Dziękujemy za odwiedzenie strony Nature.com. Wersja przeglądarki, której używasz, ma ograniczoną obsługę CSS. Aby uzyskać najlepsze rezultaty, zalecamy korzystanie z nowszej wersji przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w przeglądarce Internet Explorer). W międzyczasie, aby zapewnić ciągłą obsługę, wyświetlamy witrynę bez stylów i JavaScriptu.
Obecnie coraz większą popularnością cieszą się tkaniny funkcjonalne o właściwościach antybakteryjnych. Jednak ekonomiczna produkcja tkanin funkcjonalnych o trwałej i niezmiennej wydajności pozostaje wyzwaniem. Do modyfikacji włókniny polipropylenowej (PP) użyto alkoholu poliwinylowego (PVA), a następnie osadzono in situ nanocząsteczki srebra (AgNP), aby uzyskać modyfikowany PVA PP z dodatkiem AgNP (zwany dalej AgNP). /PVA/PP) materiał. Kapsułkowanie włókien PP za pomocą powłoki PVA znacząco poprawia przyczepność nanocząsteczek Ag do włókien PP, a włókniny Ag/PVA/PP wykazują znacząco lepsze właściwości mechaniczne i odporność na Escherichia coli (zwaną dalej E. coli). Ogólnie rzecz biorąc, włóknina Ag/PVA/PP produkowana przy stężeniu amoniaku srebra 30 mM ma lepsze właściwości mechaniczne, a wskaźnik ochrony antybakteryjnej przed E. coli sięga 99,99%. Tkanina zachowuje doskonałą aktywność antybakteryjną po 40 praniach i nadaje się do wielokrotnego użytku. Ponadto włóknina Ag/PVA/PP ma szerokie perspektywy zastosowania w przemyśle ze względu na dobrą przepuszczalność powietrza i wilgoci. Opracowaliśmy również technologię roll-to-roll i przeprowadziliśmy wstępne badania w celu przetestowania wykonalności tej metody.
Wraz z pogłębiającą się globalizacją gospodarczą, masowe migracje ludności znacznie zwiększyły prawdopodobieństwo transmisji wirusa, co dobrze wyjaśnia, dlaczego nowy koronawirus ma tak silną zdolność do rozprzestrzeniania się na całym świecie i jest trudny do zapobiegania1,2,3. W związku z tym istnieje pilna potrzeba opracowania nowych materiałów antybakteryjnych, takich jak włókniny polipropylenowe (PP), jako medycznych materiałów ochronnych. Włókniny polipropylenowe charakteryzują się niską gęstością, obojętnością chemiczną i niskim kosztem4, ale nie posiadają właściwości antybakteryjnych, krótkiego okresu użytkowania i niskiej skuteczności ochrony. Dlatego tak ważne jest nadanie włókninom PP właściwości antybakteryjnych.
Jako starożytny środek antybakteryjny, srebro przeszło pięć etapów rozwoju: koloidalny roztwór srebra, sulfadiazyna srebra, sól srebra, srebro białkowe i nanosrebro. Nanocząstki srebra są coraz częściej wykorzystywane w takich dziedzinach jak medycyna5,6, przewodnictwo7,8,9, rozpraszanie Ramana wzmocnione powierzchniowo10,11,12, katalityczna degradacja barwników13,14,15,16 itd. W szczególności nanocząstki srebra (AgNP) mają przewagę nad tradycyjnymi środkami antybakteryjnymi, takimi jak sole metali, czwartorzędowe związki amoniowe i triklosan, ze względu na wymaganą odporność na bakterie, stabilność, niski koszt i akceptowalność środowiskową17,18,19. Ponadto nanocząstki srebra o dużej powierzchni właściwej i wysokiej aktywności antybakteryjnej można przyczepiać do tkanin wełnianych20, bawełnianych21,22, poliestrowych i innych tkanin, aby uzyskać kontrolowane, długotrwałe uwalnianie cząsteczek srebra antybakteryjnego23,24. Oznacza to, że poprzez enkapsulację AgNP, możliwe jest tworzenie tkanin PP o aktywności antybakteryjnej. Jednakże włókniny PP nie posiadają grup funkcyjnych i mają niską polarność, co nie sprzyja enkapsulacji AgNP. Aby przezwyciężyć tę wadę, niektórzy badacze próbowali osadzać nanocząstki Ag na powierzchni tkanin PP, stosując różne metody modyfikacji, w tym natryskiwanie plazmowe26,27, szczepienie radiacyjne28,29,30,31 i powlekanie powierzchni32. Na przykład Goli i in. [33] wprowadzili powłokę białkową na powierzchnię włókniny PP, aminokwasy na obwodzie warstwy białkowej mogą służyć jako punkty kotwiczenia do wiązania AgNP, uzyskując w ten sposób dobre właściwości antybakteryjne. aktywność. Li i współpracownicy [34] stwierdzili, że N-izopropyloakrylamid i chlorowodorek N-(3-aminopropylo)metakryloamidu, szczepione wspólnie metodą trawienia ultrafioletowego (UV), wykazują silną aktywność przeciwdrobnoustrojową, chociaż proces trawienia UV jest złożony i może pogarszać właściwości mechaniczne włókien. Oliani i wsp. przygotowali folie żelowe Ag NPs-PP o doskonałej aktywności przeciwdrobnoustrojowej poprzez wstępne naświetlanie czystego PP promieniowaniem gamma; jednak ich metoda była również złożona. W związku z tym, wydajna i łatwa produkcja włóknin polipropylenowych nadających się do recyklingu o pożądanej aktywności przeciwdrobnoustrojowej pozostaje wyzwaniem.
