Grazie per aver visitato Nature.com. La versione del browser che stai utilizzando ha un supporto CSS limitato. Per risultati ottimali, ti consigliamo di utilizzare una versione più recente del tuo browser (o di disattivare la modalità compatibilità in Internet Explorer). Nel frattempo, per garantire un supporto continuo, stiamo visualizzando il sito senza stili o JavaScript.
Oggi, i tessuti funzionali con proprietà antibatteriche sono più diffusi. Tuttavia, la produzione economica di tessuti funzionali con prestazioni durevoli e costanti rimane una sfida. L'alcol polivinilico (PVA) è stato utilizzato per modificare il tessuto non tessuto in polipropilene (PP), quindi le nanoparticelle d'argento (AgNP) sono state depositate in situ per produrre un tessuto PP caricato con AgNP modificato con PVA (denominato AgNP). /PVA/PP). L'incapsulamento delle fibre di PP con rivestimento in PVA contribuisce a migliorare significativamente l'adesione delle nanoparticelle d'argento caricate alle fibre di PP, e i tessuti non tessuti Ag/PVA/PP mostrano proprietà meccaniche e resistenza all'Escherichia coli (denominato E. coli) significativamente migliorate. In generale, il tessuto non tessuto Ag/PVA/PP prodotto con una concentrazione di ammoniaca d'argento di 30 mM presenta migliori proprietà meccaniche e il tasso di protezione antibatterica contro l'E. coli raggiunge il 99,99%. Il tessuto mantiene ancora un'eccellente attività antibatterica dopo 40 lavaggi e ha il potenziale per un uso ripetuto. Inoltre, il tessuto non tessuto Ag/PVA/PP ha ampie prospettive di applicazione nell'industria grazie alla sua buona permeabilità all'aria e all'umidità. Abbiamo inoltre sviluppato una tecnologia roll-to-roll e condotto indagini preliminari per testare la fattibilità di questo metodo.
Con l'intensificarsi della globalizzazione economica, gli spostamenti di popolazione su larga scala hanno notevolmente aumentato la possibilità di trasmissione del virus, il che spiega bene perché il nuovo coronavirus abbia una così forte capacità di diffondersi in tutto il mondo e sia difficile da prevenire1,2,3. In questo senso, vi è un'urgente necessità di sviluppare nuovi materiali antibatterici, come i tessuti non tessuti in polipropilene (PP), come materiali di protezione medica. Il tessuto non tessuto in polipropilene presenta i vantaggi di bassa densità, inerzia chimica e basso costo4, ma non ha capacità antibatterica, ha una breve durata e una bassa efficienza protettiva. Pertanto, è di grande importanza conferire proprietà antibatteriche ai materiali non tessuti in PP.
Come antico agente antibatterico, l'argento ha attraversato cinque fasi di sviluppo: soluzione colloidale d'argento, sulfadiazina d'argento, sale d'argento, argento proteico e nanoargento. Le nanoparticelle d'argento sono sempre più utilizzate in campi come la medicina5,6, la conduttività7,8,9, la diffusione Raman con miglioramento superficiale10,11,12, la degradazione catalitica dei coloranti13,14,15,16 ecc. In particolare, le nanoparticelle d'argento (AgNP) presentano vantaggi rispetto agli agenti antimicrobici tradizionali come sali metallici, composti di ammonio quaternario e triclosan grazie alla loro necessaria resistenza batterica, stabilità, basso costo e accettabilità ambientale17,18,19. Inoltre, le nanoparticelle d'argento con ampia superficie specifica ed elevata attività antibatterica possono essere fissate a tessuti di lana20, tessuti di cotone21,22, tessuti di poliestere e altri tessuti per ottenere un rilascio controllato e prolungato di particelle d'argento antibatteriche23,24. Ciò significa che incapsulando le nanoparticelle di Ag, è possibile creare tessuti in PP con attività antibatterica. Tuttavia, i non tessuti in PP sono privi di gruppi funzionali e presentano una bassa polarità, il che non favorisce l'incapsulamento delle nanoparticelle di Ag. Per superare questo inconveniente, alcuni ricercatori hanno tentato di depositare nanoparticelle di Ag sulla superficie dei tessuti in PP utilizzando vari metodi di modifica, tra cui la spruzzatura al plasma26,27, l'innesto mediante radiazione28,29,30,31 e il rivestimento superficiale32. Ad esempio, Goli et al. [33] hanno introdotto un rivestimento proteico sulla superficie del tessuto non tessuto in PP; gli amminoacidi alla periferia dello strato proteico possono fungere da punti di ancoraggio per il legame delle nanoparticelle di Ag, ottenendo così buone proprietà antibatteriche. Li e colleghi 34 hanno scoperto che N-isopropilacrilammide e N-(3-amminopropil)metacrilammide cloridrato co-innestati mediante incisione UV hanno mostrato una forte attività antimicrobica, sebbene il processo di incisione UV sia complesso e possa degradare le proprietà meccaniche delle fibre. Oliani et al. hanno preparato film di gel Ag NPs-PP con eccellente attività antibatterica pretrattando PP puro con irradiazione gamma; tuttavia, anche il loro metodo era complesso. Pertanto, rimane una sfida produrre in modo efficiente e semplice tessuti non tessuti in polipropilene riciclabile con l'attività antimicrobica desiderata.
