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오늘날 항균 기능을 갖춘 기능성 원단이 더욱 인기를 얻고 있습니다. 그러나 내구성과 일관된 성능을 갖춘 기능성 원단을 비용 효율적으로 생산하는 것은 여전히 어려운 과제입니다. 폴리비닐알코올(PVA)을 사용하여 폴리프로필렌(PP) 부직포를 개질한 후, 은 나노입자(AgNP)를 현장에서 증착하여 PVA 개질된 AgNP가 함유된 PP(AgNP)를 제조했습니다. Ag/PVA/PP 부직포는 PVA 코팅을 사용하여 PP 섬유를 캡슐화하면 은 나노입자가 함유된 PP 섬유에 대한 접착력이 크게 향상되며, Ag/PVA/PP 부직포는 기계적 물성과 대장균(E. coli)에 대한 내성이 크게 향상됩니다. 일반적으로 30mM 은 암모니아 농도에서 제조된 Ag/PVA/PP 부직포는 기계적 물성이 더 우수하며, 대장균에 대한 항균 보호율은 99.99%에 달합니다. 이 원단은 40회 세탁 후에도 우수한 항균 활성을 유지하며 반복 사용 가능성이 있습니다. 또한, Ag/PVA/PP 부직포는 우수한 통기성과 투습성을 갖추고 있어 산업계에서 폭넓은 활용 가능성을 가지고 있습니다. 또한, 롤투롤(roll-to-roll) 기술을 개발하고, 이 기술의 타당성을 검증하기 위한 예비 탐사를 수행했습니다.
경제 세계화가 심화됨에 따라 대규모 인구 이동으로 바이러스 전파 가능성이 크게 증가했습니다. 이는 신종 코로나바이러스가 전 세계적으로 확산될 가능성이 높고 예방이 어려운 이유를 잘 설명합니다.1,2,3 이러한 맥락에서 의료용 보호 소재로서 폴리프로필렌(PP) 부직포와 같은 새로운 항균 소재 개발이 시급합니다. 폴리프로필렌 부직포는 밀도가 낮고 화학적으로 불활성이며 가격이 저렴하다는 장점이 있지만, 항균력이 부족하고 수명이 짧으며 보호 효율이 낮습니다. 따라서 PP 부직포에 항균 특성을 부여하는 것이 매우 중요합니다.
고대 항균제로서 은은 콜로이드 은 용액, 은 설파디아진, 은염, 단백질 은, 나노은의 다섯 단계를 거쳐 발전해 왔습니다. 은 나노입자는 의학5,6, 전도성7,8,9, 표면 증강 라만 산란10,11,12, 염료의 촉매 분해13,14,15,16 등의 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 특히 은 나노입자(AgNP)는 금속염, 4차 암모늄 화합물, 트리클로산과 같은 기존의 항균제보다 뛰어난 항균력, 안정성, 저렴한 가격, 그리고 환경적 적합성17,18,19을 가지고 있어 장점을 가지고 있습니다. 또한, 비표면적이 크고 항균 활성이 높은 은 나노입자는 양모 직물20, 면 직물21,22, 폴리에스터 직물 및 기타 직물에 부착되어 항균 은 입자의 조절되고 지속적인 방출을 달성할 수 있습니다23,24. 이는 AgNP를 캡슐화함으로써 항균 활성을 갖는 PP 직물을 생성할 수 있음을 의미합니다. 그러나 PP 부직포는 작용기가 부족하고 극성이 낮아 AgNP의 캡슐화에 도움이 되지 않습니다. 이러한 단점을 극복하기 위해 일부 연구자들은 플라즈마 분무26,27, 방사선 이식28,29,30,31 및 표면 코팅32을 포함한 다양한 개질 방법을 사용하여 PP 직물 표면에 Ag 나노입자를 증착하려고 시도했습니다. 예를 들어, Goli 등[33]은 PP 부직포 표면에 단백질 코팅을 도입했으며, 단백질 층 주변의 아미노산은 AgNP 결합을 위한 앵커 포인트 역할을 하여 우수한 항균 특성을 얻을 수 있습니다. Li와 동료 연구진34은 자외선(UV) 에칭 공정이 복잡하고 섬유의 기계적 특성을 저하시킬 수 있음에도 불구하고, 자외선 에칭으로 공동 그래프트된 N-이소프로필아크릴아마이드와 N-(3-아미노프로필)메타크릴아마이드 염산염이 강력한 항균 활성을 나타냄을 발견했습니다. Oliani 등은 순수 PP에 감마선을 조사하여 우수한 항균 활성을 가진 Ag NPs-PP 겔 필름을 제조했습니다. 그러나 이 방법 역시 복잡했습니다. 따라서 원하는 항균 활성을 가진 재활용 가능한 폴리프로필렌 부직포를 효율적이고 쉽게 생산하는 것은 여전히 어려운 과제입니다.
