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Atualmente, tecidos funcionais com propriedades antibacterianas são cada vez mais populares. No entanto, a produção economicamente viável de tecidos funcionais com desempenho durável e consistente ainda representa um desafio. O álcool polivinílico (PVA) foi utilizado para modificar um tecido não tecido de polipropileno (PP), e nanopartículas de prata (AgNPs) foram depositadas in situ para produzir um tecido de PP modificado com PVA e carregado com AgNPs (denominado AgNPs)./PVA/PP. O encapsulamento das fibras de PP com revestimento de PVA contribui para melhorar significativamente a adesão das AgNPs às fibras de PP, e os não tecidos Ag/PVA/PP exibem propriedades mecânicas e resistência à Escherichia coli (E. coli) significativamente aprimoradas. De modo geral, o tecido não tecido Ag/PVA/PP produzido com concentração de amônia de prata de 30 mM apresenta melhores propriedades mecânicas, e a taxa de proteção antibacteriana contra E. coli atinge 99,99%. O tecido mantém excelente atividade antibacteriana mesmo após 40 lavagens e possui potencial para uso repetido. Além disso, o tecido não tecido Ag/PVA/PP apresenta amplas perspectivas de aplicação na indústria devido à sua boa permeabilidade ao ar e à umidade. Adicionalmente, desenvolvemos uma tecnologia de produção contínua (roll-to-roll) e realizamos estudos preliminares para testar a viabilidade desse método.
Com o aprofundamento da globalização econômica, os movimentos populacionais em larga escala aumentaram consideravelmente a possibilidade de transmissão de vírus, o que explica a forte capacidade de disseminação global do novo coronavírus e a dificuldade em preveni-lo1,2,3. Nesse sentido, há uma necessidade urgente de desenvolver novos materiais antibacterianos, como os não tecidos de polipropileno (PP), para uso como materiais de proteção médica. O tecido não tecido de polipropileno apresenta vantagens como baixa densidade, inércia química e baixo custo4, porém não possui propriedades antibacterianas, tem vida útil curta e baixa eficiência de proteção. Portanto, é de grande importância conferir propriedades antibacterianas aos materiais não tecidos de PP.
Como um antigo agente antibacteriano, a prata passou por cinco estágios de desenvolvimento: solução coloidal de prata, sulfadiazina de prata, sal de prata, prata proteica e nanopartículas de prata. As nanopartículas de prata são cada vez mais utilizadas em áreas como medicina5,6, condutividade7,8,9, espalhamento Raman intensificado por superfície10,11,12, degradação catalítica de corantes13,14,15,16 etc. Em particular, as nanopartículas de prata (AgNPs) apresentam vantagens sobre os agentes antimicrobianos tradicionais, como sais metálicos, compostos de amônio quaternário e triclosan, devido à sua resistência bacteriana, estabilidade, baixo custo e aceitabilidade ambiental17,18,19. Além disso, as nanopartículas de prata, com grande área superficial específica e alta atividade antibacteriana, podem ser fixadas em tecidos de lã20, algodão21,22, poliéster e outros tecidos para obter uma liberação controlada e sustentada de partículas de prata antibacterianas23,24. Isso significa que, ao encapsular nanopartículas de prata (AgNPs), é possível criar tecidos de polipropileno (PP) com atividade antibacteriana. No entanto, os não tecidos de PP carecem de grupos funcionais e apresentam baixa polaridade, o que não é propício ao encapsulamento de AgNPs. Para superar essa desvantagem, alguns pesquisadores tentaram depositar nanopartículas de prata na superfície de tecidos de PP usando vários métodos de modificação, incluindo pulverização por plasma26,27, enxertia por radiação28,29,30,31 e revestimento de superfície32. Por exemplo, Goli et al. [33] introduziram um revestimento proteico na superfície do tecido não tecido de PP; os aminoácidos na periferia da camada proteica podem servir como pontos de ancoragem para a ligação de AgNPs, alcançando assim boas propriedades antibacterianas. Li e colaboradores [34] descobriram que a N-isopropilacrilamida e o cloridrato de N-(3-aminopropil)metacrilamida co-enxertados por ataque ultravioleta (UV) exibiram forte atividade antimicrobiana, embora o processo de ataque UV seja complexo e possa degradar as propriedades mecânicas das fibras. Oliani et al. prepararam filmes de gel de nanopartículas de prata (Ag NPs) em polipropileno (PP) com excelente atividade antibacteriana por meio do pré-tratamento de PP puro com irradiação gama; no entanto, o método utilizado também se mostrou complexo. Assim, a produção eficiente e simples de não-tecidos de polipropileno recicláveis com a atividade antimicrobiana desejada permanece um desafio.