In questo studio, l'alcol polivinilico, un materiale per membrane ecologico ed economico con buona capacità filmogena, elevata idrofilia ed eccellente stabilità fisica e chimica, viene utilizzato per modificare tessuti in polipropilene. Il glucosio viene utilizzato come agente riducente36. Un aumento dell'energia superficiale del PP modificato promuove la deposizione selettiva di AgNP. Rispetto al tessuto in PP puro, il tessuto Ag/PVA/PP preparato ha mostrato una buona riciclabilità, un'eccellente attività antibatterica contro l'Escherichia coli, buone proprietà meccaniche anche dopo 40 cicli di lavaggio e una significativa traspirabilità, permeabilità al sesso e all'umidità.
Il tessuto non tessuto in PP con un peso specifico di 25 g/m² e uno spessore di 0,18 mm è stato fornito da Jiyuan Kang'an Sanitary Materials Co., Ltd. (Jiyuan, Cina) e tagliato in fogli di 5×5 cm². Il nitrato d'argento (99,8%; AR) è stato acquistato da Xilong Scientific Co., Ltd. (Shantou, Cina). Il glucosio è stato acquistato da Fuzhou Neptune Fuyao Pharmaceutical Co., Ltd. (Fuzhou, Cina). L'alcol polivinilico (reagente di grado industriale) è stato acquistato da Tianjin Sitong Chemical Factory (Tianjin, Cina). L'acqua deionizzata è stata utilizzata come solvente o per il risciacquo ed è stata preparata nel nostro laboratorio. L'agar nutriente e il brodo sono stati acquistati da Beijing Aoboxing Biotechnology Co., Ltd. (Pechino, Cina). Il ceppo di Escherichia coli (ATCC 25922) è stato acquistato da Zhangzhou Bochuang Company (Zhangzhou, Cina).
Il tessuto in PP risultante è stato lavato con ultrasuoni in etanolo per 15 minuti. Il PVA risultante è stato aggiunto ad acqua e riscaldato a 95 °C per 2 ore per ottenere una soluzione acquosa. Quindi, il glucosio è stato sciolto in 10 ml di soluzione di PVA con una frazione in massa dello 0,1%, 0,5%, 1,0% e 1,5%. Il tessuto non tessuto in polipropilene purificato è stato immerso in una soluzione di PVA/glucosio e riscaldato a 60 °C per 1 ora. Al termine del riscaldamento, il tessuto non tessuto impregnato di PP viene rimosso dalla soluzione di PVA/glucosio ed essiccato a 60 °C per 0,5 ore per formare una pellicola di PVA sulla superficie del tessuto, ottenendo così un tessuto composito PVA/PP.
Il nitrato d'argento viene sciolto in 10 ml di acqua sotto costante agitazione a temperatura ambiente e l'ammoniaca viene aggiunta goccia a goccia fino a quando la soluzione non cambia da limpida a marrone e poi di nuovo limpida per ottenere una soluzione di argento e ammoniaca (5–90 mM). Immergere il tessuto non tessuto in PVA/PP nella soluzione di argento e ammoniaca e riscaldarlo a 60 °C per 1 ora per formare nanoparticelle di Ag in situ sulla superficie del tessuto, quindi risciacquare con acqua tre volte e asciugare a 60 °C per 0,5 ore per ottenere un tessuto composito Ag/PVA/PP.
Dopo esperimenti preliminari, abbiamo costruito in laboratorio un'apparecchiatura roll-to-roll per la produzione su larga scala di tessuti compositi. I rulli sono realizzati in PTFE per evitare reazioni avverse e contaminazioni. Durante questo processo, il tempo di impregnazione e la quantità di soluzione adsorbita possono essere controllati regolando la velocità dei rulli e la distanza tra di essi per ottenere il tessuto composito Ag/PVA/PP desiderato.
La morfologia della superficie tissutale è stata studiata utilizzando un microscopio elettronico a scansione VEGA3 (SEM; Japan Electronics, Giappone) a una tensione di accelerazione di 5 kV. La struttura cristallina delle nanoparticelle d'argento è stata analizzata mediante diffrazione dei raggi X (XRD; Bruker, D8 Advanced, Germania; radiazione Cu Kα, λ = 0,15418 nm; tensione: 40 kV, corrente: 40 mA) nell'intervallo 10–80°. 2θ. Uno spettrometro infrarosso a trasformata di Fourier (ATR-FTIR; Nicolet 170sx, Thermo Fisher Scientific Incorporation) è stato utilizzato per analizzare le caratteristiche chimiche del tessuto in polipropilene modificato in superficie. Il contenuto di modificatore PVA dei tessuti compositi Ag/PVA/PP è stato misurato mediante analisi termogravimetrica (TGA; Mettler Toledo, Svizzera) sotto flusso di azoto. Per determinare il contenuto di argento nei tessuti compositi Ag/PVA/PP è stata utilizzata la spettrometria di massa al plasma accoppiato induttivamente (ICP-MS, ELAN DRC II, Perkin-Elmer (Hong Kong) Co., Ltd.).