본 연구에서는 우수한 필름 형성 능력, 높은 친수성, 그리고 우수한 물리적 및 화학적 안정성을 가진 친환경적이고 저렴한 막 소재인 폴리비닐알코올을 사용하여 폴리프로필렌 직물을 개질하였다. 환원제로는 포도당을 사용하였다36. 개질된 PP의 표면 에너지 증가는 AgNPs의 선택적 증착을 촉진한다. 순수 PP 직물과 비교했을 때, 제조된 Ag/PVA/PP 직물은 우수한 재활용성, 대장균에 대한 탁월한 항균력, 40회 세탁 후에도 우수한 기계적 물성을 보였으며, 우수한 통기성, 내수성 및 투습성을 나타냈다.
비중 25 g/m², 두께 0.18 mm의 PP 부직포는 Jiyuan Kang'an Sanitary Materials Co., Ltd.(중국 Jiyuan 소재)에서 제공받아 5×5 cm² 크기의 시트로 절단했습니다. 질산은(99.8%, AR)은 Xilong Scientific Co., Ltd.(중국 Shantou 소재)에서 구입했습니다. 포도당은 Fuzhou Neptune Fuyao Pharmaceutical Co., Ltd.(중국 Fuzhou 소재)에서 구입했습니다. 폴리비닐알코올(산업용 시약)은 Tianjin Sitong Chemical Factory(중국 Tianjin 소재)에서 구입했습니다. 탈이온수를 용매 또는 린스로 사용했으며 실험실에서 제조했습니다. 영양 한천과 배지는 Beijing Aoboxing Biotechnology Co., Ltd.(중국 Beijing 소재)에서 구입했습니다. 대장균 균주(ATCC 25922)는 Zhangzhou Bochuang Company(중국 Zhangzhou 소재)에서 구입했습니다.
생성된 PP 티슈를 에탄올에서 초음파 세척하여 15분간 세척하였다. 생성된 PVA를 물에 첨가하고 95°C에서 2시간 동안 가열하여 수용액을 얻었다. 그런 다음, 포도당을 질량 분율이 0.1%, 0.5%, 1.0%, 1.5%인 PVA 용액 10ml에 용해시켰다. 정제된 폴리프로필렌 부직포를 PVA/포도당 용액에 침지하고 60°C에서 1시간 동안 가열하였다. 가열이 완료된 후, PP 함침 부직포를 PVA/포도당 용액에서 꺼내고 60°C에서 0.5시간 동안 건조하여 웹 표면에 PVA 필름을 형성하여 PVA/PP 복합 직물을 얻었다.
질산은을 10ml의 물에 실온에서 계속 교반하면서 용해시키고, 용액이 투명에서 갈색으로 변한 후 다시 투명해질 때까지 암모니아를 적가하여 은 암모니아 용액(5~90 mM)을 얻는다. PVA/PP 부직포를 은 암모니아 용액에 넣고 60°C에서 1시간 동안 가열하여 직물 표면에 은 나노입자를 형성한 후, 물로 세 번 헹군 후 60°C에서 0.5시간 동안 건조하여 은/PVA/PP 복합 직물을 얻는다.
예비 실험 후, 실험실에 복합 직물의 대량 생산을 위한 롤투롤(roll-to-roll) 장비를 구축했습니다. 롤러는 부작용과 오염을 방지하기 위해 PTFE 소재로 제작되었습니다. 이 과정에서 롤러의 속도와 롤러 간 거리를 조절하여 함침 시간과 흡착 용액의 양을 조절함으로써 원하는 Ag/PVA/PP 복합 직물을 얻을 수 있습니다.
조직 표면 형태는 VEGA3 주사전자현미경(SEM; Japan Electronics, Japan)을 사용하여 가속 전압 5 kV에서 관찰하였다. 은 나노입자의 결정 구조는 X선 회절(XRD; Bruker, D8 Advanced, Germany; Cu Kα 방사선, λ = 0.15418 nm; 전압: 40 kV, 전류: 40 mA)을 이용하여 10~80°2θ 범위에서 분석하였다. 표면 개질된 폴리프로필렌 직물의 화학적 특성을 분석하기 위해 푸리에 변환 적외선 분광기(ATR-FTIR; Nicolet 170sx, Thermo Fisher Scientific Incorporation)를 사용하였다. Ag/PVA/PP 복합 직물의 PVA 개질제 함량은 질소 기류 하에서 열중량 분석(TGA; Mettler Toledo, Switzerland)을 이용하여 측정하였다. 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(ICP-MS, ELAN DRC II, Perkin-Elmer(Hong Kong) Co., Ltd.)을 사용하여 Ag/PVA/PP 복합 직물의 은 함량을 측정했습니다.