Neste estudo, o álcool polivinílico, um material de membrana ecológico e de baixo custo com boa capacidade de formação de filme, alta hidrofilicidade e excelente estabilidade física e química, foi utilizado para modificar tecidos de polipropileno. A glicose foi utilizada como agente redutor. O aumento da energia superficial do PP modificado promove a deposição seletiva de nanopartículas de prata (AgNPs). Comparado ao tecido de PP puro, o tecido Ag/PVA/PP preparado apresentou boa reciclabilidade, excelente atividade antibacteriana contra E. coli, boas propriedades mecânicas mesmo após 40 ciclos de lavagem e respirabilidade, permeabilidade ao sol e à umidade significativas.
O tecido não tecido de PP com densidade de 25 g/m² e espessura de 0,18 mm foi fornecido pela Jiyuan Kang'an Sanitary Materials Co., Ltd. (Jiyuan, China) e cortado em folhas de 5×5 cm². O nitrato de prata (99,8%; AR) foi adquirido da Xilong Scientific Co., Ltd. (Shantou, China). A glicose foi adquirida da Fuzhou Neptune Fuyao Pharmaceutical Co., Ltd. (Fuzhou, China). O álcool polivinílico (reagente de grau industrial) foi adquirido da Tianjin Sitong Chemical Factory (Tianjin, China). A água deionizada foi utilizada como solvente ou para enxágue e foi preparada em nosso laboratório. O ágar e o caldo nutritivos foram adquiridos da Beijing Aoboxing Biotechnology Co., Ltd. (Pequim, China). A cepa de E. coli (ATCC 25922) foi adquirida da Zhangzhou Bochuang Company (Zhangzhou, China).
O tecido de PP resultante foi lavado com ultrassom em etanol por 15 minutos. O PVA resultante foi adicionado à água e aquecido a 95 °C por 2 horas para obter uma solução aquosa. Em seguida, a glicose foi dissolvida em 10 ml da solução de PVA com frações mássicas de 0,1%, 0,5%, 1,0% e 1,5%. O tecido não tecido de polipropileno purificado foi imerso na solução de PVA/glicose e aquecido a 60 °C por 1 hora. Após o aquecimento, o tecido não tecido impregnado com PP foi removido da solução de PVA/glicose e seco a 60 °C por 0,5 h para formar um filme de PVA na superfície da tela, obtendo-se assim um compósito têxtil de PVA/PP.
O nitrato de prata é dissolvido em 10 ml de água sob agitação constante à temperatura ambiente, e a amônia é adicionada gota a gota até que a solução mude de transparente para marrom e volte a ficar transparente, obtendo-se assim uma solução de amônia com prata (5–90 mM). O tecido não tecido de PVA/PP é imerso na solução de amônia com prata e aquecido a 60 °C por 1 hora para formar nanopartículas de Ag in situ na superfície do tecido. Em seguida, o tecido é enxaguado com água três vezes e seco a 60 °C por 0,5 h para obter o tecido compósito Ag/PVA/PP.
Após experimentos preliminares, construímos um equipamento de impressão rolo a rolo em laboratório para a produção em larga escala de tecidos compósitos. Os rolos são feitos de PTFE para evitar reações adversas e contaminação. Durante esse processo, o tempo de impregnação e a quantidade de solução adsorvida podem ser controlados ajustando-se a velocidade dos rolos e a distância entre eles, obtendo-se assim o tecido compósito Ag/PVA/PP desejado.
