Благодарим вас за посещение Nature.com. Используемая вами версия браузера имеет ограниченную поддержку CSS. Для достижения наилучших результатов рекомендуем использовать более новую версию браузера (или отключить режим совместимости в Internet Explorer). В настоящее время, для обеспечения постоянной поддержки, мы отображаем сайт без стилей и JavaScript.
Сегодня функциональные ткани с антибактериальными свойствами становятся всё более популярными. Однако экономически эффективное производство функциональных тканей с долговечными и стабильными характеристиками остаётся сложной задачей. Для модификации нетканого материала из полипропилена (ПП) использовался поливиниловый спирт (ПВС), после чего наночастицы серебра (AgNP) были осаждены in situ для получения модифицированного ПВС полипропилена с наполнителем из AgNP (далее — AgNP). /ПВС/ПП) ткань. Инкапсуляция волокон ПП с помощью покрытия ПВС помогает значительно улучшить адгезию наполнителей из AgNP к волокнам ПП, а нетканые материалы Ag/ПВС/ПП демонстрируют значительно улучшенные механические свойства и устойчивость к Escherichia coli (далее — E. coli). Как правило, нетканый материал Ag/ПВС/ПП, полученный с концентрацией аммиака серебра 30 мМ, обладает лучшими механическими свойствами, а уровень антибактериальной защиты от E. coli достигает 99,99%. Ткань сохраняет превосходную антибактериальную активность после 40 стирок и имеет потенциал для многократного использования. Кроме того, нетканый материал Ag/PVA/PP имеет широкие перспективы применения в промышленности благодаря хорошей воздухопроницаемости и влагопроницаемости. Кроме того, нами разработана рулонная технология и проведены предварительные исследования для проверки её практической применимости.
С углублением экономической глобализации масштабные перемещения населения значительно увеличили вероятность передачи вируса, что хорошо объясняет, почему новый коронавирус обладает такой сильной способностью распространяться по всему миру и почему его трудно предотвратить1,2,3. В этом смысле существует острая необходимость в разработке новых антибактериальных материалов, таких как полипропиленовые (ПП) нетканые материалы, в качестве медицинских защитных материалов. Полипропиленовый нетканый материал обладает преимуществами низкой плотности, химической инертности и низкой стоимости4, но не обладает антибактериальными свойствами, коротким сроком службы и низкой эффективностью защиты. Поэтому очень важно придать антибактериальные свойства полипропиленовым нетканым материалам.
Как древнее антибактериальное средство, серебро прошло пять стадий развития: коллоидный раствор серебра, сульфадиазин серебра, соль серебра, белковое серебро и наносеребро. Наночастицы серебра все чаще используются в таких областях, как медицина5,6, электропроводность7,8,9, поверхностно-усиленное комбинационное рассеяние10,11,12, каталитическая деградация красителей13,14,15,16 и т. д. В частности, наночастицы серебра (AgNP) имеют преимущества по сравнению с традиционными антимикробными средствами, такими как соли металлов, четвертичные аммониевые соединения и триклозан, благодаря их необходимой бактериальной устойчивости, стабильности, низкой стоимости и экологической приемлемости17,18,19. Кроме того, наночастицы серебра с большой удельной площадью поверхности и высокой антибактериальной активностью могут быть прикреплены к шерстяным тканям20, хлопчатобумажным тканям21,22, полиэфирным тканям и другим тканям для достижения контролируемого, длительного высвобождения антибактериальных частиц серебра23,24. Это означает, что путем инкапсуляции AgNPs можно создавать полипропиленовые ткани с антибактериальной активностью. Однако нетканые полипропиленовые материалы не содержат функциональных групп и обладают низкой полярностью, что не способствует инкапсуляции AgNPs. Чтобы преодолеть этот недостаток, некоторые исследователи пытались наносить наночастицы Ag на поверхность полипропиленовых тканей, используя различные методы модификации, включая плазменное напыление26,27, радиационную прививку28,29,30,31 и поверхностное покрытие32. Например, Голи и соавторы [33] представили белковое покрытие на поверхности полипропиленового нетканого материала; аминокислоты на периферии белкового слоя могут служить точками связывания AgNPs, тем самым достигая хороших антибактериальных свойств. Ли и соавторы34 обнаружили, что N-изопропилакриламид и гидрохлорид N-(3-аминопропил)метакриламида, совместно привитые методом ультрафиолетового (УФ) травления, проявляют сильную антимикробную активность, хотя процесс УФ-травления сложен и может ухудшить механические свойства волокон. Олиани и соавторы получили гелевые пленки Ag NP-PP с превосходной антибактериальной активностью, предварительно обработав чистый полипропилен гамма-излучением; однако их метод также был сложным. Таким образом, эффективное и простое производство пригодных для вторичной переработки полипропиленовых нетканых материалов с желаемой антимикробной активностью остаётся сложной задачей.