Ag/PVA/PP 복합 직물(규격: 78×50cm²)의 공기 투과도 및 투습도는 제3자 시험기관(Tianfangbiao Standardization Certification and Testing Co., Ltd.)에서 GB/T. 5453-1997 및 GB/T 12704.2-2009에 따라 측정했습니다. 각 샘플마다 10개의 서로 다른 지점을 선택하여 시험했으며, 기관에서 제공한 데이터는 10개 지점의 평균값입니다.
Ag/PVA/PP 복합 직물의 항균 활성은 중국 표준 GB/T 20944.1-2007 및 GB/T 20944.3-에 따라 아가 플레이트 확산법(정성 분석) 및 셰이크 플라스크법(정량 분석)을 사용하여 측정했습니다. . 각각 2008년에. Ag/PVA/PP 복합 직물의 대장균에 대한 항균 활성은 다른 세척 시간에 따라 결정되었습니다. 아가 플레이트 확산법의 경우, 테스트 Ag/PVA/PP 복합 직물을 펀치를 사용하여 디스크(직경: 8mm)로 펀칭하고 대장균(ATCC 25922)을 접종한 아가 페트리 접시에 부착합니다. ; 3.4 × 108 CFU ml-1)을 한 다음 37°C, 56% 상대 습도에서 약 24시간 동안 배양합니다. 억제 영역은 디스크 중심에서 주변 콜로니의 내주까지 수직으로 분석되었습니다.진탕 플라스크 방법을 사용하여 테스트된 Ag/PVA/PP 복합 직물에서 2 × 2 cm2 평판을 준비하고 121°C 및 0.1 MPa의 배지 환경에서 30분 동안 고압멸균했습니다.고압멸균 후 샘플을 70 mL의 배지 배양액(현탁 농도 1 × 105–4 × 105 CFU/mL)이 들어 있는 5 mL Erlenmeyer 플라스크에 담근 다음 150 °C, rpm 및 25°C의 진동 온도에서 18시간 동안 배양했습니다.진탕 후 일정량의 세균 현탁액을 수집하여 10배로 희석했습니다.희석된 세균 현탁액을 필요한 양만큼 수집하여 한천 배지에 펴 바르고 37°C, 상대 습도 56%에서 24시간 동안 배양했습니다. 항균 효과 계산 공식은 다음과 같습니다. \(\frac{\mathrm{C}-\mathrm{A}}{\mathrm{C}}\cdot 100\%\), 여기서 C와 A는 각각 24시간 후의 집락 수입니다. 대조군과 Ag/PVA/PP 복합 조직에서 배양했습니다.
Ag/PVA/PP 복합 직물의 내구성은 ISO 105-C10:2006.1A에 따라 세척하여 평가했습니다. 세척 시, 시험용 Ag/PVA/PP 복합 직물(30x40mm²)을 시판 세제(5.0g/L)가 포함된 수용액에 담그고 40±2rpm과 40±5rpm/min의 고속으로 세척했습니다. °C에서 10, 20, 30, 40, 50회 반복했습니다. 세척 후, 물로 3회 헹군 후 50~60°C에서 30분간 건조했습니다. 세척 후 은 함량 변화를 측정하여 항균 활성도를 측정했습니다.
그림 1은 Ag/PVA/PP 복합 직물 제조의 개략도를 보여줍니다. 즉, PP 부직포를 PVA와 포도당 혼합 용액에 담급니다. PP가 함침된 부직포를 건조하여 개질제와 환원제를 고정시켜 밀봉층을 형성합니다. 건조된 폴리프로필렌 부직포를 은 암모니아 용액에 담가 은 나노입자를 현장 증착합니다. 개질제의 농도, 포도당과 은 암모니아의 몰비, 은 암모니아의 농도, 그리고 반응 온도는 Ag 나노입자의 침전에 영향을 미칩니다. 이러한 요소들은 중요한 요인입니다. 그림 2a는 Ag/PVA/PP 직물의 물 접촉각이 개질제 농도에 따라 어떻게 달라지는지 보여줍니다. 개질제 농도가 0.5중량%에서 1.0중량%로 증가하면 Ag/PVA/PP 직물의 접촉각은 크게 감소하지만, 개질제 농도가 1.0중량%에서 2.0중량%로 증가하면 거의 변화가 없습니다. 그림 2b는 50mM 은 암모니아 농도와 포도당 대 은 암모니아의 몰 비율이 서로 다른(1:1, 3:1, 5:1, 9:1) 순수 PP 섬유와 Ag/PVA/PP 직물의 SEM 이미지를 보여줍니다. . 이미지. ). 생성된 PP 섬유는 비교적 매끄럽습니다. PVA 필름으로 캡슐화한 후 일부 섬유가 서로 접착됩니다. 은 나노입자가 증착되어 섬유가 비교적 거칠어집니다. 환원제 대 포도당의 몰 비율이 증가함에 따라 증착된 Ag NP 층이 점차 두꺼워지고 몰 비율이 5:1 및 9:1로 증가함에 따라 Ag NP는 응집체를 형성하는 경향이 있습니다. PP 섬유의 거시적 및 미시적 이미지는 특히 환원제 대 포도당의 몰 비율이 5:1일 때 더 균일해집니다. 50mM 은 암모니아에서 얻은 해당 샘플의 디지털 사진은 그림 S1에 나와 있습니다.
