen kanssa. Scherrerin kaavan mukaan 10 mM, 30 mM ja 50 mM hopea-ammoniakilla valmistettujen Ag-nanopartikkelien raekokoiksi laskettiin vastaavasti 21,3 nm, 23,3 nm ja 26,5 nm. Tämä johtuu siitä, että hopea-ammoniakkipitoisuus on metallisen hopean muodostumiseen johtavan pelkistysreaktion liikkeellepaneva voima. Hopea-ammoniakkipitoisuuden kasvaessa Ag-nanopartikkelien ydintymis- ja kasvunopeus kasvaa. Kuva 2d esittää Ag/PVA/PP-kankaiden SEM-kuvia, jotka on saatu eri Ag-ammoniakkipitoisuuksilla. Hopea-ammoniakkipitoisuudella 30 mM Ag-nanopartikkelien kerrostunut kerros on suhteellisen homogeeninen. Kuitenkin, kun hopea-ammoniakkipitoisuus on liian korkea, Ag-nanopartikkelien kerrostumiskerroksen tasaisuus pyrkii heikkenemään, mikä voi johtua voimakkaasta agglomeraatiosta Ag-nanopartikkelien kerrostumiskerroksessa. Lisäksi pinnalla olevilla hopea-nanopartikkeleilla on kaksi muotoa: pallomainen ja hilseilevä. Pallomaisten hiukkasten koko on noin 20–80 nm ja lamellihiukkasten sivuttaiskoko noin 100–300 nm (kuva S2). Ag-nanopartikkelien kerrostumiskerros muokkaamattoman PP-kankaan pinnalla on epätasainen. Lisäksi lämpötilan nostaminen edistää Ag-nanopartikkelien pelkistymistä (kuva S3), mutta liian korkea reaktiolämpötila ei edistä Ag-nanopartikkelien selektiivistä saostumista.
Kuvio 3a esittää kaaviomaisesti hopea-ammoniakkipitoisuuden, kerrostuneen hopean määrän ja valmistetun Ag/PVA/PP-kankaan antibakteerisen aktiivisuuden välisen suhteen. Kuvio 3b esittää näytteiden antibakteerisia kuvioita eri hopea-ammoniakkipitoisuuksilla, mikä voi suoraan heijastaa näytteiden antibakteerista tilaa. Kun hopea-ammoniakkipitoisuus nousi 5 mM:sta 90 mM:iin, hopeasaostuman määrä nousi 13,67 g/kg:sta 481,81 g/kg:iin. Lisäksi hopeasaostuman määrän kasvaessa antibakteerinen aktiivisuus E. colia vastaan aluksi kasvaa ja pysyy sitten korkealla tasolla. Tarkemmin sanottuna, kun hopea-ammoniakkipitoisuus on 30 mM, hopean kerrostumismäärä tuloksena olevassa Ag/PVA/PP-kankaassa on 67,62 g/kg ja antibakteerinen aste on 99,99 %. Tämä näyte valitaan edustavaksi näytteeksi myöhempää rakenteellista karakterisointia varten.
(a) Antibakteerisen aktiivisuuden tason ja levitetyn Ag-kerroksen määrän sekä hopea-ammoniakin pitoisuuden välinen suhde; (b) Digitaalikameralla otetut valokuvat bakteeriviljelylevyistä, joissa näkyy tyhjiä näytteitä ja näytteitä, jotka on valmistettu käyttämällä 5 mM, 10 mM, 30 mM, 50 mM ja 90 mM hopea-ammoniakkia. Ag/PVA/PP-kankaan antibakteerinen aktiivisuus Escherichia colia vastaan
Kuva 4a esittää PP-, PVA/PP-, Ag/PP- ja Ag/PVA/PP-kuitujen FTIR/ATR-spektrit. Puhtaan PP-kuidun absorptiovyöhykkeet aaltoluvuilla 2950 cm⁻¹ ja 2916 cm⁻¹ johtuvat –CH3- ja –CH2-ryhmien epäsymmetrisestä venytysvärähtelystä, ja aaltoluvuilla 2867 cm⁻¹ ja 2837 cm⁻¹ ne johtuvat –CH3- ja –CH2-ryhmien –, –CH3- ja –CH2– symmetrisestä venytysvärähtelystä. Absorptiovyöhykkeet aaltoluvuilla 1375 cm⁻¹ ja 1456 cm⁻¹ johtuvat –CH338.39:n epäsymmetrisistä ja symmetrisistä siirtymävärähtelyistä. Ag/PP-kuidun FTIR-spektri on samanlainen kuin PP-kuidun. PP:n absorptiovyöhykkeen lisäksi PVA/PP- ja Ag/PVA/PP-kankaiden uusi absorptiopiikki aaltoluvulla 3360 cm⁻¹ johtuu –OH-ryhmän vetysidoksen venymisestä. Tämä osoittaa, että PVA:ta on onnistuttu levittämään polypropeenikuidun pinnalle. Lisäksi Ag/PVA/PP-kankaan hydroksyyliabsorptiopiikki on hieman heikompi kuin PVA/PP-kankaan, mikä voi johtua joidenkin hydroksyyliryhmien koordinaatiosta hopean kanssa.