В данном исследовании для модификации полипропиленовых тканей использовался поливиниловый спирт – экологически чистый и недорогой мембранный материал с хорошей пленкообразующей способностью, высокой гидрофильностью и превосходной физико-химической стабильностью. В качестве восстановителя использовалась глюкоза36. Повышение поверхностной энергии модифицированного ПП способствует селективному осаждению AgNP. По сравнению с чистым ПП, подготовленная ткань Ag/PVA/ПП продемонстрировала хорошую пригодность к вторичной переработке, превосходную антибактериальную активность против E. coli, хорошие механические свойства даже после 40 стирок, а также значительную воздухопроницаемость, влагопроницаемость и стойкость к образованию слизи.
Нетканый материал ПП с удельным весом 25 г/м2 и толщиной 0,18 мм был предоставлен компанией Jiyuan Kang'an Sanitary Materials Co., Ltd. (Цзиюань, Китай) и нарезан на листы размером 5×5 см2. Нитрат серебра (99,8%; AR) был приобретен у компании Xilong Scientific Co., Ltd. (Шаньтоу, Китай). Глюкоза была приобретена у компании Fuzhou Neptune Fuyao Pharmaceutical Co., Ltd. (Фучжоу, Китай). Поливиниловый спирт (реактив промышленного класса) был приобретен у компании Tianjin Sitong Chemical Factory (Тяньцзинь, Китай). Деионизированная вода использовалась в качестве растворителя или ополаскивателя и была приготовлена в нашей лаборатории. Питательный агар и бульон были приобретены у компании Beijing Aoboxing Biotechnology Co., Ltd. (Пекин, Китай). Штамм E. coli (ATCC 25922) был приобретен у компании Zhangzhou Bochuang Company (Чжанчжоу, Китай).
Полученную полипропиленовую ткань промывали ультразвуком в этаноле в течение 15 минут. Полученный поливиниловый спирт (ПВС) добавляли в воду и нагревали при 95 °C в течение 2 часов для получения водного раствора. Затем глюкозу растворяли в 10 мл раствора ПВС с массовой долей 0,1%, 0,5%, 1,0% и 1,5%. Очищенный полипропиленовый нетканый материал погружали в раствор ПВС/глюкозы и нагревали при 60 °C в течение 1 часа. После нагревания пропитанный ПП нетканый материал извлекали из раствора ПВС/глюкозы и высушивали при 60 °C в течение 0,5 часа для формирования пленки ПВС на поверхности полотна, получая таким образом композит ПВС/ПП.
Нитрат серебра растворяют в 10 мл воды при постоянном перемешивании при комнатной температуре и добавляют по каплям аммиак до тех пор, пока раствор не станет коричневым и снова прозрачным, чтобы получить раствор аммиака серебра (5–90 мМ). Нетканый материал ПВС/ПП помещают в раствор аммиака серебра и нагревают при 60 °C в течение 1 часа для формирования наночастиц серебра in situ на поверхности материала. Затем трижды промывают водой и сушат при 60 °C в течение 0,5 часа для получения композитного материала Ag/ПВС/ПП.
После предварительных экспериментов мы создали в лабораторных условиях рулонное оборудование для крупномасштабного производства композитных тканей. Валики изготовлены из ПТФЭ, что позволяет избежать побочных реакций и загрязнений. Время пропитки и количество адсорбируемого раствора можно контролировать, регулируя скорость вращения валиков и расстояние между ними для получения желаемого качества композитной ткани Ag/PVA/PP.
Морфологию поверхности ткани изучали с помощью сканирующего электронного микроскопа VEGA3 (СЭМ; Japan Electronics, Япония) при ускоряющем напряжении 5 кВ. Кристаллическую структуру наночастиц серебра анализировали методом рентгеновской дифракции (XRD; Bruker, D8 Advanced, Германия; излучение Cu Kα, λ = 0,15418 нм; напряжение: 40 кВ, ток: 40 мА) в диапазоне 10–80°. 2θ. Для анализа химических характеристик поверхностно-модифицированной полипропиленовой ткани использовали инфракрасный спектрометр с Фурье-преобразованием (ATR-FTIR; Nicolet 170sx, Thermo Fisher Scientific Incorporation). Содержание модификатора ПВС в композитных тканях Ag/ПВС/ПП измеряли методом термогравиметрического анализа (ТГА; Mettler Toledo, Швейцария) в токе азота. Для определения содержания серебра в композитных тканях Ag/PVA/PP использовалась масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS, ELAN DRC II, Perkin-Elmer (Hong Kong) Co., Ltd.).