W niniejszym badaniu do modyfikacji tkanin polipropylenowych wykorzystano alkohol poliwinylowy (PVA), przyjazny dla środowiska i tani materiał membranowy o dobrych właściwościach filmotwórczych, wysokiej hydrofilowości oraz doskonałej stabilności fizycznej i chemicznej. Glukoza jest stosowana jako czynnik redukujący36. Wzrost energii powierzchniowej modyfikowanego PP sprzyja selektywnemu osadzaniu się AgNP. W porównaniu z czystą tkaniną PP, przygotowana tkanina Ag/PVA/PP charakteryzowała się dobrą podatnością na recykling, doskonałą aktywnością antybakteryjną wobec E. coli, dobrymi właściwościami mechanicznymi nawet po 40 cyklach prania oraz znaczną oddychalnością, przepuszczalnością dla pary wodnej i wilgoci.
Włóknina PP o gęstości 25 g/m² i grubości 0,18 mm została dostarczona przez firmę Jiyuan Kang'an Sanitary Materials Co., Ltd. (Jiyuan, Chiny) i pocięta na arkusze o wymiarach 5×5 cm². Azotan srebra (99,8%; AR) zakupiono od firmy Xilong Scientific Co., Ltd. (Shantou, Chiny). Glukozę zakupiono od firmy Fuzhou Neptune Fuyao Pharmaceutical Co., Ltd. (Fuzhou, Chiny). Alkohol poliwinylowy (odczynnik klasy przemysłowej) zakupiono od fabryki chemicznej Tianjin Sitong (Tianjin, Chiny). Jako rozpuszczalnik lub do płukania użyto wody dejonizowanej, którą przygotowano w naszym laboratorium. Agar odżywczy i bulion zakupiono od firmy Beijing Aoboxing Biotechnology Co., Ltd. (Pekin, Chiny). Szczep E. coli (ATCC 25922) zakupiono w firmie Zhangzhou Bochuang Company (Zhangzhou, Chiny).
Otrzymaną tkaninę PP przemywano ultradźwiękami w etanolu przez 15 minut. Otrzymany PVA dodano do wody i ogrzewano w temperaturze 95°C przez 2 godziny w celu uzyskania roztworu wodnego. Następnie glukozę rozpuszczono w 10 ml roztworu PVA o ułamku masowym 0,1%, 0,5%, 1,0% i 1,5%. Oczyszczoną włókninę polipropylenową zanurzono w roztworze PVA/glukozy i ogrzewano w temperaturze 60°C przez 1 godzinę. Po zakończeniu ogrzewania, włókninę impregnowaną PP wyjęto z roztworu PVA/glukozy i wysuszono w temperaturze 60°C przez 0,5 godziny, aby utworzyć na powierzchni wstęgi powłokę PVA, uzyskując w ten sposób kompozyt PVA/PP.
Azotan srebra rozpuszcza się w 10 ml wody, ciągle mieszając w temperaturze pokojowej, a następnie dodaje się kroplami amoniak, aż roztwór zmieni kolor z klarownego na brązowy i ponownie klarowny, uzyskując roztwór amoniaku srebra (5–90 mM). Umieszcza się włókninę PVA/PP w roztworze amoniaku srebra i ogrzewa w temperaturze 60°C przez 1 godzinę, aby utworzyć nanocząsteczki Ag in situ na powierzchni tkaniny. Następnie spłukać ją trzykrotnie wodą i suszyć w temperaturze 60°C przez 0,5 godziny, aby uzyskać kompozyt Ag/PVA/PP.
Po wstępnych eksperymentach zbudowaliśmy w laboratorium urządzenie typu roll-to-roll do produkcji tkanin kompozytowych na dużą skalę. Rolki wykonane są z PTFE, aby uniknąć niepożądanych reakcji i zanieczyszczeń. W trakcie procesu, czas impregnacji i ilość zaadsorbowanego roztworu można kontrolować poprzez regulację prędkości rolek i odległości między nimi, aby uzyskać pożądany materiał kompozytowy Ag/PVA/PP.
Morfologię powierzchni tkanki badano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego VEGA3 (SEM; Japan Electronics, Japonia) przy napięciu przyspieszającym 5 kV. Strukturę krystaliczną nanocząstek srebra analizowano metodą dyfrakcji rentgenowskiej (XRD; Bruker, D8 Advanced, Niemcy; promieniowanie Cu Kα, λ = 0,15418 nm; napięcie: 40 kV, natężenie: 40 mA) w zakresie 10–80°. 2θ. Do analizy właściwości chemicznych tkaniny polipropylenowej o modyfikowanej powierzchni zastosowano spektrometr w podczerwieni z transformacją Fouriera (ATR-FTIR; Nicolet 170sx, Thermo Fisher Scientific Incorporation). Zawartość modyfikatora PVA w tkaninach kompozytowych Ag/PVA/PP mierzono metodą analizy termograwimetrycznej (TGA; Mettler Toledo, Szwajcaria) w strumieniu azotu. Do oznaczenia zawartości srebra w tkaninach kompozytowych Ag/PVA/PP zastosowano spektrometrię mas ze wzbudzeniem plazmą wzbudzoną indukcyjnie (ICP-MS, ELAN DRC II, Perkin-Elmer (Hong Kong) Co., Ltd.).
