Tack för att du besöker Nature.com. Den webbläsarversion du använder har begränsat CSS-stöd. För bästa resultat rekommenderar vi att du använder en nyare version av din webbläsare (eller att du stänger av kompatibilitetsläget i Internet Explorer). Under tiden, för att säkerställa fortsatt support, visar vi webbplatsen utan styling eller JavaScript.
Idag är funktionella tyger med antibakteriella egenskaper mer populära. Kostnadseffektiv produktion av funktionella tyger med hållbar och konsekvent prestanda är dock fortfarande en utmaning. Polyvinylalkohol (PVA) användes för att modifiera nonwoven-tyg av polypropen (PP), och sedan deponerades silver nanopartiklar (AgNP) in situ för att producera PVA-modifierad AgNP-laddad PP (kallad AgNP) /PVA/PP)-tyg. Inkapsling av PP-fibrer med PVA-beläggning bidrar till att avsevärt förbättra vidhäftningen av laddade Ag NP till PP-fibrer, och Ag/PVA/PP nonwoven-tyg uppvisar signifikant förbättrade mekaniska egenskaper och resistens mot Escherichia coli (kallad E. coli). Generellt sett har Ag/PVA/PP nonwoven-tyg producerat vid 30 mM silverammoniakkoncentration bättre mekaniska egenskaper, och det antibakteriella skyddet mot E. coli når 99,99 %. Tyget behåller fortfarande utmärkt antibakteriell aktivitet efter 40 tvättar och har potential för upprepad användning. Dessutom har Ag/PVA/PP non-woven-tyg breda tillämpningsmöjligheter inom industrin tack vare dess goda luftgenomsläpplighet och fuktgenomsläpplighet. Dessutom har vi även utvecklat en rulle-till-rulle-teknik och genomfört preliminära undersökningar för att testa genomförbarheten av denna metod.
I takt med den fördjupade ekonomiska globaliseringen har storskaliga befolkningsförflyttningar kraftigt ökat risken för virusöverföring, vilket förklarar varför det nya coronaviruset har en så stark förmåga att sprida sig över hela världen och är svårt att förebygga1,2,3. I denna mening finns det ett akut behov av att utveckla nya antibakteriella material, såsom polypropen (PP) nonwovens, som medicinska skyddsmaterial. Polypropen-nonwovens har fördelarna med låg densitet, kemisk inertitet och låg kostnad4, men har inte antibakteriell förmåga, kort livslängd och låg skyddseffektivitet. Därför är det av stor vikt att ge antibakteriella egenskaper till PP-nonwovens.
Som ett gammalt antibakteriellt medel har silver genomgått fem utvecklingsstadier: kolloidal silverlösning, silversulfadiazin, silversalt, proteinsilver och nanosilver. Silvernanopartiklar används i allt större utsträckning inom områden som medicin5,6, konduktivitet7,8,9, ytförstärkt Ramanspridning10,11,12, katalytisk nedbrytning av färgämnen13,14,15,16 etc. I synnerhet har silvernanopartiklar (AgNP) fördelar jämfört med traditionella antimikrobiella medel såsom metallsalter, kvaternära ammoniumföreningar och triklosan på grund av deras erforderliga bakteriella resistens, stabilitet, låga kostnad och miljömässiga acceptans17,18,19. Dessutom kan silvernanopartiklar med stor specifik yta och hög antibakteriell aktivitet fästas på ulltyger20, bomullstyger21,22, polyestertyger och andra tyger för att uppnå kontrollerad, fördröjd frisättning av antibakteriella silverpartiklar23,24. Detta innebär att genom att inkapsla AgNP är det möjligt att skapa PP-tyger med antibakteriell aktivitet. PP-nonwovens saknar dock funktionella grupper och har låg polaritet, vilket inte bidrar till inkapslingen av AgNP. För att övervinna denna nackdel har vissa forskare försökt att deponera Ag-nanopartiklar på ytan av PP-tyger med hjälp av olika modifieringsmetoder, inklusive plasmasprutning26,27, strålningsympning28,29,30,31 och ytbeläggning32. Till exempel introducerade Goli et al. [33] en proteinbeläggning på ytan av PP-nonwoven, där aminosyrorna i periferin av proteinlagret kan fungera som förankringspunkter för bindningen av AgNP, och därigenom uppnå goda antibakteriella egenskaper. Li och medarbetare34 fann att N-isopropylakrylamid och N-(3-aminopropyl)metakrylamidhydroklorid samympade genom ultraviolett (UV) etsning uppvisade stark antimikrobiell aktivitet, även om UV-etsningsprocessen är komplex och kan försämra de mekaniska egenskaperna hos fibrerna. Oliani et al. framställde Ag NP-PP-gelfilmer med utmärkt antibakteriell aktivitet genom att förbehandla ren PP med gammabestrålning; deras metod var dock också komplex. Det är således fortfarande en utmaning att effektivt och enkelt producera återvinningsbara polypropen-nonwovens med önskad antimikrobiell aktivitet.