Puhtaan PP:n, PVA/PP-kankaan ja Ag/PVA/PP-kankaan FT-IR-spektri (a), TGA-käyrä (b) ja XPS-mittausspektri (c) sekä puhtaan PP:n (d), PVA/PP/PP-kankaan (e) C1s-spektri ja Ag/PVA/PP-kankaan Ag 3d -piikki (f).
Kuvassa 4c on PP-, PVA/PP- ja Ag/PVA/PP-kankaiden XPS-spektrit. Puhtaan polypropeenikuidun heikko O 1s -signaali voidaan katsoa johtuvan pinnalle adsorboituneesta happielementistä; C 1s -huippu 284,6 eV:ssa johtuu CH:sta ja CC:stä (katso kuva 4d). Puhtaaseen PP-kuituun verrattuna PVA/PP-kangas (kuva 4e) osoittaa korkeaa suorituskykyä jännitteillä 284,6 eV (C–C/C–H), 285,6 eV (C–O–H), 284,6 eV (C–C/C–H), 285,6 eV (C–O–H) ja 288,5 eV (H–C=O)38. Lisäksi PVA/PP-kankaan O 1s -spektriä voidaan approksimoida kahdella piikillä 532,3 eV:n ja 533,2 eV:n kohdalla41 (kuva S4). Nämä C 1s -piikit vastaavat C–OH:ta ja H–C=O:ta (PVA:n hydroksyyliryhmät ja aldehydiglukoosiryhmä), mikä on yhdenmukaista FTIR-tietojen kanssa. Ag/PVA/PP-kuitukangas säilyttää C-OH:n (532,3 eV) ja HC=O:n (533,2 eV) O 1s -spektrin (kuva S5), joka koostuu 65,81 %:sta (atomiprosenttia) C:tä, 22,89 %:sta O:ta ja 11,31 %:sta Ag:tä (kuva S4). Erityisesti Ag 3d5/2:n ja Ag 3d3/2:n piikit 368,2 eV:n ja 374,2 eV:n kohdalla (kuva 4f) todistavat edelleen, että Ag-nanopartikkeleita on seostettu PVA/PP42-kuitukankaan pinnalle.
Puhtaan PP:n, Ag/PP-kankaan ja Ag/PVA/PP-kankaan TGA-käyrät (kuva 4b) osoittavat, että ne käyvät läpi samanlaisia lämpöhajoamisprosesseja, ja Ag-nanopartikkelien laskeutuminen johtaa PP-kuitujen PVA/PP-kuitujen lämpöhajoamislämpötilan lievään nousuun (480 °C:sta (PP-kuidut) 495 °C:seen), mahdollisesti Ag-esteen muodostumisen vuoksi43. Samaan aikaan puhtaiden PP-, Ag/PP-, Ag/PVA/PP-, Ag/PVA/PP-W50- ja Ag/PP-W50-näytteiden jäännösmäärät 800 °C:ssa kuumentamisen jälkeen olivat 1,32 %, 16,26 % ja 13,86 %, vastaavasti 9,88 % ja 2,12 % (pääte W50 viittaa tässä 50 pesukertaan). Loput puhtaasta PP:stä johtuvat epäpuhtauksista ja loput jäljellä olevista näytteistä Ag-nanopartikkeleista, ja hopealla kuormitettujen näytteiden jäännösmäärän eron pitäisi johtua niihin kuormitettujen hopeananopartikkelien eri määristä. Lisäksi Ag/PP-kankaan 50 pesukerran jälkeen jäännöshopeapitoisuus laski 94,65 % ja Ag/PVA/PP-kankaan jäännöshopeapitoisuus laski noin 31,74 %. Tämä osoittaa, että PVA-kapselointipinnoite voi tehokkaasti parantaa AgNP-partikkelien tarttumista PP-matriisiin.