La permeabilità all'aria e la velocità di trasmissione del vapore acqueo del tessuto composito Ag/PVA/PP (specifica: 78×50 cm2) sono state misurate da un ente di prova terzo (Tianfangbiao Standardization Certification and Testing Co., Ltd.) in conformità con GB/T. 5453-1997 e GB/T 12704.2-2009. Per ogni campione, vengono selezionati dieci punti diversi per la prova e i dati forniti dall'ente rappresentano la media dei dieci punti.
L'attività antibatterica del tessuto composito Ag/PVA/PP è stata misurata in conformità agli standard cinesi GB/T 20944.1-2007 e GB/T 20944.3- utilizzando rispettivamente il metodo di diffusione su piastra di agar (analisi qualitativa) e il metodo del pallone di agitazione (analisi quantitativa) nel 2008. L'attività antibatterica del tessuto composito Ag/PVA/PP contro Escherichia coli è stata determinata a diversi tempi di lavaggio. Per il metodo di diffusione su piastra di agar, il tessuto composito Ag/PVA/PP in esame viene perforato in un disco (diametro: 8 mm) utilizzando un perforatore e fissato a una piastra Petri di agar inoculata con Escherichia coli (ATCC 25922). ; 3,4 × 108 UFC ml-1) e quindi incubato a 37 °C e 56% di umidità relativa per circa 24 ore. La zona di inibizione è stata analizzata verticalmente dal centro del disco alla circonferenza interna delle colonie circostanti. Utilizzando il metodo dell'agitazione in beuta, è stata preparata una piastra piana di 2 × 2 cm² dal tessuto composito Ag/PVA/PP testato e sterilizzata in autoclave in un ambiente di brodo a 121 °C e 0,1 MPa per 30 minuti. Dopo l'autoclave, il campione è stato immerso in una beuta di Erlenmeyer da 5 mL contenente 70 mL di soluzione di brodocoltura (concentrazione della sospensione 1 × 105–4 × 105 UFC/mL) e quindi incubato a una temperatura oscillante di 150 °C, rpm e 25 °C per 18 ore. Dopo l'agitazione, raccogliere una certa quantità di sospensione batterica e diluirla dieci volte. Raccogliere la quantità necessaria di sospensione batterica diluita, distribuirla su terreno agarizzato e coltivare a 37 °C e 56% di umidità relativa per 24 ore. La formula per calcolare l'efficacia antibatterica è: \(\frac{\mathrm{C}-\mathrm{A}}{\mathrm{C}}\cdot 100\%\), dove C e A sono rispettivamente il numero di colonie dopo 24 ore. Coltivato nel gruppo di controllo e nel tessuto composito Ag/PVA/PP.
La durabilità dei tessuti compositi Ag/PVA/PP è stata valutata mediante lavaggio secondo la norma ISO 105-C10:2006.1A. Durante il lavaggio, immergere il tessuto composito Ag/PVA/PP (30x40 mm²) in una soluzione acquosa contenente detergente commerciale (5,0 g/L) e lavarlo a 40±2 giri/min e 40±5 giri/min ad alta velocità. Cicli a °C 10, 20, 30, 40 e 50. Dopo il lavaggio, il tessuto viene risciacquato tre volte con acqua e asciugato a una temperatura di 50-60 °C per 30 minuti. La variazione del contenuto d'argento dopo il lavaggio è stata misurata per determinare il grado di attività antibatterica.
La Figura 1 mostra lo schema della fabbricazione di un tessuto composito Ag/PVA/PP. In altre parole, il materiale non tessuto in PP viene immerso in una soluzione mista di PVA e glucosio. Il materiale non tessuto impregnato di PP viene essiccato per fissare il modificatore e l'agente riducente, formando uno strato sigillante. Il tessuto non tessuto in polipropilene essiccato viene immerso in una soluzione di argento-ammoniaca per depositare le nanoparticelle d'argento in situ. La concentrazione del modificatore, il rapporto molare tra glucosio e argento-ammoniaca, la concentrazione di argento-ammoniaca e la temperatura di reazione influenzano la precipitazione delle nanoparticelle d'argento. La Figura 2a mostra la dipendenza dell'angolo di contatto con l'acqua del tessuto Ag/PVA/PP dalla concentrazione del modificatore. Quando la concentrazione del modificatore aumenta dallo 0,5% in peso all'1,0% in peso, l'angolo di contatto del tessuto Ag/PVA/PP diminuisce significativamente; quando la concentrazione del modificatore aumenta dall'1,0% in peso al 2,0% in peso, praticamente non cambia. La Figura 2b mostra immagini SEM di fibre di PP puro e tessuti di Ag/PVA/PP preparati a una concentrazione di 50 mM di ammoniaca d'argento e diversi rapporti molari tra glucosio e ammoniaca d'argento (1:1, 3:1, 5:1 e 9:1). . immagine. ). La fibra di PP risultante è relativamente liscia. Dopo l'incapsulamento con pellicola di PVA, alcune fibre vengono incollate tra loro; a causa della deposizione di nanoparticelle d'argento, le fibre diventano relativamente ruvide. All'aumentare del rapporto molare tra agente riducente e glucosio, lo strato depositato di nanoparticelle d'argento si ispessisce gradualmente e, all'aumentare del rapporto molare a 5:1 e 9:1, le nanoparticelle d'argento tendono a formare aggregati. Le immagini macroscopiche e microscopiche della fibra di PP diventano più uniformi, soprattutto quando il rapporto molare tra agente riducente e glucosio è 5:1. Le fotografie digitali dei campioni corrispondenti ottenuti a 50 mM di ammoniaca d'argento sono mostrate nella Figura S1.