A morfologia da superfície do tecido foi estudada utilizando um microscópio eletrônico de varredura (MEV) VEGA3 (Japan Electronics, Japão) com tensão de aceleração de 5 kV. A estrutura cristalina das nanopartículas de prata foi analisada por difração de raios X (DRX; Bruker, D8 Advanced, Alemanha; radiação Cu Kα, λ = 0,15418 nm; tensão: 40 kV, corrente: 40 mA) na faixa de 10–80° 2θ. Um espectrômetro de infravermelho com transformada de Fourier (ATR-FTIR; Nicolet 170sx, Thermo Fisher Scientific Incorporation) foi utilizado para analisar as características químicas do tecido de polipropileno com superfície modificada. O teor do modificador PVA nos tecidos compósitos Ag/PVA/PP foi determinado por análise termogravimétrica (TGA; Mettler Toledo, Suíça) sob fluxo de nitrogênio. A espectrometria de massa com plasma acoplado indutivamente (ICP-MS, ELAN DRC II, Perkin-Elmer (Hong Kong) Co., Ltd.) foi utilizada para determinar o teor de prata em tecidos compósitos de Ag/PVA/PP.
A permeabilidade ao ar e a taxa de transmissão de vapor de água do tecido compósito Ag/PVA/PP (especificação: 78×50cm²) foram medidas por uma empresa de testes terceirizada (Tianfangbiao Standardization Certification and Testing Co., Ltd.) de acordo com as normas GB/T 5453-1997 e GB/T 12704.2-2009. Para cada amostra, dez pontos diferentes foram selecionados para teste, e os dados fornecidos pela empresa representam a média desses dez pontos.
A atividade antibacteriana do tecido compósito Ag/PVA/PP foi medida de acordo com as normas chinesas GB/T 20944.1-2007 e GB/T 20944.3-2008, utilizando o método de difusão em placa de ágar (análise qualitativa) e o método de agitação em frasco (análise quantitativa), respectivamente. A atividade antibacteriana do tecido compósito Ag/PVA/PP contra Escherichia coli foi determinada em diferentes tempos de lavagem. Para o método de difusão em placa de ágar, o tecido compósito Ag/PVA/PP foi perfurado em um disco (diâmetro: 8 mm) utilizando um perfurador e fixado em uma placa de Petri contendo ágar inoculado com Escherichia coli (ATCC 25922; 3,4 × 10⁸ UFC ml⁻¹) e incubado a 37 °C e 56% de umidade relativa por aproximadamente 24 horas. A zona de inibição foi analisada verticalmente, do centro do disco até a circunferência interna das colônias circundantes. Utilizando o método de agitação em frasco, uma placa plana de 2 × 2 cm² foi preparada a partir do tecido compósito Ag/PVA/PP testado e autoclavada em meio líquido a 121 °C e 0,1 MPa por 30 minutos. Após a autoclavagem, a amostra foi imersa em um frasco Erlenmeyer de 5 mL contendo 70 mL de solução de cultura líquida (concentração da suspensão de 1 × 10⁵–4 × 10⁵ UFC/mL) e incubada sob agitação a 150 rpm e 25 °C por 18 horas. Após a agitação, uma quantidade específica da suspensão bacteriana foi coletada e diluída dez vezes. A quantidade necessária da suspensão bacteriana diluída foi espalhada em meio de ágar e cultivada a 37 °C e 56% de umidade relativa por 24 horas. A fórmula para calcular a eficácia antibacteriana é: \(\frac{\mathrm{C}-\mathrm{A}}{\mathrm{C}}\cdot 100\%\), onde C e A são o número de colônias após 24 horas, respectivamente. Cultivado no grupo controle e no tecido composto Ag/PVA/PP.
A durabilidade dos tecidos compósitos Ag/PVA/PP foi avaliada por lavagem de acordo com a norma ISO 105-C10:2006.1A. Durante a lavagem, o tecido compósito Ag/PVA/PP (30x40mm²) foi imerso em uma solução aquosa contendo detergente comercial (5,0g/L) e lavado a 40±2 rpm e 40±5 rpm/min em alta velocidade, por 10, 20, 30, 40 e 50 ciclos. Após a lavagem, o tecido foi enxaguado três vezes com água e seco a uma temperatura de 50-60°C por 30 minutos. A variação no teor de prata após a lavagem foi medida para determinar o grau de atividade antibacteriana.