Käyttömukavuuden arvioimiseksi mitattiin valmistetun polypropeenikankaan ilmanläpäisevyys ja vesihöyryn läpäisynopeus. Yleisesti ottaen hengittävyys liittyy käyttäjän lämpömukavuuteen, erityisesti kuumissa ja kosteissa ympäristöissä44. Kuten kuvassa 5a on esitetty, puhtaan PP:n ilmanläpäisevyys on 2050 mm/s, ja PVA:n modifioinnin jälkeen se laskee 856 mm/s:iin. Tämä johtuu siitä, että PP-kuidun ja kudotun osan pinnalle muodostuva PVA-kalvo auttaa pienentämään kuitujen välisiä rakoja. Ag NP:iden levittämisen jälkeen PP-kankaan ilmanläpäisevyys kasvaa PVA-pinnoitteen kulutuksen vuoksi Ag NP:itä levitettäessä. Lisäksi Ag/PVA/PP-kankaiden hengittävyys pyrkii laskemaan, kun hopea-ammoniakkipitoisuus kasvaa 10 mmol:sta 50 mmol:iin. Tämä voi johtua siitä, että hopeakerrostuman paksuus kasvaa hopea-ammoniakkipitoisuuden kasvaessa, mikä auttaa vähentämään huokosten määrää ja vesihöyryn kulkeutumisen todennäköisyyttä niiden läpi.
(a) Eri hopea-ammoniakkipitoisuuksilla valmistettujen Ag/PVA/PP-kankaiden ilmanläpäisevyys; (b) Eri hopea-ammoniakkipitoisuuksilla valmistettujen Ag/PVA/PP-kankaiden vesihöyryn läpäisykyky; (c) Eri modifioijat Eri pitoisuuksilla saadun Ag/PVA/PP-kankaan vetolujuuskäyrä; (d) Eri hopea-ammoniakkipitoisuuksilla saadun Ag/PVA/PP-kankaan vetolujuuskäyrä (30 mM hopea-ammoniakkipitoisuudella saatu Ag/PVA/PP-kangas on myös esitetty) (Vertaa PP-kankaiden vetolujuuskäyriä 40 pesukerran jälkeen).
Vesihöyryn läpäisynopeus on toinen tärkeä kankaan lämpömukavuuden indikaattori45. On käynyt ilmi, että kankaiden kosteudenläpäisevyyteen vaikuttavat pääasiassa hengittävyys ja pintaominaisuudet. Toisin sanoen ilmanläpäisevyys riippuu pääasiassa huokosten lukumäärästä; pintaominaisuudet vaikuttavat hydrofiilisten ryhmien kosteudenläpäisevyyteen vesimolekyylien adsorptio-diffuusio-desorptioreaktion kautta. Kuten kuvassa 5b on esitetty, puhtaan PP-kuidun kosteudenläpäisevyys on 4810 g/(m2·24h). PVA-pinnoitteella tiivistämisen jälkeen PP-kuidun reikien määrä vähenee, mutta PVA/PP-kankaan kosteudenläpäisevyys nousee 5070 g/(m2·24h) arvoon, koska sen kosteudenläpäisevyys määräytyy pääasiassa pintaominaisuuksien, ei huokosten, perusteella. AgNP-pinnoitteiden kerrostamisen jälkeen Ag/PVA/PP-kankaan kosteudenläpäisevyys kasvoi edelleen. Erityisesti Ag/PVA/PP-kankaan suurin kosteudenläpäisevyys, joka saatiin 30 mM:n hopea-ammoniakkipitoisuudella, oli 10300 g/(m2·24h). Samaan aikaan eri hopea-ammoniakkipitoisuuksilla saatujen Ag/PVA/PP-kankaiden erilainen kosteudenläpäisevyys voi liittyä hopeakerrostuman paksuuden ja sen huokosten lukumäärän eroihin.