Воздухопроницаемость и скорость пропускания водяного пара композитной ткани Ag/PVA/PP (характеристики: 78×50 см²) были измерены независимой испытательной организацией (Tianfangbiao Standardization Certification and Testing Co., Ltd.) в соответствии со стандартами GB/T. 5453-1997 и GB/T 12704.2-2009. Для каждого образца были выбраны десять различных точек для испытания, а предоставленные организацией данные являются средним значением этих десяти точек.
Антибактериальная активность композитной ткани Ag/PVA/PP была измерена в соответствии с китайскими стандартами GB/T 20944.1-2007 и GB/T 20944.3- с использованием метода диффузии в агаровую пластину (качественный анализ) и метода встряхивания колбы (количественный анализ). . соответственно в 2008 году. Антибактериальная активность композитной ткани Ag/PVA/PP против Escherichia coli была определена при разном времени стирки. Для метода диффузии в агаровую пластину испытуемая композитная ткань Ag/PVA/PP пробивается в диск (диаметр: 8 мм) с помощью пробойника и прикрепляется к чашке Петри с агаром, инокулированной Escherichia coli (ATCC 25922). ; 3,4 × 108 КОЕ мл-1), а затем инкубируется при температуре 37 °C и относительной влажности 56 % в течение приблизительно 24 часов. Зону ингибирования анализировали вертикально от центра диска до внутренней окружности окружающих колоний. Используя метод встряхивания колбы, из тестируемой композитной ткани Ag/PVA/PP приготовили плоскую пластину размером 2 × 2 см2 и автоклавировали в бульонной среде при 121 °C и 0,1 МПа в течение 30 минут. После автоклавирования образец погружали в колбу Эрленмейера объемом 5 мл, содержащую 70 мл бульонного культурального раствора (концентрация суспензии 1 × 105–4 × 105 КОЕ/мл), а затем инкубировали при осциллирующей температуре 150 °C. об/мин и 25 °C в течение 18 часов. После встряхивания отберите определенное количество бактериальной суспензии и разбавьте ее в десять раз. Отберите необходимое количество разбавленной бактериальной суспензии, распределите ее на агаризованной среде и культивируйте при 37 °C и относительной влажности 56% в течение 24 часов. Формула расчета антибактериальной эффективности: \(\frac{\mathrm{C}-\mathrm{A}}{\mathrm{C}}\cdot 100\%\), где C и A — количество колоний через 24 часа соответственно. Культивирование проводилось на контрольной группе и композитной ткани Ag/PVA/PP.
Стойкость композитных тканей Ag/PVA/PP оценивали путем стирки в соответствии со стандартом ISO 105-C10:2006.1A. Во время стирки погружали испытываемую композитную ткань Ag/PVA/PP (30 x 40 мм²) в водный раствор, содержащий коммерческий моющий препарат (5,0 г/л), и стирали при высокой скорости 40±2 об/мин и 40±5 об/мин/мин. Циклы стирки: 10, 20, 30, 40 и 50 °C. После стирки ткань трижды ополаскивали водой и высушивали при температуре 50–60 °C в течение 30 минут. Для определения степени антибактериальной активности измеряли изменение содержания серебра после стирки.
На рисунке 1 представлена принципиальная схема изготовления композитного материала Ag/PVA/PP. То есть нетканый материал PP погружают в смешанный раствор PVA и глюкозы. Нетканый материал, пропитанный PP, сушат для фиксации модификатора и восстановителя с образованием герметизирующего слоя. Высушенный полипропиленовый нетканый материал погружают в раствор аммиака серебра для осаждения наночастиц серебра in situ. Концентрация модификатора, молярное соотношение глюкозы к аммиаку серебра, концентрация аммиака серебра и температура реакции влияют на осаждение наночастиц Ag. являются важными факторами. На рисунке 2a показана зависимость угла смачивания водой ткани Ag/PVA/PP от концентрации модификатора. При увеличении концентрации модификатора от 0,5 мас.% до 1,0 мас.% угол смачивания ткани Ag/PVA/PP значительно уменьшается; при увеличении концентрации модификатора от 1,0 мас.% до 2,0 мас.% он практически не изменяется. На рисунке 2 б показаны СЭМ-изображения чистых волокон ПП и тканей Ag/PVA/PP, приготовленных при концентрации аммиака серебра 50 мМ и различных молярных соотношениях глюкозы к аммиаку серебра (1:1, 3:1, 5:1 и 9:1). . изображение. ). Полученное волокно ПП относительно гладкое. После инкапсуляции пленкой ПВС некоторые волокна склеиваются; из-за осаждения наночастиц серебра волокна становятся относительно шероховатыми. По мере увеличения молярного соотношения восстановителя к глюкозе осажденный слой наночастиц Ag постепенно утолщается, и по мере увеличения молярного соотношения до 5:1 и 9:1 наночастицы Ag имеют тенденцию образовывать агрегаты. Макроскопические и микроскопические изображения волокна ПП становятся более однородными, особенно при молярном соотношении восстановителя к глюкозе 5:1. Цифровые фотографии соответствующих образцов, полученных при 50 мМ аммиака серебра, показаны на рисунке S1.