A Figura 1 mostra o diagrama esquemático da fabricação do tecido compósito Ag/PVA/PP. Ou seja, o material não tecido de PP é imerso em uma solução mista de PVA e glicose. O material não tecido impregnado com PP é seco para fixar o modificador e o agente redutor, formando uma camada selante. O tecido não tecido de polipropileno seco é imerso em uma solução de amônia de prata para depositar as nanopartículas de prata in situ. A concentração do modificador, a razão molar entre glicose e amônia de prata, a concentração de amônia de prata e a temperatura de reação afetam a precipitação das nanopartículas de prata. A Figura 2a mostra a dependência do ângulo de contato com a água do tecido Ag/PVA/PP em relação à concentração do modificador. Quando a concentração do modificador aumenta de 0,5% em peso para 1,0% em peso, o ângulo de contato do tecido Ag/PVA/PP diminui significativamente; quando a concentração do modificador aumenta de 1,0% em peso para 2,0% em peso, praticamente não se altera. A Figura 2b mostra imagens de MEV (Microscopia Eletrônica de Varredura) de fibras de PP puro e tecidos Ag/PVA/PP preparados com concentração de amônia de prata de 50 mM e diferentes razões molares de glicose para amônia de prata (1:1, 3:1, 5:1 e 9:1). A fibra de PP resultante é relativamente lisa. Após o encapsulamento com o filme de PVA, algumas fibras ficam aglomeradas; devido à deposição de nanopartículas de prata, as fibras tornam-se relativamente rugosas. À medida que a razão molar do agente redutor para a glicose aumenta, a camada depositada de nanopartículas de prata (Ag NPs) engrossa gradualmente e, com o aumento da razão molar para 5:1 e 9:1, as Ag NPs tendem a formar agregados. As imagens macroscópicas e microscópicas da fibra de PP tornam-se mais uniformes, especialmente quando a razão molar do agente redutor para a glicose é de 5:1. Fotografias digitais das amostras correspondentes obtidas com amônia de prata a 50 mM são mostradas na Figura S1.
Alterações no ângulo de contato da água do tecido Ag/PVA/PP em diferentes concentrações de PVA (a), imagens de MEV do tecido Ag/PVA/PP obtidas com uma concentração de amônia de prata de 50 mM e várias razões molares de glicose e amônia de prata [(b))); (1) fibra de PP, (2) fibra de PVA/PP, (3) razão molar 1:1, (4) razão molar 3:1, (5) razão molar 5:1, (6) razão molar 9:1], padrão de difração de raios X (c) e imagem de MEV (d) do tecido Ag/PVA/PP obtido em concentrações de amônia de prata: (1) 5 mM, (2) 10 mM, (3) 30 mM, (4) 50 mM, (5) 90 mM e (6) Ag/PP-30 mM. A temperatura de reação é de 60 °C.
A Figura 2c mostra o padrão de difração de raios X do tecido Ag/PVA/PP resultante. Além do pico de difração da fibra de PP 37, quatro picos de difração em 2θ = ∼ 37,8°, 44,2°, 64,1° e 77,3° correspondem aos planos cristalinos (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0) e (3 1 1) das nanopartículas de prata com estrutura cúbica de faces centradas. À medida que a concentração de amônia de prata aumenta de 5 para 90 mM, os padrões de difração de raios X da prata tornam-se mais nítidos, o que é consistente com um aumento subsequente na cristalinidade. De acordo com a fórmula de Scherrer, os tamanhos dos grãos das nanopartículas de prata preparadas com 10 mM, 30 mM e 50 mM de amônia de prata foram calculados em 21,3 nm, 23,3 nm e 26,5 nm, respectivamente. Isso ocorre porque a concentração de amônia de prata é a força motriz por trás da reação de redução para formar prata metálica. Com o aumento da concentração de amônia de prata, a taxa de nucleação e crescimento das nanopartículas de prata (Ag NPs) aumenta. A Figura 2d mostra as imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) dos tecidos Ag/PVA/PP obtidos em diferentes concentrações de amônia de prata. Com uma concentração de amônia de prata de 30 mM, a camada depositada de Ag NPs é relativamente homogênea. No entanto, quando a concentração de amônia de prata é muito alta, a uniformidade da camada de deposição de Ag NPs tende a diminuir, o que pode ser devido à forte aglomeração na camada de deposição de Ag NPs. Além disso, as nanopartículas de prata na superfície apresentam duas formas: esférica e lamelar. O tamanho das partículas esféricas é de aproximadamente 20–80 nm, e o tamanho lateral das lamelas é de aproximadamente 100–300 nm (Figura S2). A camada de deposição de nanopartículas de prata na superfície do tecido PP não modificado é irregular. Além disso, o aumento da temperatura promove a redução das NPs de Ag (Fig. S3), mas uma temperatura de reação muito alta não promove a precipitação seletiva das NPs de Ag.