I denna studie används polyvinylalkohol, ett miljövänligt och billigt membranmaterial med god filmbildande förmåga, hög hydrofilicitet och utmärkt fysikalisk och kemisk stabilitet, för att modifiera polypropentyger. Glukos används som reduktionsmedel36. En ökning av ytenergin hos den modifierade PP-tygen främjar den selektiva avsättningen av AgNP. Jämfört med ren PP-tyg uppvisade det framställda Ag/PVA/PP-tyget god återvinningsbarhet, utmärkt antibakteriell aktivitet mot E. coli, goda mekaniska egenskaper även efter 40 tvättcykler och betydande andningsförmåga, köns- och fuktgenomsläpplighet.
PP-fiberduken med en specifik vikt på 25 g/m2 och en tjocklek på 0,18 mm tillhandahölls av Jiyuan Kang'an Sanitary Materials Co., Ltd. (Jiyuan, Kina) och skars i ark med måtten 5×5 cm2. Silvernitrat (99,8 %; AR) köptes från Xilong Scientific Co., Ltd. (Shantou, Kina). Glukos köptes från Fuzhou Neptune Fuyao Pharmaceutical Co., Ltd. (Fuzhou, Kina). Polyvinylalkohol (reagens av industrikvalitet) köptes från Tianjin Sitong Chemical Factory (Tianjin, Kina). Avjoniserat vatten användes som lösningsmedel eller sköljmedel och bereddes i vårt laboratorium. Näringsagar och buljong köptes från Beijing Aoboxing Biotechnology Co., Ltd. (Peking, Kina). E. coli-stam (ATCC 25922) köptes från Zhangzhou Bochuang Company (Zhangzhou, Kina).
Den resulterande PP-vävnaden tvättades med ultraljud i etanol i 15 minuter. Den resulterande PVA-vätskan tillsattes till vatten och upphettades vid 95 °C i 2 timmar för att erhålla en vattenlösning. Därefter löstes glukos i 10 ml PVA-lösning med en massfraktion av 0,1 %, 0,5 %, 1,0 % och 1,5 %. Den renade polypropenfiberduken doppades i en PVA/glukoslösning och upphettades vid 60 °C i 1 timme. Efter avslutad uppvärmning avlägsnades den PP-impregnerade fiberduken från PVA/glukoslösningen och torkades vid 60 °C i 0,5 timmar för att bilda en PVA-film på banans yta, varigenom en PVA/PP-komposittextil erhölls.
Silvernitrat löses i 10 ml vatten under konstant omrörning vid rumstemperatur och ammoniak tillsätts droppvis tills lösningen ändrar färg från klar till brun och sedan klar igen för att erhålla en silverammoniaklösning (5–90 mM). Placera PVA/PP-nonwoven-tyg i silverammoniaklösningen och värm det vid 60 °C i 1 timme för att bilda Ag-nanopartiklar in situ på tygets yta, skölj sedan med vatten tre gånger och torka vid 60 °C i 0,5 timmar för att erhålla Ag/PVA/PP-komposittyg.
Efter preliminära experiment byggde vi rulle-till-rulle-utrustning i laboratoriet för storskalig produktion av kompositvävar. Valsarna är tillverkade av PTFE för att undvika negativa reaktioner och kontaminering. Under denna process kan impregneringstiden och mängden adsorberad lösning kontrolleras genom att justera valsarnas hastighet och avståndet mellan valsarna för att erhålla önskad Ag/PVA/PP-kompositväv.