Przepuszczalność powietrza i współczynnik przenikania pary wodnej dla tkaniny kompozytowej Ag/PVA/PP (specyfikacja: 78 × 50 cm²) zostały zmierzone przez niezależną agencję badawczą (Tianfangbiao Standardization Certification and Testing Co., Ltd.) zgodnie z normami GB/T. 5453-1997 i GB/T 12704.2-2009. Dla każdej próbki wybierano dziesięć różnych punktów do badań, a dane dostarczone przez agencję stanowiły średnią z dziesięciu punktów.
Aktywność przeciwbakteryjna kompozytu Ag/PVA/PP została zmierzona zgodnie z chińskimi normami GB/T 20944.1-2007 i GB/T 20944.3- przy użyciu metody dyfuzji na płytce agarowej (analiza jakościowa) i metody wytrząsania w kolbie (analiza ilościowa). . odpowiednio w 2008 roku. Aktywność przeciwbakteryjna kompozytu Ag/PVA/PP wobec Escherichia coli została określona przy różnych czasach prania. W przypadku metody dyfuzji na płytce agarowej, testowany kompozyt Ag/PVA/PP został wycięty w krążek (średnica: 8 mm) za pomocą dziurkacza i przymocowany do agarowej płytki Petriego zaszczepionej Escherichia coli (ATCC 25922). ; 3,4 × 108 CFU ml-1), a następnie inkubowany w temperaturze 37°C i przy wilgotności względnej 56% przez około 24 godziny. Strefę zahamowania analizowano pionowo od środka krążka do wewnętrznego obwodu otaczających kolonii. Stosując metodę wytrząsania w kolbie, przygotowano płaską płytkę o wymiarach 2 × 2 cm2 z badanej tkaniny kompozytowej Ag/PVA/PP i autoklawowano w środowisku bulionowym w temperaturze 121°C i ciśnieniu 0,1 MPa przez 30 minut. Po wysterylizowaniu próbkę zanurzono w 5-ml kolbie Erlenmeyera zawierającej 70 ml bulionu hodowlanego (stężenie zawiesiny 1 × 105–4 × 105 CFU/ml), a następnie inkubowano w temperaturze oscylacyjnej 150°C. obr./min i 25°C przez 18 godzin. Po wytrząsaniu, zebrać określoną ilość zawiesiny bakteryjnej i rozcieńczyć ją dziesięciokrotnie. Zebrać wymaganą ilość rozcieńczonej zawiesiny bakteryjnej, rozprowadzić ją na podłożu agarowym i hodować w temperaturze 37°C i 56% wilgotności względnej przez 24 godziny. Wzór na obliczenie skuteczności antybakteryjnej to: \(\frac{\mathrm{C}-\mathrm{A}}{\mathrm{C}}\cdot 100\%\), gdzie C i A to odpowiednio liczba kolonii po 24 godzinach. Hodowano w grupie kontrolnej i tkance kompozytowej Ag/PVA/PP.
Trwałość tkanin kompozytowych Ag/PVA/PP oceniano poprzez pranie zgodnie z normą ISO 105-C10:2006.1A. Podczas prania zanurzono tkaninę kompozytową Ag/PVA/PP (30 x 40 mm²) w wodnym roztworze detergentu komercyjnego (5,0 g/l) i prano ją z prędkością 40 ± 2 obr./min i 40 ± 5 obr./min. w temperaturze 10, 20, 30, 40 i 50 cykli prania. Po praniu tkaninę płukano trzykrotnie w wodzie i suszono w temperaturze 50–60°C przez 30 minut. W celu określenia stopnia aktywności antybakteryjnej mierzono zmianę zawartości srebra po praniu.
Rysunek 1 przedstawia schemat wytwarzania tkaniny kompozytowej Ag/PVA/PP. Oznacza to, że włóknina PP jest zanurzana w mieszanym roztworze PVA i glukozy. Włóknina impregnowana PP jest suszona w celu utrwalenia modyfikatora i środka redukującego, tworząc warstwę uszczelniającą. Wysuszona włóknina polipropylenowa jest zanurzana w roztworze amoniaku srebra w celu osadzenia nanocząstek srebra in situ. Stężenie modyfikatora, stosunek molowy glukozy do amoniaku srebra, stężenie amoniaku srebra i temperatura reakcji wpływają na wytrącanie się nanocząstek Ag. Rysunek 2a przedstawia zależność kąta zwilżenia wodą tkaniny Ag/PVA/PP od stężenia modyfikatora. Gdy stężenie modyfikatora wzrasta z 0,5% wag. do 1,0% wag., kąt zwilżenia tkaniny Ag/PVA/PP znacznie maleje; Gdy stężenie modyfikatora wzrasta z 1,0% wag. do 2,0% wag., praktycznie się nie zmienia. Rysunek 2 b przedstawia obrazy SEM czystych włókien PP i tkanin Ag/PVA/PP przygotowanych przy stężeniu amoniaku srebra 50 mM i różnych stosunkach molowych glukozy do amoniaku srebra (1:1, 3:1, 5:1 i 9:1). . image. ). Powstałe włókno PP jest stosunkowo gładkie. Po pokryciu folią PVA niektóre włókna są sklejone ze sobą; Ze względu na osadzanie nanocząstek srebra, włókna stają się stosunkowo szorstkie. Wraz ze wzrostem stosunku molowego środka redukującego do glukozy, osadzona warstwa Ag NPs stopniowo pogrubia się, a gdy stosunek molowy wzrasta do 5:1 i 9:1, Ag NPs mają tendencję do tworzenia agregatów. Makroskopowe i mikroskopowe obrazy włókna PP stają się bardziej jednolite, szczególnie gdy stosunek molowy środka redukującego do glukozy wynosi 5:1. Cyfrowe fotografie odpowiednich próbek, uzyskane przy stężeniu amoniaku srebra 50 mM, pokazano na rysunku S1.