영어: Ag/PVA/PP 직물의 물 접촉각의 변화(a), 50 mM의 은 암모니아 농도와 다양한 포도당 및 은 암모니아의 몰 비율에서 얻은 Ag/PVA/PP 직물의 SEM 이미지[(b))) ; (1) PP 섬유, (2) PVA/PP 섬유, (3) 몰 비율 1:1, (4) 몰 비율 3:1, (5) 몰 비율 5:1, (6) 몰 비율 9: 1], 은 암모니아 농도에서 얻은 Ag/PVA/PP 직물의 X선 회절 패턴(c) 및 SEM 이미지(d): (1) 5 mM, (2) 10 mM, (3) 30 mM, (4) 50 mM, (5) 90 mM 및 (6) Ag/PP-30 mM. 반응 온도는 60°C입니다.
그림 2c는 생성된 Ag/PVA/PP 직물의 X선 회절 패턴을 보여줍니다. PP 섬유 37의 회절 피크 외에도 2θ = ∼ 37.8°, 44.2°, 64.1° 및 77.3°의 네 개의 회절 피크가 (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), 입방체 면심 은 나노입자의 결정면 (3 1 1)에 해당합니다. 은 암모니아 농도가 5에서 90 mM로 증가함에 따라 Ag의 XRD 패턴이 더 선명해지며 이는 후속 결정성 증가와 일치합니다. 셰러 공식에 따르면 10 mM, 30 mM 및 50 mM 은 암모니아로 제조된 Ag 나노입자의 입자 크기는 각각 21.3 nm, 23.3 nm 및 26.5 nm로 계산되었습니다. 이는 은 암모니아 농도가 금속 은을 형성하는 환원 반응의 원동력이기 때문입니다. 은 암모니아 농도가 증가함에 따라 Ag NP의 핵 생성 및 성장 속도가 증가합니다. 그림 2d는 다양한 농도의 Ag 암모니아에서 얻은 Ag/PVA/PP 직물의 SEM 이미지를 보여줍니다. 은 암모니아 농도가 30 mM일 때 Ag NP의 증착 층은 비교적 균일합니다. 그러나 은 암모니아 농도가 너무 높으면 Ag NP 증착 층의 균일성이 감소하는 경향이 있으며, 이는 Ag NP 증착 층에서 강한 응집으로 인한 것일 수 있습니다. 또한 표면의 은 나노입자는 구형과 비늘 모양의 두 가지 모양을 갖습니다. 구형 입자 크기는 약 20~80 nm이고 층상 측면 크기는 약 100~300 nm입니다(그림 S2). 개질되지 않은 PP 직물 표면의 Ag 나노입자 증착 층은 고르지 않습니다. 또한, 온도를 높이면 Ag NP의 환원이 촉진되지만(그림 S3), 반응 온도가 너무 높으면 Ag NP의 선택적 침전이 촉진되지 않습니다.
그림 3a는 은 암모니아 농도, 증착된 은의 양, 그리고 제조된 Ag/PVA/PP 직물의 항균 활성 간의 관계를 개략적으로 나타낸 것이다. 그림 3b는 은 암모니아의 다양한 농도에서 샘플의 항균 패턴을 보여주는데, 이는 샘플의 항균 상태를 직접적으로 반영할 수 있다. 은 암모니아 농도가 5 mM에서 90 mM로 증가했을 때, 은 침전량은 13.67 g/kg에서 481.81 g/kg으로 증가했다. 또한, 은 침전량이 증가함에 따라 대장균에 대한 항균 활성은 초기에 증가한 후 높은 수준으로 유지되었다. 구체적으로, 은 암모니아 농도가 30 mM일 때, 생성된 Ag/PVA/PP 직물의 은 증착량은 67.62 g/kg이고 항균율은 99.99%이다. 그리고 이 샘플을 후속 구조 특성 분석을 위한 대표 샘플로 선택했다.