Изменения угла контакта с водой ткани Ag/PVA/PP при различных концентрациях PVA (a), СЭМ-изображения ткани Ag/PVA/PP, полученные при концентрации аммиака серебра 50 мМ и различных молярных соотношениях глюкозы и аммиака серебра [(b))) ; (1) волокно PP, (2) волокно PVA/PP, (3) молярное соотношение 1:1, (4) молярное соотношение 3:1, (5) молярное соотношение 5:1, (6) молярное соотношение 9:1], рентгенограмма (c) и СЭМ-изображение (d) ткани Ag/PVA/PP, полученной при концентрациях аммиака серебра: (1) 5 мМ, (2) 10 мМ, (3) 30 мМ, (4) 50 мМ, (5) 90 мМ и (6) Ag/PP-30 мМ. Температура реакции составляет 60 °C.
На рис. 2c показана рентгенограмма полученной ткани Ag/PVA/PP. В дополнение к дифракционному пику волокна PP 37, четыре дифракционных пика при 2θ = ∼ 37,8°, 44,2°, 64,1° и 77,3° соответствуют (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), кристаллографической плоскости (3 1 1) кубических гранецентрированных наночастиц серебра. По мере увеличения концентрации аммиака серебра от 5 до 90 мМ рентгенограммы Ag становятся более резкими, что согласуется с последующим увеличением кристалличности. Согласно формуле Шеррера, размеры зерен наночастиц Ag, приготовленных с 10 мМ, 30 мМ и 50 мМ аммиака серебра, были рассчитаны как 21,3 нм, 23,3 нм и 26,5 нм соответственно. Это связано с тем, что концентрация аммиака серебра является движущей силой реакции восстановления с образованием металлического серебра. С увеличением концентрации аммиака серебра скорость зародышеобразования и роста наночастиц Ag увеличивается. На рисунке 2d показаны СЭМ-изображения тканей Ag/PVA/PP, полученных при различных концентрациях аммиака Ag. При концентрации аммиака серебра 30 мМ осажденный слой наночастиц Ag относительно однороден. Однако, когда концентрация аммиака серебра слишком высока, однородность осажденного слоя наночастиц Ag имеет тенденцию к снижению, что может быть связано с сильной агломерацией в осажденном слое наночастиц Ag. Кроме того, наночастицы серебра на поверхности имеют две формы: сферическую и чешуйчатую. Размер сферических частиц составляет приблизительно 20–80 нм, а ламеллярный латеральный размер приблизительно 100–300 нм (рисунок S2). Слой осаждения наночастиц Ag на поверхности немодифицированной ткани PP неравномерный. Кроме того, повышение температуры способствует восстановлению Ag NP (рис. S3), однако слишком высокая температура реакции не способствует селективному осаждению Ag NP.
На рисунке 3а схематически представлена взаимосвязь между концентрацией аммиака серебра, количеством осажденного серебра и антибактериальной активностью приготовленной ткани Ag/PVA/PP. На рисунке 3б показаны антибактериальные профили образцов при различных концентрациях аммиака серебра, которые могут напрямую отражать антибактериальный статус образцов. При увеличении концентрации аммиака серебра с 5 мМ до 90 мМ количество осажденного серебра увеличивалось с 13,67 г/кг до 481,81 г/кг. Кроме того, по мере увеличения количества осажденного серебра антибактериальная активность в отношении E. coli первоначально увеличивалась, а затем оставалась на высоком уровне. В частности, при концентрации аммиака серебра 30 мМ количество осажденного серебра в полученной ткани Ag/PVA/PP составляло 67,62 г/кг, а уровень антибактериальности – 99,99%. Этот образец был выбран в качестве репрезентативного для последующей структурной характеристики.
(a) Зависимость уровня антибактериальной активности от количества нанесенного слоя серебра и концентрации аммиака серебра; (b) Фотографии планшетов с бактериальными культурами, сделанные цифровой камерой, показывающие пустые образцы и образцы, приготовленные с использованием 5 мМ, 10 мМ, 30 мМ, 50 мМ и 90 мМ аммиака серебра. Антибактериальная активность ткани Ag/PVA/PP против Escherichia coli.