Zmiany kąta zwilżenia wodą tkaniny Ag/PVA/PP przy różnych stężeniach PVA (a), obrazy SEM tkaniny Ag/PVA/PP uzyskane przy stężeniu amoniaku srebra 50 mM i różnych stosunkach molowych glukozy i amoniaku srebra [(b))) ; (1) włókno PP, (2) włókno PVA/PP, (3) stosunek molowy 1:1, (4) stosunek molowy 3:1, (5) stosunek molowy 5:1, (6) stosunek molowy 9:1], dyfraktogram rentgenowski (c) i obraz SEM (d) tkaniny Ag/PVA/PP uzyskanej przy stężeniach amoniaku srebra: (1) 5 mM, (2) 10 mM, (3) 30 mM, (4) 50 mM, (5) 90 mM i (6) Ag/PP-30 mM. Temperatura reakcji wynosi 60°C.
Na rys. 2c przedstawiono dyfraktogram rentgenowski powstałej tkaniny Ag/PVA/PP. Oprócz piku dyfrakcyjnego włókna PP 37, cztery piki dyfrakcyjne przy 2θ = ∼ 37,8°, 44,2°, 64,1° i 77,3° odpowiadają (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), płaszczyźnie krystalicznej (3 1 1) sześciennych, ściennie centrowanych nanocząstek srebra. Wraz ze wzrostem stężenia amoniaku srebra z 5 do 90 mM, dyfraktogramy rentgenowskie Ag stają się ostrzejsze, co jest zgodne z późniejszym wzrostem krystaliczności. Zgodnie ze wzorem Scherrera, rozmiary ziaren nanocząstek Ag przygotowanych z 10 mM, 30 mM i 50 mM amoniaku srebra obliczono na odpowiednio 21,3 nm, 23,3 nm i 26,5 nm. Wynika to z faktu, że stężenie amoniaku srebra jest siłą napędową reakcji redukcji prowadzącej do powstania metalicznego srebra. Wraz ze wzrostem stężenia amoniaku srebra, szybkość zarodkowania i wzrostu Ag NP wzrasta. Rysunek 2d przedstawia obrazy SEM tkanin Ag/PVA/PP uzyskane przy różnych stężeniach amoniaku srebra. Przy stężeniu amoniaku srebra 30 mM, osadzona warstwa Ag NP jest stosunkowo jednorodna. Jednakże, gdy stężenie amoniaku srebra jest zbyt wysokie, jednorodność warstwy osadzonej Ag NP ma tendencję do zmniejszania się, co może być spowodowane silną aglomeracją w warstwie osadzonej Ag NP. Ponadto, nanocząstki srebra na powierzchni mają dwa kształty: kulisty i łuskowaty. Rozmiar cząstek kulistych wynosi około 20–80 nm, a rozmiar warstw bocznych wynosi około 100–300 nm (rysunek S2). Warstwa osadu nanocząstek Ag na powierzchni niemodyfikowanej tkaniny PP jest nierównomierna. Ponadto, wzrost temperatury sprzyja redukcji nanocząstek Ag (rysunek S3), ale zbyt wysoka temperatura reakcji nie sprzyja selektywnemu wytrącaniu nanocząstek Ag.
Rysunek 3a schematycznie przedstawia zależność między stężeniem amoniaku srebra, ilością osadzonego srebra i aktywnością przeciwbakteryjną przygotowanej tkaniny Ag/PVA/PP. Rysunek 3b przedstawia wzory antybakteryjne próbek przy różnych stężeniach amoniaku srebra, co może bezpośrednio odzwierciedlać status przeciwbakteryjny próbek. Wraz ze wzrostem stężenia amoniaku srebra z 5 mM do 90 mM, ilość wytrącanego srebra wzrosła z 13,67 g/kg do 481,81 g/kg. Ponadto, wraz ze wzrostem ilości osadzonego srebra, aktywność przeciwbakteryjna przeciwko E. coli początkowo wzrasta, a następnie utrzymuje się na wysokim poziomie. W szczególności, gdy stężenie amoniaku srebra wynosi 30 mM, ilość osadzonego srebra w powstałej tkaninie Ag/PVA/PP wynosi 67,62 g/kg, a wskaźnik antybakteryjny wynosi 99,99%. Tę próbkę należy wybrać jako reprezentatywną do późniejszej charakterystyki strukturalnej.