(a) 항균 활성 수준과 도포된 Ag 층 양 및 은 암모니아 농도 간의 관계; (b) 디지털 카메라로 촬영한 세균 배양 플레이트 사진. 공시료와 5 mM, 10 mM, 30 mM, 50 mM 및 90 mM 은 암모니아를 사용하여 제조한 시료. Ag/PVA/PP 원단의 대장균에 대한 항균 활성
그림 4a는 PP, PVA/PP, Ag/PP 및 Ag/PVA/PP의 FTIR/ATR 스펙트럼을 보여줍니다. 순수 PP 섬유의 2950cm-1 및 2916cm-1에서의 흡수 대역은 –CH3 및 –CH2- 그룹의 비대칭 신축 진동에 기인하고, 2867cm-1 및 2837cm-1에서는 –CH3 및 –CH2 그룹의 대칭 신축 진동에 기인합니다. –CH3 및 –CH2–. 1375cm-1 및 1456cm-1에서의 흡수 대역은 –CH338.39의 비대칭 및 대칭 이동 진동에 기인합니다. Ag/PP 섬유의 FTIR 스펙트럼은 PP 섬유의 FTIR 스펙트럼과 유사합니다. PP의 흡수 대역 외에도 PVA/PP 및 Ag/PVA/PP 직물의 3360cm-1에서의 새로운 흡수 피크는 –OH 그룹의 수소 결합의 신축에 기인합니다. 이는 PVA가 폴리프로필렌 섬유 표면에 성공적으로 도포되었음을 보여줍니다. 또한, Ag/PVA/PP 직물의 수산기 흡수 피크는 PVA/PP 직물보다 약간 약했는데, 이는 일부 수산기가 은과 배위 결합되어 있기 때문일 수 있습니다.
순수 PP, PVA/PP 원단, Ag/PVA/PP 원단의 FT-IR 스펙트럼(a), TGA 곡선(b) 및 XPS 측정 스펙트럼(c), 순수 PP의 C 1s 스펙트럼(d), PVA/PP PP 원단(e) 및 Ag/PVA/PP 원단의 Ag 3d 피크(f).
그림 4c는 PP, PVA/PP, Ag/PVA/PP 직물의 XPS 스펙트럼을 보여줍니다. 순수 폴리프로필렌 섬유의 약한 O 1s 신호는 표면에 흡착된 산소 원소에 기인하며, 284.6 eV의 C 1s 피크는 CH와 CC에 기인합니다(그림 4d 참조). 순수 PP 섬유와 비교했을 때, PVA/PP 직물(그림 4e)은 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) 및 288.5 eV(H–C=O)에서 높은 성능을 보입니다38. 또한, PVA/PP 직물의 O 1s 스펙트럼은 532.3 eV와 533.2 eV의 두 피크로 근사할 수 있습니다(그림 S4). 이 C 1s 피크는 C-OH와 H-C=O(PVA의 하이드록실기와 알데히드 포도당기)에 해당하며, 이는 FTIR 데이터와 일치합니다. Ag/PVA/PP 부직포는 C-OH(532.3 eV)와 HC=O(533.2 eV)의 O 1s 스펙트럼을 유지하며(그림 S5), 65.81%(원자%) C, 22.89% O, 11.31% Ag로 구성됩니다(그림 S4). 특히, 368.2 eV와 374.2 eV에서 나타난 Ag 3d5/2와 Ag 3d3/2의 피크(그림 4f)는 Ag NP가 PVA/PP42 부직포 표면에 도핑되어 있음을 더욱 증명합니다.
순수 PP, Ag/PP 직물 및 Ag/PVA/PP 직물의 TGA 곡선(그림 4b)은 유사한 열 분해 과정을 거치며 Ag NP의 증착으로 인해 PP 섬유 PVA/PP 섬유의 열 분해 온도가 약간 상승하는 것을 보여줍니다(480°C(PP 섬유)에서 495°C로). 이는 Ag 장벽43의 형성 때문일 수 있습니다. 동시에 800°C에서 가열한 후 순수 PP, Ag/PP, Ag/PVA/PP, Ag/PVA/PP-W50 및 Ag/PP-W50 샘플의 잔류량은 각각 1.32%, 16.26% 및 13.86%였습니다. 9.88% 및 2.12%였습니다(여기서 접미사 W50은 50회 세탁 사이클을 나타냄). 순수 PP의 잔여물은 불순물에 기인하고, 나머지 샘플의 잔여물은 Ag 나노입자에 기인합니다. 은이 포함된 샘플의 잔여량 차이는 샘플에 포함된 은 나노입자의 양이 다르기 때문일 것입니다. 또한, Ag/PP 원단을 50회 세척한 후, 잔류 은 함량은 94.65% 감소했으며, Ag/PVA/PP 원단의 잔류 은 함량은 약 31.74% 감소했습니다. 이는 PVA 캡슐화 코팅이 Ag 나노입자의 PP 매트릭스 접착력을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 보여줍니다.