На рисунке 4а показаны спектры ИК-Фурье/НПВО ПП, ПВС/ПП, Ag/ПП и Ag/ПВС/ПП. Полосы поглощения чистого волокна ПП при 2950 см-1 и 2916 см-1 обусловлены асимметричными валентными колебаниями групп –CH3 и –CH2-, а при 2867 см-1 и 2837 см-1 они обусловлены симметричными валентными колебаниями групп –CH3 и –CH2 –. –CH3 и –CH2–. Полосы поглощения при 1375 см-1 и 1456 см-1 относятся к асимметричным и симметричным сдвиговым колебаниям –CH338.39. Спектр ИК-Фурье волокна Ag/ПП аналогичен спектру волокна ПП. Помимо полосы поглощения ПП, новый пик поглощения при 3360 см⁻¹ для тканей ПВС/ПП и Ag/ПВС/ПП обусловлен растяжением водородной связи –ОН-группы. Это свидетельствует об успешном нанесении ПВС на поверхность полипропиленового волокна. Кроме того, пик поглощения гидроксильных групп ткани Ag/ПВС/ПП несколько слабее, чем ткани ПВС/ПП, что может быть связано с координацией некоторых гидроксильных групп с серебром.
Спектр FT-IR (a), кривая TGA (b) и спектр измерения XPS (c) чистого ПП, ткани ПВС/ПП и ткани Ag/ПВС/ПП, а также спектр C 1s чистого ПП (d), ткани ПВС/ПП ПП (e) и пик Ag 3d (f) ткани Ag/ПВС/ПП.
На рис. 4c представлены спектры РФЭС тканей ПП, ПВС/ПП и Ag/ПВС/ПП. Слабый сигнал O 1s чистого полипропиленового волокна можно отнести к кислороду, адсорбированному на поверхности; пик C 1s при 284,6 эВ относится к CH и CC (см. рис. 4d). По сравнению с чистым ПП-волокном, ткань ПВС/ПП (рис. 4e) демонстрирует высокие характеристики при 284,6 эВ (C–C/C–H), 285,6 эВ (C–O–H), 284,6 эВ (C–C/C–H), 285,6 эВ (C–O–H) и 288,5 эВ (H–C=O)38. Кроме того, спектр O 1s ткани ПВС/ПП можно аппроксимировать двумя пиками при 532,3 эВ и 533,2 эВ41 (рис. S4), эти пики C 1s соответствуют C–OH и H–C=O (гидроксильным группам ПВС и альдегидной группе глюкозы), что согласуется с данными ИК-спектроскопии с преобразованием Фурье. Нетканый материал Ag/ПВС/ПП сохраняет спектр O 1s связей C-OH (532,3 эВ) и HC=O (533,2 эВ) (рис. S5), состоящий из 65,81% (атомных процентов) C, 22,89% O и 11,31% Ag (рис. S4). В частности, пики Ag 3d5/2 и Ag 3d3/2 при 368,2 эВ и 374,2 эВ (рис. 4f) дополнительно доказывают, что наночастицы Ag легированы на поверхности нетканого материала ПВС/ПП42.
Кривые ТГА (рис. 4б) чистого ПП, ткани Ag/ПП и ткани Ag/ПВС/ПП показывают, что они подвергаются схожим процессам термического разложения, а осаждение наночастиц серебра приводит к небольшому повышению температуры термического разложения волокон ПВС/ПП (с 480 °C (волокна ПП) до 495 °C), возможно, из-за образования барьера Ag43. В то же время остаточные количества чистых образцов ПП, Ag/ПП, Ag/ПВС/ПП, Ag/ПВС/ПП-W50 и Ag/ПП-W50 после нагревания при 800 °C составили 1,32%, 16,26% и 13,86%. % соответственно 9,88% и 2,12% (суффикс W50 здесь относится к 50 циклам стирки). Остаток чистого ПП приходится на примеси, а остаток оставшихся образцов – на наночастицы серебра, а разница в остаточном количестве образцов, нагруженных серебром, должна быть обусловлена разным количеством наночастиц серебра, нанесенных на них. Кроме того, после 50-кратной стирки ткани Ag/ПП остаточное содержание серебра снизилось на 94,65%, а в ткани Ag/ПВС/ПП – примерно на 31,74%. Это свидетельствует о том, что инкапсулирующее покрытие ПВС может эффективно улучшить адгезию наночастиц серебра к матрице ПП.