Cambiamenti nell'angolo di contatto dell'acqua del tessuto Ag/PVA/PP a diverse concentrazioni di PVA (a), immagini SEM del tessuto Ag/PVA/PP ottenute a una concentrazione di ammoniaca d'argento di 50 mM e vari rapporti molari di glucosio e ammoniaca d'argento [(b))) ; (1) fibra PP, (2) fibra PVA/PP, (3) rapporto molare 1:1, (4) rapporto molare 3:1, (5) rapporto molare 5:1, (6) rapporto molare 9:1], modello di diffrazione dei raggi X (c) e immagine SEM (d) del tessuto Ag/PVA/PP ottenuto a concentrazioni di ammoniaca d'argento: (1) 5 mM, (2) 10 mM, (3) 30 mM, (4) 50 mM, (5) 90 mM e (6) Ag/PP-30 mM. La temperatura di reazione è di 60°C.
Nella Figura 2c è mostrato il pattern di diffrazione dei raggi X del tessuto Ag/PVA/PP risultante. Oltre al picco di diffrazione della fibra di PP 37, quattro picchi di diffrazione a 2θ = ∼ 37,8°, 44,2°, 64,1° e 77,3° corrispondono a (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), piano cristallino (3 1 1) di nanoparticelle d'argento cubiche a facce centrate. All'aumentare della concentrazione di argento ammoniacale da 5 a 90 mM, i pattern XRD dell'Ag diventano più nitidi, coerentemente con un successivo aumento della cristallinità. Secondo la formula di Scherrer, le dimensioni dei grani delle nanoparticelle di Ag preparate con 10 mM, 30 mM e 50 mM di argento ammoniacale sono state calcolate rispettivamente a 21,3 nm, 23,3 nm e 26,5 nm. Questo perché la concentrazione di argento-ammoniaca è la forza motrice della reazione di riduzione per formare argento metallico. Con l'aumentare della concentrazione di argento-ammoniaca, aumenta la velocità di nucleazione e crescita delle nanoparticelle di argento. La Figura 2d mostra le immagini SEM di tessuti Ag/PVA/PP ottenute a diverse concentrazioni di argento-ammoniaca. A una concentrazione di argento-ammoniaca di 30 mM, lo strato depositato di nanoparticelle di argento è relativamente omogeneo. Tuttavia, quando la concentrazione di argento-ammoniaca è troppo elevata, l'uniformità dello strato di deposizione delle nanoparticelle di argento tende a diminuire, il che potrebbe essere dovuto alla forte agglomerazione nello strato di deposizione delle nanoparticelle di argento. Inoltre, le nanoparticelle di argento sulla superficie hanno due forme: sferica e squamosa. La dimensione delle particelle sferiche è di circa 20-80 nm e la dimensione laterale lamellare è di circa 100-300 nm (Figura S2). Lo strato di deposizione delle nanoparticelle di argento sulla superficie del tessuto in PP non modificato è irregolare. Inoltre, l'aumento della temperatura favorisce la riduzione delle nanoparticelle di argento (Fig. S3), ma una temperatura di reazione troppo elevata non favorisce la precipitazione selettiva delle nanoparticelle di argento.
La Figura 3a illustra schematicamente la relazione tra la concentrazione di argento ammoniacale, la quantità di argento depositato e l'attività antibatterica del tessuto Ag/PVA/PP preparato. La Figura 3b mostra i modelli antibatterici dei campioni a diverse concentrazioni di argento ammoniacale, che possono riflettere direttamente lo stato antibatterico dei campioni. Quando la concentrazione di argento ammoniacale è aumentata da 5 mM a 90 mM, la quantità di precipitazione di argento è aumentata da 13,67 g/kg a 481,81 g/kg. Inoltre, all'aumentare della quantità di argento depositato, l'attività antibatterica contro E. coli inizialmente aumenta e poi si mantiene a un livello elevato. Nello specifico, quando la concentrazione di argento ammoniacale è di 30 mM, la quantità di argento depositata nel tessuto Ag/PVA/PP risultante è di 67,62 g/kg e il tasso antibatterico è del 99,99%. Si consiglia di selezionare questo campione come rappresentativo per la successiva caratterizzazione strutturale.