A Figura 3a ilustra esquematicamente a relação entre a concentração de amônia de prata, a quantidade de prata depositada e a atividade antibacteriana do tecido Ag/PVA/PP preparado. A Figura 3b mostra os padrões antibacterianos das amostras em diferentes concentrações de amônia de prata, o que reflete diretamente o estado antibacteriano das amostras. Quando a concentração de amônia de prata aumentou de 5 mM para 90 mM, a quantidade de precipitação de prata aumentou de 13,67 g/kg para 481,81 g/kg. Além disso, à medida que a quantidade de prata depositada aumenta, a atividade antibacteriana contra E. coli inicialmente aumenta e depois se mantém em um nível elevado. Especificamente, quando a concentração de amônia de prata é de 30 mM, a quantidade de prata depositada no tecido Ag/PVA/PP resultante é de 67,62 g/kg e a taxa antibacteriana é de 99,99%. Esta amostra foi selecionada como representativa para a caracterização estrutural subsequente.
(a) Relação entre o nível de atividade antibacteriana e a quantidade de camada de Ag aplicada e a concentração de amônia de prata; (b) Fotografias de placas de cultura bacteriana tiradas com uma câmera digital, mostrando amostras em branco e amostras preparadas com amônia de prata nas concentrações de 5 mM, 10 mM, 30 mM, 50 mM e 90 mM. Atividade antibacteriana do tecido Ag/PVA/PP contra Escherichia coli.
A Figura 4a mostra os espectros FTIR/ATR de PP, PVA/PP, Ag/PP e Ag/PVA/PP. As bandas de absorção da fibra de PP pura em 2950 cm⁻¹ e 2916 cm⁻¹ são atribuídas à vibração de estiramento assimétrico dos grupos –CH₃ e –CH₂–, e em 2867 cm⁻¹ e 2837 cm⁻¹ são atribuídas à vibração de estiramento simétrico dos grupos –CH₃ e –CH₂–. As bandas de absorção em 1375 cm⁻¹ e 1456 cm⁻¹ são atribuídas às vibrações de deslocamento assimétrico e simétrico de –CH₃. O espectro FTIR da fibra Ag/PP é semelhante ao da fibra de PP. Além da banda de absorção do PP, o novo pico de absorção em 3360 cm⁻¹ dos tecidos PVA/PP e Ag/PVA/PP é atribuído ao estiramento da ligação de hidrogênio do grupo –OH. Isso demonstra que o PVA foi aplicado com sucesso na superfície da fibra de polipropileno. Além disso, o pico de absorção de hidroxila do tecido Ag/PVA/PP é ligeiramente mais fraco do que o do tecido PVA/PP, o que pode ser devido à coordenação de alguns grupos hidroxila com a prata.
Espectro FT-IR (a), curva TGA (b) e espectro de medição XPS (c) de PP puro, tecido PVA/PP e tecido Ag/PVA/PP, e espectro C 1s de PP puro (d), tecido PVA/PP (e) e pico Ag 3d (f) do tecido Ag/PVA/PP.
A Figura 4c mostra os espectros XPS dos tecidos de PP, PVA/PP e Ag/PVA/PP. O sinal fraco de O 1s da fibra de polipropileno pura pode ser atribuído ao oxigênio adsorvido na superfície; o pico de C 1s em 284,6 eV é atribuído a CH e C-C (ver Figura 4d). Comparado com a fibra de PP pura, o tecido de PVA/PP (Figura 4e) apresenta alto desempenho em 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. Além disso, o espectro O 1s do tecido PVA/PP pode ser aproximado por dois picos em 532,3 eV e 533,2 eV41 (Fig. S4), esses picos C 1s correspondem a C–OH e H–C=O (grupos hidroxila do PVA e grupo aldeído glicose), o que é consistente com os dados de FTIR. O tecido não tecido Ag/PVA/PP retém o espectro O 1s de C-OH (532,3 eV) e HC=O (533,2 eV) (Figura S5), consistindo em 65,81% (percentual atômico) de C, 22,89% de O e 11,31% de Ag (Fig. S4). Em particular, os picos de Ag 3d5/2 e Ag 3d3/2 em 368,2 eV e 374,2 eV (Fig. 4f) comprovam ainda que as NPs de Ag estão dopadas na superfície do tecido não tecido PVA/PP42.