Для оценки комфорта при носке были измерены воздухопроницаемость и скорость пропускания водяного пара подготовленной полипропиленовой ткани. В целом, воздухопроницаемость связана с тепловым комфортом пользователя, особенно в условиях высокой температуры и влажности44. Как показано на рисунке 5а, воздухопроницаемость чистого ПП составляет 2050 мм/с, а после модификации ПВС она снижается до 856 мм/с. Это связано с тем, что пленка ПВС, образующаяся на поверхности волокон ПП и тканого материала, способствует уменьшению зазоров между волокнами. После нанесения наночастиц серебра воздухопроницаемость ПП-ткани увеличивается за счет расхода покрытия ПВС при нанесении наночастиц серебра. Кроме того, воздухопроницаемость тканей Ag/ПВС/ПП имеет тенденцию к снижению с увеличением концентрации аммиака серебра от 10 до 50 ммоль. Это может быть связано с тем, что толщина слоя серебра увеличивается с увеличением концентрации аммиака серебра, что способствует уменьшению количества пор и вероятности прохождения через них водяного пара.
(a) Воздухопроницаемость тканей Ag/PVA/PP, приготовленных с различными концентрациями аммиака серебра; (b) Пропускание водяного пара тканями Ag/PVA/PP, приготовленными с различными концентрациями аммиака серебра; (c) Различные модификаторы Кривая растяжения ткани Ag/PVA/PP, полученная при различных концентрациях; (d) Кривая растяжения ткани Ag/PVA/PP, полученная при различных концентрациях аммиака серебра (также показана ткань Ag/PVA/PP, полученная при концентрации аммиака серебра 30 мМ) (Сравните кривые растяжения тканей PP после 40 циклов стирки).
Скорость пропускания водяного пара является еще одним важным показателем теплового комфорта ткани45. Оказывается, что влагопроницаемость тканей в основном зависит от воздухопроницаемости и поверхностных свойств. То есть воздухопроницаемость в основном зависит от количества пор; поверхностные свойства влияют на влагопроницаемость гидрофильных групп через адсорбцию-диффузию-десорбцию молекул воды. Как показано на рисунке 5б, влагопроницаемость чистого волокна ПП составляет 4810 г/(м2 · 24 ч). После герметизации покрытием ПВС количество отверстий в волокне ПП уменьшается, но влагопроницаемость ткани ПВС/ПП увеличивается до 5070 г/(м2 · 24 ч), поскольку ее влагопроницаемость в основном определяется свойствами поверхности, а не порами. После осаждения наночастиц серебра влагопроницаемость ткани Ag/ПВС/ПП еще больше увеличилась. В частности, максимальная влагопроницаемость ткани Ag/ПВС/ПП, полученной при концентрации аммиака серебра 30 мМ, составляет 10300 г/(м2·24 ч). При этом различная влагопроницаемость тканей Ag/ПВС/ПП, полученных при разной концентрации аммиака серебра, может быть связана с различиями в толщине осажденного слоя серебра и количестве его пор.
Механические свойства тканей сильно влияют на их срок службы, особенно в качестве перерабатываемых материалов46. На рисунке 5c показана кривая напряжения растяжения ткани Ag/PVA/PP. Прочность на разрыв чистого PP составляет всего 2,23 МПа, в то время как прочность на разрыв ткани PVA/PP с 1 мас. % значительно увеличивается до 4,56 МПа, что указывает на то, что инкапсуляция ткани PVA PP помогает значительно улучшить ее механические свойства. свойства. Прочность на разрыв и удлинение при разрыве ткани PVA/PP увеличиваются с увеличением концентрации модификатора PVA, поскольку пленка PVA может разрушить напряжение и укрепить волокно PP. Однако, когда концентрация модификатора увеличивается до 1,5 мас. %, липкий PVA делает полипропиленовую ткань жесткой, что серьезно влияет на комфорт при ношении.
По сравнению с тканями из чистого ПП и ПВС/ПП прочность на разрыв и удлинение при разрыве тканей из Ag/ПВС/ПП дополнительно улучшены, поскольку наночастицы Ag, равномерно распределенные на поверхности волокон ПП, могут распределять нагрузку47,48. Видно, что прочность на разрыв волокна Ag/ПП выше, чем у чистого ПП, достигая 3,36 МПа (рис. 5d), что подтверждает сильный и укрепляющий эффект наночастиц Ag. В частности, ткань из Ag/ПВС/ПП, полученная при концентрации аммиака серебра 30 мМ (вместо 50 мМ), демонстрирует максимальную прочность на разрыв и удлинение при разрыве, что по-прежнему обусловлено равномерным осаждением наночастиц Ag, а также равномерным осаждением. Агрегация наночастиц серебра в условиях высокой концентрации аммиака серебра. Кроме того, после 40 циклов стирки прочность на разрыв и удлинение при разрыве ткани Ag/PVA/PP, приготовленной при концентрации аммиака серебра 30 мМ, снизились на 32,7% и 26,8% соответственно (рис. 5d), что может быть связано с небольшой потерей осажденных после этого наночастиц серебра.