(a) Relazione tra il livello di attività antibatterica e la quantità di strato di Ag applicato e la concentrazione di ammoniaca d'argento; (b) Fotografie di piastre di coltura batterica scattate con una macchina fotografica digitale che mostrano campioni bianchi e campioni preparati utilizzando 5 mM, 10 mM, 30 mM, 50 mM e 90 mM di ammoniaca d'argento. Attività antibatterica del tessuto Ag/PVA/PP contro Escherichia coli
La Figura 4a mostra gli spettri FTIR/ATR di PP, PVA/PP, Ag/PP e Ag/PVA/PP. Le bande di assorbimento della fibra di PP puro a 2950 cm-1 e 2916 cm-1 sono dovute alla vibrazione di stiramento asimmetrico dei gruppi –CH3 e –CH2-, mentre a 2867 cm-1 e 2837 cm-1 sono dovute alla vibrazione di stiramento simmetrico dei gruppi –CH3 e –CH2-. –CH3 e –CH2–. Le bande di assorbimento a 1375 cm-1 e 1456 cm-1 sono attribuite alle vibrazioni di spostamento asimmetriche e simmetriche di –CH338.39. Lo spettro FTIR della fibra Ag/PP è simile a quello della fibra PP. Oltre alla banda di assorbimento del PP, il nuovo picco di assorbimento a 3360 cm-1 dei tessuti PVA/PP e Ag/PVA/PP è attribuito allo stiramento del legame idrogeno del gruppo –OH. Ciò dimostra che il PVA viene applicato con successo sulla superficie delle fibre di polipropilene. Inoltre, il picco di assorbimento degli ossidrili del tessuto Ag/PVA/PP è leggermente più debole di quello del tessuto PVA/PP, il che potrebbe essere dovuto alla coordinazione di alcuni gruppi ossidrilici con l'argento.
Spettro FT-IR (a), curva TGA (b) e spettro di misurazione XPS (c) di tessuto PP puro, PVA/PP e tessuto Ag/PVA/PP, e spettro C 1s di tessuto PP puro (d), tessuto PVA/PP PP (e) e picco Ag 3d (f) di tessuto Ag/PVA/PP.
Nella Figura 4c sono mostrati gli spettri XPS di tessuti in PP, PVA/PP e Ag/PVA/PP. Il debole segnale O₂s della fibra di polipropilene puro può essere attribuito all'elemento ossigeno adsorbito sulla superficie; il picco C₂s a 284,6 eV è attribuito a CH e CC (vedere Figura 4d). Rispetto alla fibra di PP puro, il tessuto in PVA/PP (Fig. 4e) mostra elevate prestazioni a 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) e 288,5 eV (H–C=O)38. Inoltre, lo spettro O₂s del tessuto PVA/PP può essere approssimato da due picchi a 532,3 eV e 533,2 eV41 (Fig. S4); questi picchi C₂s corrispondono a C-OH e H₂-C=O (gruppi ossidrilici del PVA e gruppo glucosio aldeidico), il che è coerente con i dati FTIR. Il tessuto non tessuto Ag/PVA/PP mantiene lo spettro O₂s di C-OH (532,3 eV) e HC=O (533,2 eV) (Figura S5), costituito dal 65,81% (percentuale atomica) di C, 22,89% di O e 11,31% di Ag (Fig. S4). In particolare, i picchi di Ag 3d5/2 e Ag 3d3/2 a 368,2 eV e 374,2 eV (Fig. 4f) dimostrano ulteriormente che le nanoparticelle di Ag sono drogate sulla superficie del tessuto non tessuto PVA/PP42.
Le curve TGA (Fig. 4b) di PP puro, tessuto Ag/PP e tessuto Ag/PVA/PP mostrano che subiscono processi di decomposizione termica simili e la deposizione di Ag NP porta a un leggero aumento della temperatura di degradazione termica delle fibre di PP e PVA/PP (da 480 °C (fibre di PP) a 495 °C), probabilmente a causa della formazione di una barriera di Ag43. Allo stesso tempo, le quantità residue di campioni puri di PP, Ag/PP, Ag/PVA/PP, Ag/PVA/PP-W50 e Ag/PP-W50 dopo il riscaldamento a 800 °C erano rispettivamente 1,32%, 16,26% e 13,86%. % rispettivamente 9,88% e 2,12% (il suffisso W50 qui si riferisce a 50 cicli di lavaggio). La parte restante del PP puro è attribuita alle impurità, mentre la parte restante dei campioni rimanenti alle nanoparticelle d'argento (AgNP); la differenza nella quantità residua dei campioni caricati con argento dovrebbe essere dovuta alle diverse quantità di nanoparticelle d'argento caricate su di essi. Inoltre, dopo 50 lavaggi del tessuto Ag/PP, il contenuto residuo di argento si è ridotto del 94,65%, mentre il contenuto residuo di argento del tessuto Ag/PVA/PP si è ridotto di circa il 31,74%. Ciò dimostra che il rivestimento incapsulante in PVA può migliorare efficacemente l'adesione delle nanoparticelle d'argento alla matrice in PP.