As curvas TGA (Fig. 4b) do PP puro, do tecido Ag/PP e do tecido Ag/PVA/PP mostram que eles sofrem processos de decomposição térmica semelhantes, e a deposição de NPs de Ag leva a um ligeiro aumento na temperatura de degradação térmica das fibras de PP. As fibras de PVA/PP (de 480 °C (fibras de PP) para 495 °C), possivelmente devido à formação de uma barreira de Ag43. Ao mesmo tempo, as quantidades residuais das amostras puras de PP, Ag/PP, Ag/PVA/PP, Ag/PVA/PP-W50 e Ag/PP-W50 após aquecimento a 800 °C foram de 1,32%, 16,26% e 13,86%, respectivamente, 9,88% e 2,12% (o sufixo W50 aqui se refere a 50 ciclos de lavagem). O restante do PP puro é atribuído a impurezas, e o restante das amostras restantes a nanopartículas de prata (Ag NPs). A diferença na quantidade residual de prata nas amostras deve-se às diferentes quantidades de nanopartículas de prata depositadas sobre elas. Além disso, após 50 lavagens do tecido Ag/PP, o teor residual de prata foi reduzido em 94,65%, e o teor residual de prata no tecido Ag/PVA/PP foi reduzido em cerca de 31,74%. Isso demonstra que o revestimento encapsulante de PVA pode melhorar efetivamente a adesão das AgNPs à matriz de PP.
Para avaliar o conforto ao vestir, foram medidas a permeabilidade ao ar e a taxa de transmissão de vapor de água do tecido de polipropileno preparado. De modo geral, a respirabilidade está relacionada ao conforto térmico do usuário, especialmente em ambientes quentes e úmidos44. Como mostrado na Figura 5a, a permeabilidade ao ar do PP puro é de 2050 mm/s e, após a modificação com PVA, diminui para 856 mm/s. Isso ocorre porque o filme de PVA formado na superfície da fibra de PP e na parte tecida ajuda a reduzir os espaços entre as fibras. Após a aplicação de nanopartículas de prata (Ag NPs), a permeabilidade ao ar do tecido de PP aumenta devido ao consumo do revestimento de PVA durante a aplicação das Ag NPs. Além disso, a respirabilidade dos tecidos Ag/PVA/PP tende a diminuir à medida que a concentração de amônia de prata aumenta de 10 para 50 mmol. Isso pode ser atribuído ao fato de que a espessura do depósito de prata aumenta com o aumento da concentração de amônia de prata, o que ajuda a reduzir o número de poros e a probabilidade de passagem de vapor de água através deles.
(a) Permeabilidade ao ar de tecidos Ag/PVA/PP preparados com diferentes concentrações de amônia de prata; (b) Transmissão de vapor de água de tecidos Ag/PVA/PP preparados com diferentes concentrações de amônia de prata; (c) Curva de tração de vários modificadores do tecido Ag/PVA/PP obtida em diferentes concentrações; (d) Curva de tração do tecido Ag/PVA/PP obtida em diferentes concentrações de amônia de prata (o tecido Ag/PVA/PP obtido com concentração de amônia de prata de 30 mM também é mostrado) (Compare com as curvas de tração dos tecidos PP após 40 ciclos de lavagem).
A taxa de transmissão de vapor de água é outro indicador importante do conforto térmico de um tecido45. Constatou-se que a permeabilidade à umidade dos tecidos é influenciada principalmente pela respirabilidade e pelas propriedades da superfície. Ou seja, a permeabilidade ao ar depende principalmente do número de poros; as propriedades da superfície afetam a permeabilidade à umidade dos grupos hidrofílicos por meio da adsorção-difusão-dessorção de moléculas de água. Como mostrado na Figura 5b, a permeabilidade à umidade da fibra de PP pura é de 4810 g/(m2·24h). Após a selagem com revestimento de PVA, o número de poros na fibra de PP diminui, mas a permeabilidade à umidade do tecido PVA/PP aumenta para 5070 g/(m2·24h), visto que sua permeabilidade à umidade é determinada principalmente pelas propriedades da superfície, e não pelos poros. Após a deposição de nanopartículas de prata (AgNPs), a permeabilidade à umidade do tecido Ag/PVA/PP aumentou ainda mais. Em particular, a permeabilidade máxima à umidade do tecido Ag/PVA/PP obtida com uma concentração de amônia de prata de 30 mM é de 10300 g/(m²·24h). Ao mesmo tempo, a diferente permeabilidade à umidade dos tecidos Ag/PVA/PP obtida com diferentes concentrações de amônia de prata pode estar associada a diferenças na espessura da camada de deposição de prata e no número de seus poros.