(a) Zależność między poziomem aktywności przeciwbakteryjnej a ilością nałożonej warstwy Ag i stężeniem amoniaku srebra; (b) Zdjęcia płytek hodowlanych bakterii wykonane aparatem cyfrowym, przedstawiające próbki ślepe oraz próbki przygotowane z użyciem amoniaku srebra o stężeniu 5 mM, 10 mM, 30 mM, 50 mM i 90 mM. Aktywność przeciwbakteryjna tkaniny Ag/PVA/PP wobec Escherichia coli
Rysunek 4a przedstawia widma FTIR/ATR dla PP, PVA/PP, Ag/PP i Ag/PVA/PP. Pasma absorpcyjne czystego włókna PP przy 2950 cm-1 i 2916 cm-1 wynikają z asymetrycznych drgań rozciągających grup –CH3 i –CH2-, a przy 2867 cm-1 i 2837 cm-1 wynikają z symetrycznych drgań rozciągających grup –CH3 i –CH2-. Pasma absorpcyjne przy 1375 cm-1 i 1456 cm-1 wynikają z asymetrycznych i symetrycznych drgań przesunięcia –CH338.39. Widmo FTIR włókna Ag/PP jest podobne do widma włókna PP. Oprócz pasma absorpcji PP, nowy pik absorpcji przy 3360 cm-1 w tkaninach PVA/PP i Ag/PVA/PP jest przypisywany rozciąganiu wiązania wodorowego grupy –OH. Świadczy to o tym, że PVA jest skutecznie aplikowany na powierzchnię włókna polipropylenowego. Ponadto pik absorpcji grup hydroksylowych w tkaninie Ag/PVA/PP jest nieco słabszy niż w tkaninie PVA/PP, co może wynikać z koordynacji niektórych grup hydroksylowych ze srebrem.
Widmo FT-IR (a), krzywa TGA (b) i widmo pomiarowe XPS (c) czystego PP, tkaniny PVA/PP i tkaniny Ag/PVA/PP oraz widmo C 1s czystego PP (d), tkaniny PP PVA/PP (e) i pik Ag 3d (f) tkaniny Ag/PVA/PP.
Na rys. 4c przedstawiono widma XPS tkanin PP, PVA/PP i Ag/PVA/PP. Słaby sygnał O1s czystego włókna polipropylenowego można przypisać pierwiastkowi tlenu zaadsorbowanemu na powierzchni; pik C1s przy 284,6 eV przypisuje się CH i CC (patrz rys. 4d). W porównaniu z czystym włóknem PP, tkanina PVA/PP (rys. 4e) wykazuje wysoką wydajność przy 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) i 288,5 eV (H–C=O)38. Ponadto widmo O 1s tkaniny PVA/PP można przybliżyć dwoma pikami przy 532,3 eV i 533,2 eV41 (rys. S4). Te piki C 1s odpowiadają C–OH i H–C=O (grupom hydroksylowym PVA i grupie aldehydowo-glukozowej), co jest zgodne z danymi FTIR. Włóknina Ag/PVA/PP zachowuje widmo O 1s C-OH (532,3 eV) i HC=O (533,2 eV) (rys. S5), składające się z 65,81% (procent atomowy) C, 22,89% O i 11,31% Ag (rys. S4). W szczególności szczyty Ag 3d5/2 i Ag 3d3/2 przy 368,2 eV i 374,2 eV (rys. 4f) dodatkowo dowodzą, że nanocząstki Ag są domieszkowane na powierzchni włókniny PVA/PP42.
Krzywe TGA (rys. 4b) czystego PP, tkaniny Ag/PP i tkaniny Ag/PVA/PP pokazują, że ulegają one podobnym procesom rozkładu termicznego, a osadzanie Ag NP prowadzi do nieznacznego wzrostu temperatury degradacji termicznej włókien PP. Włókna PVA/PP (od 480 °C (włókna PP) do 495 °C), prawdopodobnie z powodu utworzenia bariery Ag43. Jednocześnie ilości resztkowe czystych próbek PP, Ag/PP, Ag/PVA/PP, Ag/PVA/PP-W50 i Ag/PP-W50 po podgrzaniu do 800°C wynosiły odpowiednio 1,32%, 16,26% i 13,86%. % 9,88% i 2,12% (przyrostek W50 odnosi się tutaj do 50 cykli prania). Pozostałą ilość czystego PP przypisuje się zanieczyszczeniom, a pozostałą część pozostałych próbek – nanocząstkom srebra (AgNP), a różnica w ilości resztkowej próbek z nanocząstkami srebra powinna wynikać z różnej ilości nanocząstek srebra na nich umieszczonych. Ponadto, po 50-krotnym praniu tkaniny Ag/PP, resztkowa zawartość srebra zmniejszyła się o 94,65%, a w tkaninie Ag/PVA/PP o około 31,74%. To pokazuje, że powłoka kapsułkująca PVA może skutecznie poprawić przyczepność nanocząstek srebra (AgNP) do matrycy PP.