Kankaiden mekaaniset ominaisuudet vaikuttavat merkittävästi niiden käyttöikään, erityisesti kierrätettävinä materiaaleina46. Kuva 5c esittää Ag/PVA/PP-kankaan vetolujuuskäyrää. Puhtaan PP:n vetolujuus on vain 2,23 MPa, kun taas 1 painoprosentin PVA/PP-kankaan vetolujuus kasvaa merkittävästi 4,56 MPa:han, mikä osoittaa, että PVA/PP-kankaan kapselointi auttaa parantamaan merkittävästi sen mekaanisia ominaisuuksia. PVA/PP-kankaan vetolujuus ja murtovenymä kasvavat PVA-modifiointiaineen pitoisuuden kasvaessa, koska PVA-kalvo voi rikkoa jännityksen ja vahvistaa PP-kuitua. Kun modifiointiaineen pitoisuus kuitenkin nousee 1,5 painoprosenttiin, tahmea PVA tekee polypropeenikankaasta jäykän, mikä vaikuttaa merkittävästi käyttömukavuuteen.
Verrattuna puhtaaseen PP- ja PVA/PP-kankaisiin, Ag/PVA/PP-kankaiden vetolujuus ja murtovenymä paranevat entisestään, koska PP-kuitujen pinnalle tasaisesti jakautuneet Ag-nanopartikkelit voivat jakaa kuorman47,48. Voidaan nähdä, että Ag/PP-kuidun vetolujuus on korkeampi kuin puhtaan PP:n, saavuttaen 3,36 MPa:n (kuva 5d), mikä vahvistaa Ag-nanopartikkelien voimakkaan ja vahvistavan vaikutuksen. Erityisesti 30 mM:n hopea-ammoniakkipitoisuudella (50 mM:n sijaan) tuotettu Ag/PVA/PP-kangas osoittaa maksimaalista vetolujuutta ja murtovenymää, mikä johtuu edelleen Ag-nanopartikkelien tasaisesta laskeutumisesta sekä tasaisesta laskeutumisesta. Hopea-nanopartikkelien aggregaatio korkean hopea-ammoniakkipitoisuuden olosuhteissa. Lisäksi 40 pesukerran jälkeen 30 mM hopea-ammoniakkipitoisuudella valmistetun Ag/PVA/PP-kankaan vetolujuus ja murtovenymä laskivat vastaavasti 32,7 % ja 26,8 % (kuva 5d), mikä voi liittyä tämän jälkeen kerrostuneiden hopeananopartikkelien pieneen menetykseen.
Kuviot 6a ja b esittävät digitaalikameralla otettuja valokuvia Ag/PVA/PP-kankaasta ja Ag/PP-kankaasta 0, 10, 20, 30, 40 ja 50 pesukerran jälkeen 30 mM hopea-ammoniakkipitoisuudella. Tummanharmaa Ag/PVA/PP-kangas ja Ag/PP-kangas muuttuvat vähitellen vaaleanharmaiksi pesun jälkeen; ja ensimmäisen värinmuutos pesun aikana ei näytä olevan yhtä merkittävä kuin toisen. Lisäksi Ag/PVA/PP-kankaan hopeapitoisuus laski suhteellisen hitaasti pesun jälkeen Ag/PP-kankaaseen verrattuna; 20 tai useamman pesukerran jälkeen edellisessä säilyi korkeampi hopeapitoisuus kuin jälkimmäisessä (kuva 6c). Tämä osoittaa, että PP-kuitujen kapselointi PVA-pinnoitteella voi parantaa merkittävästi Ag-nanopartikkelien tarttumista PP-kuituihin. Kuvio 6d esittää Ag/PVA/PP-kankaan ja Ag/PP-kankaan SEM-kuvia 10, 40 ja 50 pesukerran jälkeen. Ag/PVA/PP-kankaista häviää pesun aikana vähemmän Ag-nanopartikkeleita kuin Ag/PP-kankaista, jälleen siksi, että PVA-kapseloiva pinnoite auttaa parantamaan Ag-nanopartikkelien tarttumista PP-kuituihin.
(a) Digitaalikameralla otetut valokuvat Ag/PP-kankaasta (otettu 30 mM hopea-ammoniakkipitoisuudella) 0, 10, 20, 30, 40 ja 50 pesukerran jälkeen (1-6); (b) Ag/PVA/PP-kankaista digitaalikameralla otetut valokuvat (otettu 30 mM hopea-ammoniakkipitoisuudella) 0, 10, 20, 30, 40 ja 50 pesukerran jälkeen (1-6); (c) Kahden kankaan hopeapitoisuuden muutokset pesukertojen välillä; (d) Ag/PVA/PP-kankaan (1-3) ja Ag/PP-kankaan (4-6) SEM-kuvat 10, 40 ja 50 pesukerran jälkeen.