As propriedades mecânicas dos tecidos influenciam fortemente sua vida útil, especialmente como materiais recicláveis46. A Figura 5c mostra a curva de tensão de tração do tecido Ag/PVA/PP. A resistência à tração do PP puro é de apenas 2,23 MPa, enquanto a resistência à tração do tecido PVA/PP com 1% em peso aumenta significativamente para 4,56 MPa, indicando que o encapsulamento do tecido PVA/PP contribui para melhorar significativamente suas propriedades mecânicas. A resistência à tração e o alongamento na ruptura do tecido PVA/PP aumentam com o aumento da concentração do modificador PVA, pois o filme de PVA pode aliviar a tensão e fortalecer a fibra de PP. No entanto, quando a concentração do modificador aumenta para 1,5% em peso, o PVA aderente torna o tecido de polipropileno rígido, o que afeta seriamente o conforto ao vestir.
Em comparação com tecidos de PP puro e PVA/PP, a resistência à tração e o alongamento na ruptura dos tecidos Ag/PVA/PP são ainda maiores devido à distribuição uniforme de nanopartículas de Ag na superfície das fibras de PP, que podem distribuir a carga de forma eficiente.47,48 Observa-se que a resistência à tração da fibra Ag/PP é superior à do PP puro, atingindo 3,36 MPa (Fig. 5d), o que confirma o forte efeito de reforço das nanopartículas de Ag. Em particular, o tecido Ag/PVA/PP produzido com uma concentração de amônia de prata de 30 mM (em vez de 50 mM) apresenta a maior resistência à tração e o maior alongamento na ruptura, o que se deve à deposição uniforme das nanopartículas de Ag e à sua agregação uniforme em condições de alta concentração de amônia de prata. Além disso, após 40 ciclos de lavagem, a resistência à tração e o alongamento na ruptura do tecido Ag/PVA/PP preparado com concentração de amônia de prata de 30 mM diminuíram 32,7% e 26,8%, respectivamente (Fig. 5d), o que pode estar associado a uma pequena perda de nanopartículas de prata depositadas posteriormente.
As Figuras 6a e b mostram fotografias digitais dos tecidos Ag/PVA/PP e Ag/PP após 0, 10, 20, 30, 40 e 50 ciclos de lavagem com concentração de amônia de prata de 30 mM. Os tecidos Ag/PVA/PP e Ag/PP, de cor cinza escuro, tornam-se gradualmente cinza claro após a lavagem; e a mudança de cor do primeiro durante a lavagem não parece ser tão acentuada quanto a do segundo. Além disso, em comparação com o tecido Ag/PP, o teor de prata do tecido Ag/PVA/PP diminuiu relativamente mais lentamente após a lavagem; após 20 ou mais lavagens, o primeiro reteve um teor de prata maior do que o segundo (Fig. 6c). Isso indica que o encapsulamento das fibras de PP com revestimento de PVA pode melhorar significativamente a adesão das nanopartículas de prata (Ag NPs) às fibras de PP. A Figura 6d mostra as imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) dos tecidos Ag/PVA/PP e Ag/PP após 10, 40 e 50 ciclos de lavagem. Os tecidos Ag/PVA/PP apresentam menor perda de nanopartículas de prata (Ag NPs) durante a lavagem do que os tecidos Ag/PP, novamente porque o revestimento encapsulante de PVA ajuda a melhorar a adesão das Ag NPs às fibras de PP.
(a) Fotografias do tecido Ag/PP tiradas com uma câmera digital (com concentração de amônia de prata de 30 mM) após 0, 10, 20, 30, 40 e 50 ciclos de lavagem (1-6); (b) Fotografias dos tecidos Ag/PVA/PP tiradas com uma câmera digital (com concentração de amônia de prata de 30 mM) após 0, 10, 20, 30, 40 e 50 ciclos de lavagem (1-6); (c) Variações no teor de prata dos dois tecidos ao longo dos ciclos de lavagem; (d) Imagens de MEV do tecido Ag/PVA/PP (1-3) e do tecido Ag/PP (4-6) após 10, 40 e 50 ciclos de lavagem.