착용감을 평가하기 위해 제조된 폴리프로필렌 직물의 공기 투과도와 수증기 투과율을 측정했습니다. 일반적으로 통기성은 사용자의 열적 쾌적성과 관련이 있으며, 특히 덥고 습한 환경에서 더욱 그렇습니다. 그림 5a에서 볼 수 있듯이 순수 PP의 공기 투과도는 2050 mm/s이며, PVA 개질 후에는 856 mm/s로 감소합니다. 이는 PP 섬유 표면과 직조부에 형성된 PVA 필름이 섬유 사이의 간격을 줄이는 데 도움이 되기 때문입니다. Ag NPs를 도포한 후에는 Ag NPs 도포 시 PVA 코팅이 소모되어 PP 직물의 공기 투과도가 증가합니다. 또한, Ag/PVA/PP 직물의 통기성은 은 암모니아 농도가 10 mmol에서 50 mmol로 증가함에 따라 감소하는 경향이 있습니다. 이는 은 암모니아 농도가 증가함에 따라 은 증착물의 두께가 증가하여 기공 수와 수증기가 통과할 가능성을 줄이는 데 도움이 되기 때문일 수 있습니다.
(a) 다양한 농도의 은 암모니아로 제조한 Ag/PVA/PP 직물의 공기 투과도; (b) 다양한 농도의 은 암모니아로 제조한 Ag/PVA/PP 직물의 수증기 투과도; (c) 다양한 개질제. 다양한 농도에서 얻은 Ag 직물/PVA/PP의 인장 곡선; (d) 다양한 농도의 은 암모니아로 얻은 Ag/PVA/PP 직물의 인장 곡선(30mM 은 암모니아 농도에서 얻은 Ag/PVA/PP 직물도 표시) (40회 세탁 후 PP 직물의 인장 곡선을 비교).
수증기 투과율은 직물의 열적 쾌적성을 나타내는 또 다른 중요한 지표입니다.45 직물의 투습도는 주로 통기성과 표면 특성에 영향을 받는 것으로 나타났습니다. 즉, 공기 투과도는 주로 기공 수에 따라 달라지고, 표면 특성은 물 분자의 흡착-확산-탈착을 통해 친수성 그룹의 투습도에 영향을 미칩니다.그림 5b에서 볼 수 있듯이 순수 PP 섬유의 투습도는 4810g/(m2·24h)입니다.PVA 코팅으로 밀봉한 후 PP 섬유의 구멍 수는 감소하지만 PVA/PP 직물의 투습도는 5070g/(m2·24h)로 증가합니다.투습도는 기공이 아닌 표면 특성에 의해 주로 결정되기 때문입니다.AgNPs를 증착한 후 Ag/PVA/PP 직물의 투습도는 더욱 증가했습니다. 특히, 은 암모니아 농도 30 mM에서 얻은 Ag/PVA/PP 직물의 최대 투습도는 10300 g/(m²·24h)입니다. 동시에, 은 암모니아 농도에 따라 얻은 Ag/PVA/PP 직물의 투습도 차이는 은 증착층의 두께와 기공 수의 차이와 관련이 있을 수 있습니다.
직물의 기계적 특성은 특히 재활용 가능한 소재로서 직물의 수명에 큰 영향을 미칩니다.46 그림 5c는 Ag/PVA/PP 직물의 인장 응력 곡선을 보여줍니다. 순수 PP의 인장 강도는 2.23 MPa에 불과한 반면, 1 중량% PVA/PP 직물의 인장 강도는 4.56 MPa로 크게 증가했습니다. 이는 PVA PP 직물의 캡슐화가 기계적 특성을 크게 향상시키는 데 도움이 됨을 나타냅니다. PVA/PP 직물의 인장 강도와 파단 신율은 PVA 개질제의 농도가 증가함에 따라 증가하는 이유는 PVA 필름이 응력을 분해하고 PP 섬유를 강화할 수 있기 때문입니다. 그러나 개질제 농도가 1.5 중량%로 증가하면 점착성 PVA가 폴리프로필렌 직물을 딱딱하게 만들어 착용감에 심각한 영향을 미칩니다.
순수 PP 및 PVA/PP 직물과 비교했을 때, Ag/PVA/PP 직물의 인장 강도와 파단 신율은 PP 섬유 표면에 균일하게 분포된 Ag 나노입자가 하중을 분산시킬 수 있기 때문에 더욱 향상됩니다47,48. Ag/PP 섬유의 인장 강도가 순수 PP보다 높아 3.36 MPa에 도달하는 것을 볼 수 있습니다(그림 5d). 이는 Ag NP의 강력하고 강화된 효과를 확인합니다. 특히, 30 mM의 은 암모니아 농도(50 mM 대신)에서 제조된 Ag/PVA/PP 직물은 최대 인장 강도와 파단 신율을 나타내며, 이는 여전히 Ag NP의 균일한 증착과 고농도의 은 암모니아 조건에서 은 NP의 응집 때문입니다. 또한, 30 mM 은 암모니아 농도에서 제조된 Ag/PVA/PP 원단의 40회 세탁 사이클 후 인장 강도와 파단 신율이 각각 32.7%와 26.8% 감소했습니다(그림 5d). 이는 이후에 침전된 은 나노입자의 소량 손실과 관련이 있을 수 있습니다.