Kuva 7 esittää Ag/PVA/PP-kankaiden antibakteerista aktiivisuutta ja digitaalikamerakuvia E. colia vastaan 10, 20, 30 ja 40 pesukerran jälkeen. 10 ja 20 pesun jälkeen Ag/PVA/PP-kankaiden antibakteerinen suorituskyky pysyi 99,99 %:ssa ja 99,93 %:ssa, mikä osoittaa erinomaista antibakteerista aktiivisuutta. Ag/PVA/PP-kankaan antibakteerinen taso laski hieman 30 ja 40 pesukerran jälkeen, mikä johtui AgNP-hiukkasten häviämisestä pitkäaikaisen pesun jälkeen. Ag/PP-kankaan antibakteerinen nopeus 40 pesun jälkeen on kuitenkin vain 80,16 %. On selvää, että Ag/PP-kankaan antibakteerinen vaikutus 40 pesukerran jälkeen on paljon pienempi kuin Ag/PVA/PP-kankaan.
(a) E. coli -bakteeria vastaan suojaavan antibakteerisen aktiivisuuden taso. (b) Vertailun vuoksi on esitetty myös valokuvia Ag/PVA/PP-kankaasta, jotka on otettu digitaalikameralla sen jälkeen, kun Ag/PP-kangas on pesty 30 mM:n hopea-ammoniakkipitoisuudella 10, 20, 30, 40 ja 40 pesusyklin ajan.
Kuvassa 8 on kaaviomaisesti esitetty laajamittaisen Ag/PVA/PP-kankaan valmistus kaksivaiheisella rullalta-rullalle-reitillä. Toisin sanoen PVA/glukoosiliuosta liotettiin telakehikossa tietyn ajan, otettiin sitten pois ja kyllästettiin hopea-ammoniakkiliuoksella samalla tavalla Ag/PVA/PP-kankaan saamiseksi. (Kuva 8a). Tuloksena oleva Ag/PVA/PP-kangas säilyttää erinomaisen antibakteerisen aktiivisuuden, vaikka sitä olisi säilytetty vuoden. Ag/PVA/PP-kankaiden laajamittaista valmistusta varten tuloksena olevat PP-kuitukankaat kyllästettiin jatkuvatoimisella telaprosessilla ja johdettiin sitten peräkkäin PVA/glukoosiliuoksen ja hopea-ammoniakkiliuoksen läpi ja käsiteltiin kahdella menetelmällä. Liitteenä olevat videot. Kyllästysaikaa säädetään säätämällä telan nopeutta ja adsorboituneen liuoksen määrää säädetään säätämällä telojen välistä etäisyyttä (kuva 8b), jolloin saadaan haluttu suurikokoinen (50 cm × 80 cm) Ag/PVA/PP-kuitukangas ja keräystela. Koko prosessi on yksinkertainen ja tehokas, mikä edistää laajamittaista tuotantoa.
Kaaviokuva suurikokoisten kohdetuotteiden valmistuksesta (a) ja kaaviokuva Ag/PVA/PP-kuitukangasmateriaalien valssiprosessista (b).
Hopeaa sisältävät PVA/PP-kuitukankaat valmistetaan käyttämällä yksinkertaista in situ -nestefaasipinnoitustekniikkaa yhdistettynä rullalta-rullalle -menetelmään. Verrattuna PP-kankaaseen ja PVA/PP-kankaaseen, valmistetun Ag/PVA/PP-kuitukankaan mekaaniset ominaisuudet paranevat merkittävästi, koska PVA-tiivistyskerros voi merkittävästi parantaa Ag-nanopartikkelien tarttumista PP-kuituihin. Lisäksi PVA:n täyttömäärää ja hopea-nanopartikkelien pitoisuutta Ag/PVA/PP-kuitukankaassa voidaan hyvin hallita säätämällä PVA/glukoosiliuoksen ja hopea-ammoniakkiliuoksen pitoisuuksia. Erityisesti 30 mM hopea-ammoniakkiliuoksella valmistettu Ag/PVA/PP-kuitukangas osoitti parhaat mekaaniset ominaisuudet ja säilytti erinomaisen antibakteerisen aktiivisuuden E. colia vastaan jopa 40 pesukerran jälkeen, ja sillä oli hyvä likaantumisenestokyky. PP-kuitukangasmateriaali. Verrattuna muihin kirjallisuustietoihin, yksinkertaisemmilla menetelmillä valmistamamme kankaat osoittivat parempaa pesunkestävyyttä. Lisäksi tuloksena olevalla Ag/PVA/PP-kuitukankaalla on ihanteellinen kosteuden läpäisevyys ja käyttömukavuus, mikä voi helpottaa sen käyttöä teollisissa sovelluksissa.