A Figura 7 mostra a atividade antibacteriana e fotografias digitais dos tecidos Ag/PVA/PP contra E. coli após 10, 20, 30 e 40 ciclos de lavagem. Após 10 e 20 lavagens, o desempenho antibacteriano dos tecidos Ag/PVA/PP manteve-se em 99,99% e 99,93%, respectivamente, demonstrando excelente atividade antibacteriana. O nível antibacteriano do tecido Ag/PVA/PP diminuiu ligeiramente após 30 e 40 lavagens, devido à perda de nanopartículas de prata (AgNPs) após lavagens prolongadas. No entanto, a taxa antibacteriana do tecido Ag/PP após 40 lavagens foi de apenas 80,16%. É evidente que o efeito antibacteriano do tecido Ag/PP após 40 ciclos de lavagem é muito inferior ao do tecido Ag/PVA/PP.
(a) Nível de atividade antibacteriana contra E. coli. (b) Para comparação, também são mostradas fotografias do tecido Ag/PVA/PP tiradas com uma câmera digital após a lavagem do tecido Ag/PP em uma concentração de amônia de prata de 30 mM por 10, 20, 30, 40 e 40 ciclos.
A Figura 8 mostra esquematicamente a fabricação em larga escala do tecido Ag/PVA/PP utilizando um processo contínuo de rolo a rolo em duas etapas. Ou seja, a solução de PVA/glicose foi imersa na estrutura do rolo por um determinado período de tempo, retirada e, em seguida, impregnada com a solução de amônia de prata da mesma maneira para obter o tecido Ag/PVA/PP (Figura 8a). O tecido Ag/PVA/PP resultante ainda mantém excelente atividade antibacteriana mesmo após 1 ano. Para a preparação em larga escala dos tecidos Ag/PVA/PP, os não-tecidos de PP resultantes foram impregnados em um processo contínuo de rolo e, em seguida, passados sequencialmente por uma solução de PVA/glicose e uma solução de amônia de prata, sendo processados por dois métodos. Vídeos anexados. O tempo de impregnação é controlado ajustando-se a velocidade do rolo, e a quantidade de solução adsorvida é controlada ajustando-se a distância entre os rolos (Fig. 8b), obtendo-se assim o tecido não tecido Ag/PVA/PP desejado de grandes dimensões (50 cm × 80 cm). ) e rolo de coleta. Todo o processo é simples e eficiente, o que facilita a produção em larga escala.
Diagrama esquemático da produção de produtos-alvo de grande porte (a) e diagrama esquemático do processo de laminação para a produção de materiais não tecidos de Ag/PVA/PP (b).
Tecidos não tecidos de PVA/PP contendo prata foram produzidos utilizando uma tecnologia simples de deposição em fase líquida in situ, combinada com o processo rolo a rolo. Comparado com o tecido de PP e o tecido de PVA/PP, as propriedades mecânicas do tecido não tecido Ag/PVA/PP preparado são significativamente aprimoradas, pois a camada de selagem de PVA melhora consideravelmente a adesão das nanopartículas de prata (Ag NPs) às fibras de PP. Além disso, a quantidade de PVA e o teor de Ag NPs no tecido não tecido Ag/PVA/PP podem ser controlados ajustando-se as concentrações da solução de PVA/glicose e da solução de amônia com prata. Em particular, o tecido não tecido Ag/PVA/PP preparado com solução de amônia com prata a 30 mM apresentou as melhores propriedades mecânicas e manteve excelente atividade antibacteriana contra E. coli mesmo após 40 ciclos de lavagem, demonstrando bom potencial anti-incrustante. Em comparação com outros dados da literatura, os tecidos obtidos por nós utilizando métodos mais simples apresentaram melhor resistência à lavagem. Além disso, o tecido não tecido Ag/PVA/PP resultante apresenta permeabilidade à umidade e conforto de uso ideais, o que pode facilitar sua aplicação em contextos industriais.
Inclua todos os dados obtidos ou analisados durante este estudo (e seus arquivos de informações complementares).
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Data da publicação: 26/11/2023