Per valutare il comfort, sono state misurate la permeabilità all'aria e la velocità di trasmissione del vapore acqueo del tessuto in polipropilene preparato. In generale, la traspirabilità è correlata al comfort termico dell'utente, soprattutto in ambienti caldi e umidi44. Come mostrato in Figura 5a, la permeabilità all'aria del PP puro è di 2050 mm/s e, dopo la modifica del PVA, diminuisce a 856 mm/s. Questo perché il film di PVA formato sulla superficie della fibra di PP e sulla parte intrecciata contribuisce a ridurre gli spazi tra le fibre. Dopo l'applicazione di Ag NP, la permeabilità all'aria del tessuto in PP aumenta a causa del consumo del rivestimento in PVA durante l'applicazione di Ag NP. Inoltre, la traspirabilità dei tessuti Ag/PVA/PP tende a diminuire all'aumentare della concentrazione di ammoniaca d'argento da 10 a 50 mmol. Ciò potrebbe essere dovuto al fatto che lo spessore del deposito d'argento aumenta con l'aumentare della concentrazione di ammoniaca d'argento, il che contribuisce a ridurre il numero di pori e la probabilità che il vapore acqueo li attraversi.
(a) Permeabilità all'aria di tessuti Ag/PVA/PP preparati con diverse concentrazioni di ammoniaca d'argento; (b) Trasmissione del vapore acqueo di tessuti Ag/PVA/PP preparati con diverse concentrazioni di ammoniaca d'argento; (c) Vari modificatori Curva di trazione del tessuto Ag/PVA/PP ottenuto a diverse concentrazioni; (d) Curva di trazione del tessuto Ag/PVA/PP ottenuto a diverse concentrazioni di ammoniaca d'argento (è mostrato anche il tessuto Ag/PVA/PP ottenuto a una concentrazione di ammoniaca d'argento di 30 mM) (Confrontare le curve di trazione dei tessuti PP dopo 40 cicli di lavaggio).
La velocità di trasmissione del vapore acqueo è un altro importante indicatore del comfort termico di un tessuto45. Risulta che la permeabilità all'umidità dei tessuti è influenzata principalmente dalla traspirabilità e dalle proprietà superficiali. In altre parole, la permeabilità all'aria dipende principalmente dal numero di pori; le proprietà superficiali influenzano la permeabilità all'umidità dei gruppi idrofili attraverso l'adsorbimento-diffusione-desorbimento delle molecole d'acqua. Come mostrato in Figura 5b, la permeabilità all'umidità della fibra di PP pura è di 4810 g/(m2·24h). Dopo la sigillatura con rivestimento in PVA, il numero di fori nella fibra di PP diminuisce, ma la permeabilità all'umidità del tessuto PVA/PP aumenta a 5070 g/(m2·24h), poiché la sua permeabilità all'umidità è determinata principalmente dalle proprietà superficiali e non dai pori. Dopo la deposizione di AgNP, la permeabilità all'umidità del tessuto Ag/PVA/PP è ulteriormente aumentata. In particolare, la permeabilità massima all'umidità del tessuto Ag/PVA/PP ottenuto a una concentrazione di ammoniaca d'argento di 30 mM è di 10300 g/(m2·24h). Allo stesso tempo, diverse permeabilità all'umidità dei tessuti Ag/PVA/PP ottenuti a diverse concentrazioni di ammoniaca d'argento possono essere associate a differenze nello spessore dello strato di deposizione d'argento e nel numero dei suoi pori.
Le proprietà meccaniche dei tessuti influenzano fortemente la loro durata, soprattutto come materiali riciclabili46. La Figura 5c mostra la curva di sollecitazione a trazione del tessuto Ag/PVA/PP. La resistenza alla trazione del PP puro è di soli 2,23 MPa, mentre la resistenza alla trazione del tessuto PVA/PP all'1% in peso aumenta significativamente a 4,56 MPa, indicando che l'incapsulamento del tessuto PVA/PP contribuisce a migliorarne significativamente le proprietà meccaniche. La resistenza alla trazione e l'allungamento a rottura del tessuto PVA/PP aumentano con l'aumentare della concentrazione del modificatore PVA, poiché il film di PVA può rompere la sollecitazione e rinforzare la fibra di PP. Tuttavia, quando la concentrazione del modificatore aumenta all'1,5% in peso, il PVA adesivo rende il tessuto in polipropilene rigido, il che influisce seriamente sul comfort.
Rispetto ai tessuti in PP puro e PVA/PP, la resistenza alla trazione e l'allungamento a rottura dei tessuti in Ag/PVA/PP risultano ulteriormente migliorati poiché le nanoparticelle di Ag distribuite uniformemente sulla superficie delle fibre di PP possono distribuire il carico47,48. Si può osservare che la resistenza alla trazione della fibra Ag/PP è superiore a quella del PP puro, raggiungendo i 3,36 MPa (Fig. 5d), il che conferma l'effetto forte e rinforzante delle nanoparticelle di Ag. In particolare, il tessuto in Ag/PVA/PP prodotto con una concentrazione di ammoniaca d'argento di 30 mM (invece di 50 mM) presenta la massima resistenza alla trazione e l'allungamento a rottura, dovuti ancora alla deposizione uniforme delle nanoparticelle di Ag e alla deposizione uniforme. Aggregazione di nanoparticelle di argento in condizioni di elevata concentrazione di ammoniaca d'argento. Inoltre, dopo 40 cicli di lavaggio, la resistenza alla trazione e l'allungamento alla rottura del tessuto Ag/PVA/PP preparato con una concentrazione di ammoniaca d'argento pari a 30 mM sono diminuiti rispettivamente del 32,7% e del 26,8% (Fig. 5d), il che potrebbe essere associato a una piccola perdita di nanoparticelle d'argento depositate in seguito.