На рисунках 6a и b показаны фотографии ткани Ag/PVA/PP и ткани Ag/PP, сделанные цифровой камерой после стирки в течение 0, 10, 20, 30, 40 и 50 циклов при концентрации аммиака серебра 30 мМ. Темно-серые ткани Ag/PVA/PP и ткани Ag/PP постепенно становятся светло-серыми после стирки; и изменение цвета первой во время стирки, по-видимому, не так серьезно, как у второй. Кроме того, по сравнению с тканью Ag/PP, содержание серебра в ткани Ag/PVA/PP уменьшалось относительно медленно после стирки; после 20 и более стирок первая сохраняла более высокое содержание серебра, чем вторая (рис. 6c). Это указывает на то, что инкапсуляция волокон PP с покрытием PVA может значительно улучшить адгезию наночастиц Ag к волокнам PP. На рисунке 6d показаны изображения ткани Ag/PVA/PP и ткани Ag/PP, полученные с помощью СЭМ, после стирки в течение 10, 40 и 50 циклов. Ткани Ag/PVA/PP теряют меньше Ag NP во время стирки, чем ткани Ag/PP, опять же потому, что инкапсулирующее покрытие PVA помогает улучшить адгезию Ag NP к волокнам PP.
(a) Фотографии ткани Ag/PP, сделанные цифровой камерой (сделанные при концентрации аммиака серебра 30 мМ) после стирки в течение 0, 10, 20, 30, 40 и 50 циклов (1–6); (b) Фотографии тканей Ag/PVA/PP, сделанные цифровой камерой (сделанные при концентрации аммиака серебра 30 мМ) после стирки в течение 0, 10, 20, 30, 40 и 50 циклов (1–6); (c) Изменения содержания серебра в двух тканях в течение циклов стирки; (d) СЭМ-изображения ткани Ag/PVA/PP (1–3) и ткани Ag/PP (4–6) после 10, 40 и 50 циклов стирки.
На рисунке 7 показана антибактериальная активность и фотографии, сделанные цифровой камерой, тканей Ag/PVA/PP против E. coli после 10, 20, 30 и 40 стирок. После 10 и 20 стирок антибактериальные свойства тканей Ag/PVA/PP оставались на уровне 99,99% и 99,93%, демонстрируя превосходную антибактериальную активность. Уровень антибактериальной активности ткани Ag/PVA/PP немного снизился после 30 и 40 стирок, что было связано с потерей AgNP после длительной стирки. Однако уровень антибактериальной активности ткани Ag/PP после 40 стирок составляет всего 80,16%. Очевидно, что антибактериальный эффект ткани Ag/PP после 40 стирок значительно ниже, чем у ткани Ag/PVA/PP.
(a) Уровень антибактериальной активности в отношении E. coli. (b) Для сравнения также показаны фотографии ткани Ag/PVA/PP, сделанные цифровой камерой после стирки ткани Ag/PP в растворе аммиака серебра с концентрацией 30 мМ в течение 10, 20, 30, 40 и 40 циклов.
На рис. 8 схематически показано изготовление крупномасштабной ткани Ag/PVA/PP двухстадийным методом «от рулона к рулону». То есть, раствор ПВА/глюкозы замачивался в рамке валика в течение определенного времени, затем извлекался и пропитывался раствором аммиака серебра тем же способом для получения ткани Ag/PVA/PP (рис. 8a). Полученная ткань Ag/PVA/PP сохраняет превосходную антибактериальную активность даже после хранения в течение года. Для крупномасштабного изготовления тканей Ag/PVA/PP полученные нетканые материалы из ПП пропитывались в непрерывном рулонном процессе, а затем последовательно пропускались через раствор ПВА/глюкозы и раствор аммиака серебра и обрабатывались двумя способами. Прикрепленные видео. Время пропитки регулируется регулировкой скорости вращения валика, а количество адсорбированного раствора — регулировкой расстояния между валками (рис. 8б), что позволяет получать целевой нетканый материал Ag/PVA/PP большого размера (50 см × 80 см) и валик для сбора. Весь процесс прост и эффективен, что способствует крупномасштабному производству.
Принципиальная схема производства крупногабаритных целевых изделий (а) и принципиальная схема рулонного процесса производства нетканых материалов Ag/PVA/PP (б).