그림 6a 및 b는 30 mM 은 암모니아 농도에서 0, 10, 20, 30, 40 및 50 사이클 동안 세척한 후 Ag/PVA/PP 패브릭과 Ag/PP 패브릭의 디지털 카메라 사진을 보여줍니다. 진한 회색 Ag/PVA/PP 패브릭과 Ag/PP 패브릭은 세척 후 점차 밝은 회색으로 변하며, 세척 중 첫 번째 패브릭의 색상 변화는 두 번째 패브릭만큼 심각하지 않은 것으로 보입니다. 또한 Ag/PP 패브릭과 비교하여 Ag/PVA/PP 패브릭의 은 함량은 세척 후 비교적 느리게 감소했습니다. 20회 이상 세척한 후에도 전자는 후자보다 더 높은 은 함량을 유지했습니다(그림 6c). 이는 PP 섬유를 PVA 코팅으로 캡슐화하면 Ag NP의 PP 섬유에 대한 접착력을 크게 향상시킬 수 있음을 나타냅니다. 그림 6d는 10, 40 및 50 사이클 동안 세척한 후 Ag/PVA/PP 패브릭과 Ag/PP 패브릭의 SEM 이미지를 보여줍니다. Ag/PVA/PP 원단은 세탁 시 Ag NP의 손실이 Ag/PP 원단보다 적습니다. 이는 PVA 캡슐화 코팅이 Ag NP와 PP 섬유의 접착력을 향상시키는 데 도움이 되기 때문입니다.
(a) 0, 10, 20, 30, 40 및 50회 세탁 후 디지털 카메라로 촬영한 Ag/PP 직물 사진(30 mM 은 암모니아 농도에서 촬영)(1-6); (b) 0, 10, 20, 30, 40 및 50회 세탁 후 디지털 카메라로 촬영한 Ag/PVA/PP 직물 사진(30 mM 은 암모니아 농도에서 촬영)(1-6); (c) 세탁 주기에 따른 두 직물의 은 함량 변화; (d) 10, 40 및 50회 세탁 주기 후 Ag/PVA/PP 직물(1-3) 및 Ag/PP 직물(4-6)의 SEM 이미지.
그림 7은 10회, 20회, 30회 및 40회 세탁 사이클 후 대장균에 대한 Ag/PVA/PP 직물의 항균 활성과 디지털 카메라 사진을 보여줍니다. 10회 및 20회 세탁 후 Ag/PVA/PP 직물의 항균 성능은 99.99% 및 99.93%로 유지되어 우수한 항균 활성을 보여줍니다. Ag/PVA/PP 직물의 항균 수준은 30회 및 40회 세탁 후 약간 감소했는데, 이는 장기간 세탁 후 AgNPs가 손실되었기 때문입니다. 그러나 40회 세탁 후 Ag/PP 직물의 항균율은 80.16%에 불과합니다. 40회 세탁 사이클 후 Ag/PP 직물의 항균 효과가 Ag/PVA/PP 직물의 항균 효과보다 훨씬 낮다는 것이 분명합니다.
(a) 대장균에 대한 항균 활성 수준. (b) 비교를 위해 Ag/PVA/PP 원단을 30 mM 은 암모니아 농도에서 10, 20, 30, 40 및 40회 세척한 후 디지털 카메라로 촬영한 Ag/PVA/PP 원단 사진도 함께 표시했습니다.
그림 8은 2단계 롤-투-롤 공정을 이용한 대규모 Ag/PVA/PP 직물 제조 과정을 개략적으로 보여줍니다. 즉, PVA/포도당 용액을 롤 프레임에 일정 시간 담근 후 꺼내고, 동일한 방식으로 은암모니아 용액에 함침시켜 Ag/PVA/PP 직물을 얻었습니다. (그림 8a). 생성된 Ag/PVA/PP 직물은 1년 동안 방치하더라도 우수한 항균 활성을 유지합니다. Ag/PVA/PP 직물의 대량 제조를 위해, 생성된 PP 부직포를 연속 롤 공정으로 함침시킨 후 PVA/포도당 용액과 은암모니아 용액을 순차적으로 통과시켜 가공했습니다. 두 가지 방법. 첨부된 영상. 함침 시간은 롤러 속도 조절을 통해 제어되고, 흡착 용액의 양은 롤러 간 거리를 조절하여 제어됩니다(그림 8b). 이를 통해 원하는 크기의 Ag/PVA/PP 부직포(50cm × 80cm)를 얻을 수 있습니다. ) 및 수집 롤러를 사용하여 전체 공정이 간단하고 효율적이어서 대량 생산에 적합합니다.
대형 타겟 제품 생산의 개략도(a) 및 Ag/PVA/PP 부직포 소재 생산을 위한 롤 공정의 개략도(b).