Aby ocenić komfort noszenia, zmierzono przepuszczalność powietrza i szybkość transmisji pary wodnej przygotowanej tkaniny polipropylenowej. Ogólnie rzecz biorąc, oddychalność jest związana z komfortem cieplnym użytkownika, szczególnie w gorącym i wilgotnym środowisku44. Jak pokazano na rysunku 5a, przepuszczalność powietrza czystego PP wynosi 2050 mm/s, a po modyfikacji PVA spada do 856 mm/s. Dzieje się tak, ponieważ film PVA utworzony na powierzchni włókna PP i części tkanej pomaga zmniejszyć szczeliny między włóknami. Po zastosowaniu Ag NP, przepuszczalność powietrza tkaniny PP wzrasta ze względu na zużycie powłoki PVA podczas stosowania Ag NP. Ponadto oddychalność tkanin Ag/PVA/PP ma tendencję do zmniejszania się wraz ze wzrostem stężenia amoniaku srebra z 10 do 50 mmol. Może to wynikać z faktu, że grubość powłoki srebra rośnie wraz ze wzrostem stężenia amoniaku srebra, co pomaga zmniejszyć liczbę porów i prawdopodobieństwo przenikania przez nie pary wodnej.
(a) Przepuszczalność powietrza tkanin Ag/PVA/PP przygotowanych z różnymi stężeniami amoniaku srebra; (b) Przepuszczalność pary wodnej tkanin Ag/PVA/PP przygotowanych z różnymi stężeniami amoniaku srebra; (c) Krzywa rozciągania różnych modyfikatorów tkaniny Ag/PVA/PP otrzymanej przy różnych stężeniach; (d) Krzywa rozciągania tkaniny Ag/PVA/PP otrzymanej przy różnych stężeniach amoniaku srebra (pokazano również tkaninę Ag/PVA/PP otrzymaną przy stężeniu amoniaku srebra 30 mM) (Porównaj krzywe rozciągania tkanin PP po 40 cyklach prania).
Szybkość transmisji pary wodnej jest kolejnym ważnym wskaźnikiem komfortu cieplnego tkaniny45. Okazuje się, że przepuszczalność wilgoci tkanin zależy głównie od oddychalności i właściwości powierzchni. Oznacza to, że przepuszczalność powietrza zależy głównie od liczby porów; właściwości powierzchni wpływają na przepuszczalność wilgoci grup hydrofilowych poprzez adsorpcję-dyfuzję-desorpcję cząsteczek wody. Jak pokazano na rysunku 5b, przepuszczalność wilgoci czystego włókna PP wynosi 4810 g/(m2·24h). Po uszczelnieniu powłoką PVA liczba otworów we włóknie PP zmniejsza się, ale przepuszczalność wilgoci tkaniny PVA/PP wzrasta do 5070 g/(m2·24h), ponieważ jej przepuszczalność wilgoci jest określana głównie przez właściwości powierzchni, a nie pory. Po osadzeniu AgNPs, przepuszczalność wilgoci tkaniny Ag/PVA/PP uległa dalszemu zwiększeniu. W szczególności maksymalna przepuszczalność wilgoci tkaniny Ag/PVA/PP uzyskanej przy stężeniu amoniaku srebra 30 mM wynosi 10300 g/(m²·24h). Jednocześnie zróżnicowana przepuszczalność wilgoci tkanin Ag/PVA/PP uzyskanych przy różnych stężeniach amoniaku srebra może być związana z różnicami w grubości warstwy osadu srebra i liczbie jej porów.
Właściwości mechaniczne tkanin silnie wpływają na ich żywotność, zwłaszcza jako materiałów nadających się do recyklingu46. Rysunek 5c przedstawia krzywą naprężenia rozciągającego tkaniny Ag/PVA/PP. Wytrzymałość na rozciąganie czystego PP wynosi zaledwie 2,23 MPa, podczas gdy wytrzymałość na rozciąganie tkaniny PVA/PP z dodatkiem 1% wag. jest znacznie zwiększona do 4,56 MPa, co wskazuje, że hermetyzacja tkaniny PVA/PP pomaga znacząco poprawić jej właściwości mechaniczne. Wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie przy zerwaniu tkaniny PVA/PP rosną wraz ze wzrostem stężenia modyfikatora PVA, ponieważ folia PVA może rozbić naprężenia i wzmocnić włókno PP. Jednak gdy stężenie modyfikatora wzrośnie do 1,5% wag., lepki PVA powoduje, że tkanina polipropylenowa staje się sztywna, co poważnie wpływa na komfort noszenia.
W porównaniu z czystymi tkaninami PP i PVA/PP, wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie przy zerwaniu tkanin Ag/PVA/PP są dodatkowo ulepszone, ponieważ nanocząstki Ag równomiernie rozłożone na powierzchni włókien PP mogą rozłożyć obciążenie47,48. Można zauważyć, że wytrzymałość na rozciąganie włókna Ag/PP jest wyższa niż czystego PP i osiąga 3,36 MPa (rys. 5d), co potwierdza silne i wzmacniające działanie Ag NP. W szczególności tkanina Ag/PVA/PP wytworzona przy stężeniu amoniaku srebra 30 mM (zamiast 50 mM) wykazuje maksymalną wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie przy zerwaniu, co nadal jest spowodowane równomiernym osadzaniem Ag NP, jak również równomiernym osadzaniem. Agregacja srebrnych NP w warunkach wysokiego stężenia amoniaku srebra. Ponadto po 40 cyklach prania wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie przy zerwaniu tkaniny Ag/PVA/PP przygotowanej przy stężeniu amoniaku srebra 30 mM zmniejszyły się odpowiednio o 32,7% i 26,8% (rys. 5d), co może być związane z niewielką utratą osadzonych później nanocząstek srebra.