Серебросодержащие нетканые материалы ПВС/ПП производятся с использованием простой технологии жидкофазного осаждения in situ в сочетании с рулонным методом. По сравнению с тканью ПП и тканью ПВС/ПП, механические свойства подготовленного нетканого материала Ag/ПВС/ПП значительно улучшены, поскольку герметизирующий слой ПВС может значительно улучшить адгезию наночастиц серебра к волокнам ПП. Кроме того, количество наносимого ПВС и содержание наночастиц серебра в нетканом материале Ag/ПВС/ПП можно хорошо контролировать, регулируя концентрации раствора ПВС/глюкозы и раствора аммиака серебра. В частности, нетканый материал Ag/ПВС/ПП, изготовленный с использованием 30 мМ раствора аммиака серебра, показал наилучшие механические свойства и сохранил отличную антибактериальную активность против E. coli даже после 40 циклов стирки, демонстрируя хороший противообрастающий потенциал. Нетканый материал ПП. По сравнению с другими литературными данными, материалы, полученные нами с использованием более простых методов, показали лучшую устойчивость к стирке. Кроме того, полученный нетканый материал Ag/PVA/PP обладает идеальной влагопроницаемостью и комфортом при носке, что может облегчить его применение в промышленных целях.
Включите все данные, полученные или проанализированные в ходе этого исследования (и подтверждающие их информационные файлы).
Рассел, С.М. и др. Биосенсоры для борьбы с цитокиновым штормом COVID-19: предстоящие задачи. ACS Sens. 5, 1506–1513 (2020).
Заим С., Чонг Дж. Х., Шанкаранараянан В. и Харки А. COVID-19 и мультиорганные реакции. Текущий. Вопрос. Сердце. 45, 100618 (2020).
Чжан Р. и др. Оценки числа случаев коронавируса в Китае в 2019 году скорректированы по стадии и эндемичным регионам. front. medicine. 14, 199–209 (2020).
Гао Дж. и др. Гибкий, супергидрофобный и высокопроводящий нетканый полипропиленовый композитный материал для защиты от электромагнитных помех. Химическая инженерия. Журнал 364, 493–502 (2019).
Райхан М. и др. Разработка многофункциональных нанокомпозитных пленок полиакрилонитрила/серебра: антибактериальная активность, каталитическая активность, проводимость, защита от УФ-излучения и активные сенсоры SERS. J. Matt. resource. technologies. 9, 9380–9394 (2020).
Давади С., Катувал С., Гупта А., Ламичане У. и Параджули Н. Современные исследования наночастиц серебра: синтез, характеристика и применение. Журнал наноматериалов. 2021, 6687290 (2021).
Дэн Да, Чэнь Чжи, Ху Юн, Ма Цзянь, Тун YDN Простой процесс приготовления проводящих чернил на основе серебра и их нанесения на частотно-селективные поверхности. Нанотехнологии 31, 105705–105705 (2019).
Хао, И. и др. Гиперразветвлённые полимеры позволяют использовать наночастицы серебра в качестве стабилизаторов для струйной печати гибких схем. Р. Шукер. Химия. 43, 2797–2803 (2019).
Келлер П. и Кавасаки Х.Дж.М.Л. Проводящие сети жилок листьев, полученные путем самосборки наночастиц серебра для потенциального применения в гибких датчиках. Мэтт. Райт. 284, 128937.1-128937.4 (2020).
Ли, Дж. и др. Наносферы и массивы кремниевых наносфер, декорированные серебряными наночастицами, как потенциальные субстраты для поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния. ASU Omega 6, 32879–32887 (2021).
Лю, С. и др. Крупногабаритный гибкий датчик комбинационного рассеяния (SERS) с высокой стабильностью и однородностью сигнала. ACS Application Matt. Интерфейсы 12, 45332–45341 (2020).
Сандип, К.Г. и др. Иерархическая гетероструктура фуллереновых наностержней, декорированных наночастицами серебра (Ag-FNR), служит эффективным одночастичным независимым субстратом SERS. Физика. Химия. Химия. Физика. 27, 18873–18878 (2018).
Эмам, Х.Э. и Ахмед, Х.Б. Сравнительное исследование гомометаллических и гетерометаллических наноструктур на основе агара в процессе деградации, катализируемой красителем. Интернациональность. Журнал биологии. Большие молекулы. 138, 450–461 (2019).
Эмам, Х.Э., Михаил, М.М., Эль-Щербини, С., Надь, К.С. и Ахмед, Х.Б. Металлозависимый нанокатализ для снижения содержания ароматических загрязнителей. Среда. Наука. Загрязнять. Ресурс. Интернациональность. 27, 6459–6475 (2020).
Ахмед Х.Б. и Эмам Х.Э. Наноструктуры с тройным ядром и оболочкой (Ag-Au-Pd), выращенные из семян при комнатной температуре, для потенциальной очистки воды. Полимер. Тест. 89, 106720 (2020).
Время публикации: 26 ноября 2023 г.