Le Figure 6a e b mostrano fotografie digitali di tessuti Ag/PVA/PP e Ag/PP dopo 0, 10, 20, 30, 40 e 50 cicli di lavaggio a una concentrazione di ammoniaca d'argento di 30 mM. I tessuti Ag/PVA/PP grigio scuro e Ag/PP diventano gradualmente grigio chiaro dopo il lavaggio; e il cambiamento di colore del primo durante il lavaggio non sembra essere così significativo come quello del secondo. Inoltre, rispetto al tessuto Ag/PP, il contenuto di argento del tessuto Ag/PVA/PP è diminuito relativamente lentamente dopo il lavaggio; dopo 20 o più lavaggi, il primo ha mantenuto un contenuto di argento più elevato rispetto al secondo (Fig. 6c). Ciò indica che l'incapsulamento delle fibre di PP con rivestimento in PVA può migliorare significativamente l'adesione delle nanoparticelle di Ag alle fibre di PP. La Figura 6d mostra le immagini SEM del tessuto Ag/PVA/PP e Ag/PP dopo 10, 40 e 50 cicli di lavaggio. Nei tessuti Ag/PVA/PP si verifica una minore perdita di nanoparticelle d'argento durante il lavaggio rispetto ai tessuti Ag/PP, anche in questo caso perché il rivestimento incapsulante in PVA contribuisce a migliorare l'adesione delle nanoparticelle d'argento alle fibre di PP.
(a) Fotografie di tessuto Ag/PP scattate con una macchina fotografica digitale (scattata a una concentrazione di ammoniaca d'argento pari a 30 mM) dopo il lavaggio per 0, 10, 20, 30, 40 e 50 cicli (1-6); (b) Fotografie di tessuti Ag/PVA/PP scattate con una macchina fotografica digitale (scattata a una concentrazione di ammoniaca d'argento pari a 30 mM) dopo il lavaggio per 0, 10, 20, 30, 40 e 50 cicli (1-6); (c) Cambiamenti nel contenuto d'argento dei due tessuti durante i cicli di lavaggio; (d) Immagini SEM di tessuto Ag/PVA/PP (1-3) e tessuto Ag/PP (4-6) dopo 10, 40 e 50 cicli di lavaggio.
La Figura 7 mostra l'attività antibatterica e le fotografie digitali dei tessuti Ag/PVA/PP contro l'Escherichia coli dopo 10, 20, 30 e 40 cicli di lavaggio. Dopo 10 e 20 lavaggi, la prestazione antibatterica dei tessuti Ag/PVA/PP si è mantenuta al 99,99% e al 99,93%, dimostrando un'eccellente attività antibatterica. Il livello antibatterico del tessuto Ag/PVA/PP è diminuito leggermente dopo 30 e 40 lavaggi, a causa della perdita di AgNP dopo lavaggi prolungati. Tuttavia, il tasso antibatterico del tessuto Ag/PP dopo 40 lavaggi è solo dell'80,16%. È ovvio che l'effetto antibatterico del tessuto Ag/PP dopo 40 cicli di lavaggio è molto inferiore a quello del tessuto Ag/PVA/PP.
(a) Livello di attività antibatterica contro E. coli. (b) A scopo di confronto, vengono mostrate anche fotografie del tessuto Ag/PVA/PP scattate con una macchina fotografica digitale dopo aver lavato il tessuto Ag/PP a una concentrazione di ammoniaca d'argento pari a 30 mM per 10, 20, 30, 40 e 40 cicli.
Nella Figura 8 è illustrata schematicamente la fabbricazione di un tessuto Ag/PVA/PP su larga scala utilizzando un processo roll-to-roll a due fasi. In altre parole, la soluzione di PVA/glucosio è stata immersa nel telaio a rulli per un certo periodo di tempo, quindi estratta e impregnata con una soluzione di argento e ammoniaca allo stesso modo per ottenere un tessuto Ag/PVA/PP. (Fig. 8a). Il tessuto Ag/PVA/PP risultante conserva ancora un'eccellente attività antibatterica anche se lasciato riposare per 1 anno. Per la preparazione su larga scala di tessuti Ag/PVA/PP, i non tessuti in PP risultanti sono stati impregnati in un processo a rulli continui e quindi passati attraverso una soluzione di PVA/glucosio e una soluzione di argento e ammoniaca in sequenza e lavorati con due metodi. Video allegati. Il tempo di impregnazione viene controllato regolando la velocità del rullo, mentre la quantità di soluzione adsorbita viene controllata regolando la distanza tra i rulli (Fig. 8b), ottenendo così il tessuto non tessuto Ag/PVA/PP di grandi dimensioni (50 cm × 80 cm) e il rullo di raccolta. L'intero processo è semplice ed efficiente, il che favorisce la produzione su larga scala.
Diagramma schematico della produzione di prodotti target di grandi dimensioni (a) e diagramma schematico del processo di laminazione per la produzione di materiali non tessuti Ag/PVA/PP (b).