Rysunki 6a i b przedstawiają zdjęcia cyfrowe tkaniny Ag/PVA/PP i tkaniny Ag/PP po praniu przez 0, 10, 20, 30, 40 i 50 cykli przy stężeniu amoniaku srebra 30 mM. Ciemnoszara tkanina Ag/PVA/PP i tkanina Ag/PP stopniowo stają się jasnoszare po praniu; a zmiana koloru pierwszej tkaniny podczas prania nie wydaje się tak poważna, jak drugiej. Ponadto, w porównaniu z tkaniną Ag/PP, zawartość srebra w tkaninie Ag/PVA/PP zmniejszała się stosunkowo powoli po praniu; po 20 lub więcej praniach pierwsza tkanina zachowała wyższą zawartość srebra niż druga (rys. 6c). Wskazuje to, że otoczka włókien PP powłoką PVA może znacząco poprawić przyczepność nanocząstek Ag do włókien PP. Rysunek 6d przedstawia obrazy SEM tkaniny Ag/PVA/PP i tkaniny Ag/PP po praniu przez 10, 40 i 50 cykli. Tkaniny Ag/PVA/PP tracą mniej nanocząstek Ag podczas prania niż tkaniny Ag/PP, ponownie dlatego, że powłoka PVA otaczająca włókna poprawia przyczepność nanocząstek Ag do włókien PP.
(a) Zdjęcia tkaniny Ag/PP wykonane aparatem cyfrowym (przy stężeniu amoniaku srebra 30 mM) po praniu przez 0, 10, 20, 30, 40 i 50 cykli (1-6); (b) Ag/PVA/PP Zdjęcia tkanin wykonane aparatem cyfrowym (przy stężeniu amoniaku srebra 30 mM) po praniu przez 0, 10, 20, 30, 40 i 50 cykli (1-6); (c) Zmiany zawartości srebra w obu tkaninach w kolejnych cyklach prania; (d) Obrazy SEM tkaniny Ag/PVA/PP (1-3) i tkaniny Ag/PP (4-6) po 10, 40 i 50 cyklach prania.
Rysunek 7 przedstawia aktywność antybakteryjną i zdjęcia z aparatu cyfrowego tkanin Ag/PVA/PP w stosunku do bakterii E. coli po 10, 20, 30 i 40 cyklach prania. Po 10 i 20 praniach skuteczność antybakteryjna tkanin Ag/PVA/PP utrzymywała się na poziomie 99,99% i 99,93%, co świadczy o doskonałej aktywności antybakteryjnej. Poziom antybakteryjności tkaniny Ag/PVA/PP nieznacznie spadł po 30 i 40 praniach, co było spowodowane utratą AgNP po długotrwałym praniu. Jednak wskaźnik antybakteryjności tkaniny Ag/PP po 40 praniach wynosił tylko 80,16%. Oczywiste jest, że skuteczność antybakteryjna tkaniny Ag/PP po 40 cyklach prania jest znacznie słabsza niż tkaniny Ag/PVA/PP.
(a) Poziom aktywności przeciwbakteryjnej wobec E. coli. (b) Dla porównania pokazano również zdjęcia tkaniny Ag/PVA/PP wykonane aparatem cyfrowym po praniu tkaniny Ag/PP w stężeniu amoniaku srebra 30 mM przez 10, 20, 30, 40 i 40 cykli.
Na rys. 8 schematycznie przedstawiono wytwarzanie tkaniny Ag/PVA/PP na dużą skalę z wykorzystaniem dwuetapowej metody „z rolki na rolkę”. Oznacza to, że roztwór PVA/glukozy moczono w ramie rolki przez określony czas, a następnie wyjmowano i impregnowano roztworem amoniaku srebra w ten sam sposób, aby uzyskać tkaninę Ag/PVA/PP (rys. 8a). Otrzymana tkanina Ag/PVA/PP nadal zachowuje doskonałą aktywność antybakteryjną, nawet po 1 roku. W przypadku wytwarzania tkanin Ag/PVA/PP na dużą skalę, otrzymane włókniny PP impregnowano w ciągłym procesie walcowania, a następnie przepuszczano kolejno przez roztwór PVA/glukozy i roztwór amoniaku srebra i przetwarzano dwiema metodami. Załączone filmy. Czas impregnacji kontroluje się poprzez regulację prędkości obrotowej wałka, a ilość zaadsorbowanego roztworu poprzez regulację odległości między wałkami (rys. 8b), uzyskując w ten sposób docelowy materiał włókninowy Ag/PVA/PP o dużych wymiarach (50 cm × 80 cm) i wałek odbiorczy. Cały proces jest prosty i wydajny, co sprzyja produkcji na dużą skalę.
Schematyczny diagram produkcji wielkogabarytowych produktów docelowych (a) i schematyczny diagram procesu walcowania w produkcji materiałów włókninowych Ag/PVA/PP (b).