은 함유 PVA/PP 부직포는 롤투롤 공정과 결합된 간단한 현장 액상 증착 기술을 사용하여 생산됩니다. PP 직물 및 PVA/PP 직물과 비교하여, 제조된 Ag/PVA/PP 부직포의 기계적 물성은 PVA 밀봉층이 Ag NPs의 PP 섬유에 대한 접착력을 크게 향상시킬 수 있기 때문에 크게 향상됩니다. 또한, Ag/PVA/PP 부직포의 PVA 함량과 은 NPs 함량은 PVA/포도당 용액과 은 암모니아 용액의 농도를 조절하여 효과적으로 제어할 수 있습니다. 특히, 30 mM 은 암모니아 용액을 사용하여 제조된 Ag/PVA/PP 부직포는 가장 우수한 기계적 물성을 나타냈으며, 40회 세탁 후에도 대장균에 대한 우수한 항균 활성을 유지하여 우수한 방오성을 보였습니다. PP 부직포 소재. 다른 문헌 데이터와 비교했을 때, 더 간단한 방법을 사용하여 제조된 직물은 더 나은 세탁 저항성을 보였습니다. 또한, 생성된 Ag/PVA/PP 부직포는 이상적인 투습성과 착용감을 갖추고 있어 산업용으로의 적용이 용이합니다.
이 연구 동안 얻거나 분석한 모든 데이터(및 이를 뒷받침하는 정보 파일)를 포함합니다.
Russell, SM 외. COVID-19 사이토카인 폭풍에 맞서는 바이오센서: 앞으로의 과제. ACS Sens. 5, 1506–1513 (2020).
Zaeem S, Chong JH, Shankaranarayanan V 및 Harkey A. COVID-19 및 다중 장기 반응. 현재. 질문. 심장. 45, 100618(2020).
Zhang R 외. 2019년 중국 내 코로나바이러스 확진자 수 추정치는 단계 및 풍토병 발생 지역에 따라 조정됨. Front. Medicine. 14, 199–209 (2020).
Gao J. 외. 전자파 간섭 차단을 위한 유연하고 초소수성이며 고전도성인 폴리프로필렌 부직포 복합소재. 화학공학. J. 364, 493–502 (2019).
Raihan M. 외. 다기능 폴리아크릴로니트릴/은 나노복합 필름 개발: 항균 활성, 촉매 활성, 전도성, 자외선 차단 및 능동 SERS 센서. J. Matt. resource. technologies. 9, 9380–9394 (2020).
Dawadi S, Katuwal S, Gupta A, Lamichane U, Parajuli N. 은 나노입자에 대한 최신 연구: 합성, 특성 분석 및 응용. J. Nanomaterials. 2021, 6687290 (2021).
Deng Da, Chen Zhi, Hu Yong, Ma Jian, Tong YDN. 은 기반 전도성 잉크를 제조하고 주파수 선택 표면에 도포하는 간단한 공정. Nanotechnology 31, 105705–105705 (2019).
Hao, Y. 외. 초분기형 고분자는 유연 회로 잉크젯 인쇄를 위한 안정제로 은 나노입자를 사용할 수 있게 한다. R. Shuker. Chemical. 43, 2797–2803 (2019).
Keller P와 Kawasaki HJML, 유연 센서에 잠재적으로 응용 가능한 은 나노입자의 자가조립을 통해 제작된 전도성 잎맥 네트워크. Matt. Wright. 284, 128937.1-128937.4 (2020).
Li, J. 외. 표면 증강 라만 산란을 위한 잠재적 기판으로서 은 나노입자로 장식된 실리카 나노구체 및 어레이. ASU Omega 6, 32879–32887 (2021).
Liu, X. 외. 높은 신호 안정성과 균일성을 갖춘 대형 유연 표면 증강 라만 산란 센서(SERS). ACS Application Matt. Interfaces 12, 45332–45341 (2020).
Sandeep, KG 외. 은 나노입자로 장식된 풀러렌 나노로드의 계층적 이종구조(Ag-FNR)는 효과적인 단일 입자 독립 SERS 기판 역할을 한다. 물리학. 화학. 화학. 물리학. 27, 18873–18878 (2018).
Emam, HE 및 Ahmed, HB. 염료 촉매 분해 과정에서 동종금속 및 이종금속 한천 기반 나노구조의 비교 연구. 국제성. J. Biol. Large molecules. 138, 450–461 (2019).
Emam, HE, Mikhail, MM, El-Sherbiny, S., Nagy, KS 및 Ahmed, HB 방향족 오염물질 환원을 위한 금속 의존성 나노촉매. 수요일. 과학. 오염. 자원. 국제성. 27, 6459–6475 (2020).
Ahmed HB 및 Emam HE 실온에서 씨앗으로부터 성장된 트리플 코어-쉘(Ag-Au-Pd) 나노구조는 잠재적인 물 정화를 위해 사용됩니다. 폴리머. 테스트. 89, 106720(2020).
게시 시간: 2023년 11월 26일