I non tessuti in PVA/PP contenenti argento vengono prodotti utilizzando una semplice tecnologia di deposizione in fase liquida in situ combinata con il processo roll-to-roll. Rispetto al tessuto in PP e al tessuto in PVA/PP, le proprietà meccaniche del tessuto non tessuto in Ag/PVA/PP preparato risultano significativamente migliorate, poiché lo strato sigillante in PVA può migliorare significativamente l'adesione delle nanoparticelle di Ag alle fibre di PP. Inoltre, la quantità di PVA e il contenuto di nanoparticelle di argento nel tessuto non tessuto in Ag/PVA/PP possono essere ben controllati regolando le concentrazioni della soluzione di PVA/glucosio e della soluzione di argento e ammoniaca. In particolare, il tessuto non tessuto in Ag/PVA/PP preparato utilizzando una soluzione di argento e ammoniaca 30 mM ha mostrato le migliori proprietà meccaniche e ha mantenuto un'eccellente attività antibatterica contro E. coli anche dopo 40 cicli di lavaggio, dimostrando un buon potenziale anti-fouling. Materiale non tessuto in PP. Rispetto ad altri dati di letteratura, i tessuti da noi ottenuti con metodi più semplici hanno mostrato una migliore resistenza al lavaggio. Inoltre, il tessuto non tessuto Ag/PVA/PP risultante presenta una permeabilità all'umidità e un comfort ideali, che possono facilitarne l'impiego in applicazioni industriali.
Includere tutti i dati ottenuti o analizzati durante questo studio (e i relativi file informativi di supporto).
Russell, SM et al. Biosensori per combattere la tempesta di citochine del COVID-19: sfide future. ACS Sens. 5, 1506–1513 (2020).
Zaeem S, Chong JH, Shankaranarayanan V e Harkey A. COVID-19 e risposte multiorgano. attuale. domanda. cuore. 45, 100618 (2020).
Zhang R, et al. Le stime del numero di casi di coronavirus nel 2019 in Cina sono corrette in base allo stadio e alle regioni endemiche. front. medicine. 14, 199–209 (2020).
Gao J. et al. Materiale composito in tessuto non tessuto di polipropilene flessibile, superidrofobico e altamente conduttivo per la protezione dalle interferenze elettromagnetiche. Chemical. engineer. J. 364, 493–502 (2019).
Raihan M. et al. Sviluppo di film nanocompositi multifunzionali in poliacrilonitrile/argento: attività antibatterica, attività catalitica, conduttività, protezione UV e sensori SERS attivi. J. Matt. resource. technologies. 9, 9380–9394 (2020).
Dawadi S, Katuwal S, Gupta A, Lamichane U e Parajuli N. Ricerca attuale sulle nanoparticelle d'argento: sintesi, caratterizzazione e applicazioni. J. Nanomaterials. 2021, 6687290 (2021).
Deng Da, Chen Zhi, Hu Yong, Ma Jian, Tong YDN Un semplice processo per preparare inchiostro conduttivo a base d'argento e applicarlo su superfici selettive in frequenza. Nanotechnology 31, 105705–105705 (2019).
Hao, Y. et al. I polimeri iperramificati consentono l'uso di nanoparticelle d'argento come stabilizzanti per la stampa a getto d'inchiostro di circuiti flessibili. R. Shuker. Chemical. 43, 2797–2803 (2019).
Keller P e Kawasaki HJML Reti conduttive di vene fogliari prodotte mediante autoassemblaggio di nanoparticelle d'argento per potenziali applicazioni in sensori flessibili. Matt. Wright. 284, 128937.1-128937.4 (2020).
Li, J. et al. Nanosfere e array di silice decorati con nanoparticelle d'argento come potenziali substrati per la diffusione Raman migliorata in superficie. ASU Omega 6, 32879–32887 (2021).
Liu, X. et al. Sensore di diffusione Raman (SERS) flessibile su larga scala con elevata stabilità e uniformità del segnale. ACS Application Matt. Interfaces 12, 45332–45341 (2020).
Sandeep, KG et al. Un'eterostruttura gerarchica di nanobastoncini di fullerene decorati con nanoparticelle d'argento (Ag-FNR) funge da efficace substrato SERS indipendente da singole particelle. Fisica. Chimica. Chimica. Fisica. 27, 18873–18878 (2018).
Emam, HE e Ahmed, HB Studio comparativo di nanostrutture a base di agar omometallico ed eterometallico durante la degradazione catalizzata da coloranti. internazionalità. J. Biol. Grandi molecole. 138, 450–461 (2019).
Emam, HE, Mikhail, MM, El-Sherbiny, S., Nagy, KS e Ahmed, HB Nanocatalisi dipendente dai metalli per la riduzione degli inquinanti aromatici. Mercoledì. la scienza. inquinare. risorsa. internazionalità. 27, 6459–6475 (2020).
Ahmed HB e Emam HE Nanostructure a triplo nucleo-guscio (Ag-Au-Pd) coltivate da semi a temperatura ambiente per la potenziale purificazione dell'acqua. polimero. test. 89, 106720 (2020).
Data di pubblicazione: 26-11-2023