Włókniny PVA/PP zawierające srebro są produkowane przy użyciu prostej technologii osadzania z fazy ciekłej in-situ w połączeniu z procesem roll-to-roll. W porównaniu z tkaniną PP i tkaniną PVA/PP, właściwości mechaniczne przygotowanej włókniny Ag/PVA/PP są znacznie ulepszone, ponieważ warstwa uszczelniająca PVA może znacząco poprawić przyczepność nanocząstek Ag do włókien PP. Ponadto, ilość załadowanego PVA i zawartość nanocząstek srebra w włókninie Ag/PVA/PP można dobrze kontrolować poprzez dostosowanie stężeń roztworu PVA/glukozy i roztworu amoniaku srebra. W szczególności włóknina Ag/PVA/PP przygotowana przy użyciu 30 mM roztworu amoniaku srebra wykazała najlepsze właściwości mechaniczne i zachowała doskonałą aktywność przeciwbakteryjną przeciwko E. coli nawet po 40 cyklach prania, wykazując dobry potencjał przeciwporostowy. Włóknina PP. W porównaniu z innymi danymi literaturowymi, tkaniny otrzymane przez nas przy użyciu prostszych metod wykazały lepszą odporność na pranie. Ponadto uzyskana w ten sposób włóknina Ag/PVA/PP charakteryzuje się idealną przepuszczalnością wilgoci i komfortem noszenia, co ułatwia jej wykorzystanie w przemyśle.
Należy uwzględnić wszystkie dane uzyskane lub przeanalizowane w trakcie badania (oraz pliki z informacjami je uzupełniającymi).
Russell, SM i in. Biosensory do walki z burzą cytokinową COVID-19: wyzwania na przyszłość. ACS Sens. 5, 1506–1513 (2020).
Zaeem S, Chong JH, Shankaranarayanan V i Harkey A. COVID-19 i reakcje wielonarządowe. bieżące. pytanie. serce. 45, 100618 (2020).
Zhang R i in. Szacunki liczby przypadków koronawirusa w 2019 r. w Chinach skorygowano według stadium i regionów endemicznych. front. medicine. 14, 199–209 (2020).
Gao J. i in. Elastyczny, superhydrofobowy i wysoce przewodzący materiał kompozytowy z włókniny polipropylenowej do ochrony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi. Inżynier chemik. J. 364, 493–502 (2019).
Raihan M. i in. Rozwój wielofunkcyjnych folii nanokompozytowych z poliakrylonitrylu i srebra: aktywność antybakteryjna, aktywność katalityczna, przewodnictwo, ochrona przed promieniowaniem UV i aktywne czujniki SERS. J. Matt. resource. technologies. 9, 9380–9394 (2020).
Dawadi S, Katuwal S, Gupta A, Lamichane U i Parajuli N. Aktualne badania nad nanocząsteczkami srebra: synteza, charakterystyka i zastosowania. J. Nanomaterials. 2021, 6687290 (2021).
Deng Da, Chen Zhi, Hu Yong, Ma Jian, Tong YDN Prosty proces przygotowywania przewodzącego atramentu na bazie srebra i nakładania go na powierzchnie selektywne częstotliwościowo. Nanotechnology 31, 105705–105705 (2019).
Hao, Y. i in. Polimery hiperrozgałęzione umożliwiają wykorzystanie nanocząsteczek srebra jako stabilizatorów w druku atramentowym elastycznych obwodów. R. Shuker. Chemical. 43, 2797–2803 (2019).
Keller P i Kawasaki HJML Sieci przewodzących żyłek liściowych wytwarzane przez samoorganizację nanocząstek srebra do potencjalnych zastosowań w elastycznych czujnikach. Matt. Wright. 284, 128937.1-128937.4 (2020).
Li, J. i in. Nanosfery i układy krzemionkowe dekorowane nanocząstkami srebra jako potencjalne substraty do rozpraszania Ramana wspomaganego powierzchniowo. ASU Omega 6, 32879–32887 (2021).
Liu, X. i in. Czujnik rozpraszania Ramana o dużej skali i elastycznej powierzchni (SERS) o wysokiej stabilności i jednorodności sygnału. ACS Application Matt. Interfaces 12, 45332–45341 (2020).
Sandeep, KG i in. Hierarchiczna heterostruktura nanorurek fulerenowych ozdobionych nanocząstkami srebra (Ag-FNR) stanowi efektywny, niezależny od pojedynczej cząstki substrat SERS. fizyka. Chemiczny. Chemiczny. fizyka. 27, 18873–18878 (2018).
Emam, HE i Ahmed, HB Porównawcze badanie nanostruktur homometalicznych i heterometalicznych na bazie agaru podczas degradacji katalizowanej barwnikiem. Międzynarodowość. J. Biol. Duże cząsteczki. 138, 450–461 (2019).
Emam, HE, Mikhail, MM, El-Sherbiny, S., Nagy, KS i Ahmed, HB Nanokataliza zależna od metali w celu redukcji zanieczyszczeń aromatycznych. Środa. Nauka. Zanieczyszczają. Zasoby. Międzynarodowość. 27, 6459–6475 (2020).
Ahmed HB i Emam HE Nanostruktury o potrójnym rdzeniu i powłoce (Ag-Au-Pd) wyhodowane z nasion w temperaturze pokojowej w celu potencjalnego oczyszczania wody. polimer. test. 89, 106720 (2020).
Czas publikacji: 26-11-2023