Sisällytä kaikki tässä tutkimuksessa saadut tai analysoidut tiedot (ja niitä tukevat tiedostot).
Russell, SM ym. Biosensorit COVID-19-sytokiinimyrskyn torjumiseksi: edessä olevat haasteet. ACS Sens. 5, 1506–1513 (2020).
Zaeem S, Chong JH, Shankaranarayanan V ja Harkey A. COVID-19 ja monielinvasteet. ajankohtainen. kysymys. sydän. 45, 100618 (2020).
Zhang R ym. Arviot koronavirustapausten määrästä Kiinassa vuonna 2019 on oikaistu vaiheen ja endeemisten alueiden mukaan. front. medicine. 14, 199–209 (2020).
Gao J. ym. Joustava, superhydrofobinen ja erittäin johtava polypropeenista valmistettu kuitukangaskomposiittimateriaali sähkömagneettisten häiriöiden suojaukseen. Chemical. engineer. J. 364, 493–502 (2019).
Raihan M. ym. Monitoimisten polyakrylonitriili/hopea-nanokomposiittikalvojen kehitys: antibakteerinen aktiivisuus, katalyyttinen aktiivisuus, johtavuus, UV-suoja ja aktiiviset SERS-anturit. J. Matt. resource. technologies. 9, 9380–9394 (2020).
Dawadi S, Katuwal S, Gupta A, Lamichane U ja Parajuli N. Nykyinen tutkimus hopeananopartikkeleista: synteesi, karakterisointi ja sovellukset. J. Nanomaterials. 2021, 6687290 (2021).
Deng Da, Chen Zhi, Hu Yong, Ma Jian, Tong YDN Yksinkertainen prosessi hopeapohjaisen johtavan musteen valmistamiseksi ja levittämiseksi taajuusselektiivisille pinnoille. Nanotechnology 31, 105705–105705 (2019).
Hao, Y. ym. Hyperhaaroittuneet polymeerit mahdollistavat hopeananopartikkelien käytön stabilointiaineina joustavien piirien mustesuihkutulostuksessa. R. Shuker. Chemical. 43, 2797–2803 (2019).
Keller P ja Kawasaki HJML. Hopeananopartikkelien itsejärjestäytymisellä tuotetut johtavat lehtisuoniverkot potentiaalisia sovelluksia varten joustavissa antureissa. Matt. Wright. 284, 128937.1-128937.4 (2020).
Li, J. ym. Hopean nanopartikkeleilla koristellut piidioksidinanosfäärit ja -matriisit potentiaalisina alustoina pintavahvisteiselle Raman-sironnalle. ASU Omega 6, 32879–32887 (2021).
Liu, X. ym. Laajamittainen joustava pintavahvistettu Raman-sironta-anturi (SERS), jolla on korkea signaalin vakaus ja tasaisuus. ACS Application Matt. Interfaces 12, 45332–45341 (2020).
Sandeep, KG ym. Hopeananopartikkeleilla (Ag-FNR) koristeltujen fullereeninanorojen hierarkkinen heterostruktuuri toimii tehokkaana yksittäisistä hiukkasista riippumattomana SERS-substraattina. Fysiikka. Kemiallinen. Kemiallinen. Fysiikka. 27, 18873–18878 (2018).
Emam, HE ja Ahmed, HB Homometallisten ja heterometallisten agar-pohjaisten nanorakenteiden vertaileva tutkimus värikatalysoidun hajoamisen aikana. kansainvälisyys. J. Biol. Large molecules. 138, 450–461 (2019).
Emam, HE, Mikhail, MM, El-Sherbiny, S., Nagy, KS ja Ahmed, HB Metalliriippuvainen nanokatalyysi aromaattisten epäpuhtauksien vähentämiseksi. Keskiviikko. Tiede. Saastuttaa. Resurssi. Kansainvälisyys. 27, 6459–6475 (2020).
Ahmed HB ja Emam HE Huoneenlämmössä siemenistä kasvatetut kolmoisytimen ja -kuoren (Ag-Au-Pd) nanorakenteet mahdollista vedenpuhdistusta varten. Polymer. Test. 89, 106720 (2020).
Julkaisun aika: 26.11.2023