Vävnadsytans morfologi studerades med hjälp av ett VEGA3-svepelektronmikroskop (SEM; Japan Electronics, Japan) vid en accelerationsspänning på 5 kV. Kristallstrukturen hos silvernanopartiklar analyserades med röntgendiffraktion (XRD; Bruker, D8 Advanced, Tyskland; Cu Kα-strålning, λ = 0,15418 nm; spänning: 40 kV, ström: 40 mA) i intervallet 10–80°. 2θ. En Fouriertransform-infrarödspektrometer (ATR-FTIR; Nicolet 170sx, Thermo Fisher Scientific Incorporation) användes för att analysera de kemiska egenskaperna hos ytmodifierad polypropentyg. PVA-modifieringsmedelshalten i Ag/PVA/PP-komposittyger mättes med termogravimetrisk analys (TGA; Mettler Toledo, Schweiz) under en kväveström. Induktivt kopplad plasmamasspektrometri (ICP-MS, ELAN DRC II, Perkin-Elmer (Hong Kong) Co., Ltd.) användes för att bestämma silverhalten i Ag/PVA/PP-komposittyger.
Luftgenomsläppligheten och vattenånggenomsläppligheten för Ag/PVA/PP-komposittyg (specifikation: 78×50 cm2) mättes av en tredjeparts testorganisation (Tianfangbiao Standardization Certification and Testing Co., Ltd.) i enlighet med GB/T. 5453-1997 och GB/T 12704.2-2009. För varje prov väljs tio olika punkter ut för testning, och de data som tillhandahålls av organisationen är medelvärdet av de tio punkterna.
Den antibakteriella aktiviteten hos Ag/PVA/PP-komposittyg mättes i enlighet med de kinesiska standarderna GB/T 20944.1-2007 och GB/T 20944.3- med hjälp av agarplattdiffusionsmetoden (kvalitativ analys) respektive skakkolvmetoden (kvantitativ analys) år 2008. Den antibakteriella aktiviteten hos Ag/PVA/PP-komposittyg mot Escherichia coli bestämdes vid olika tvättider. För agarplattdiffusionsmetoden stansas testkomposittyget Ag/PVA/PP till en skiva (diameter: 8 mm) med hjälp av en stans och fästs på en agarpetriskål inokulerad med Escherichia coli (ATCC 25922); 3,4 × 108 CFU ml-1) och inkuberas sedan vid 37 °C och 56 % relativ fuktighet i cirka 24 timmar. Hämningszonen analyserades vertikalt från skivans centrum till den inre omkretsen av de omgivande kolonierna. Med hjälp av skakkolvsmetoden framställdes en 2 × 2 cm2 plan platta av det testade Ag/PVA/PP-kompositmaterialet och autoklaverades i en buljongmiljö vid 121 °C och 0,1 MPa i 30 minuter. Efter autoklaveringen nedsänktes provet i en 5 ml Erlenmeyerkolv innehållande 70 ml buljonglösning (suspensionskoncentration 1 × 105–4 × 105 CFU/ml) och inkuberades sedan vid en oscillerande temperatur på 150 °C, rpm och 25 °C i 18 timmar. Efter skakning, samla upp en viss mängd bakteriesuspension och späd den tiofaldigt. Samla in den erforderliga mängden utspädd bakteriesuspension, fördela den på agarmedium och odla vid 37 °C och 56 % relativ fuktighet i 24 timmar. Formeln för att beräkna antibakteriell effektivitet är: \(\frac{\mathrm{C}-\mathrm{A}}{\mathrm{C}}\cdot 100\%\), där C respektive A är antalet kolonier efter 24 timmar. Odlade i kontrollgrupp och Ag/PVA/PP-kompositvävnad.
Hållbarheten hos Ag/PVA/PP-komposittyger utvärderades genom tvättning enligt ISO 105-C10:2006.1A. Under tvättningen, doppa ned testtyget av Ag/PVA/PP-komposittyg (30x40mm2) i en vattenlösning innehållande kommersiellt tvättmedel (5.0g/L) och tvätta det med 40±2 rpm och 40±5 rpm/min. hög hastighet. °C 10, 20, 30, 40 och 50 cykler. Efter tvättning sköljs tyget tre gånger med vatten och torkas vid en temperatur på 50-60 °C i 30 minuter. Förändringen i silverhalt efter tvättning mättes för att bestämma graden av antibakteriell aktivitet.
Figur 1 visar ett schematiskt diagram över tillverkningen av Ag/PVA/PP-komposittyg. Det vill säga att PP-nonwoven-materialet doppas i en blandad lösning av PVA och glukos. Det PP-impregnerade nonwoven-materialet torkas för att fixera modifierings- och reduktionsmedlet för att bilda ett tätningsskikt. Det torkade polypropen-nonwoven-materialet doppas i en silverammoniaklösning för att avsätta silvernanopartiklarna in situ. Modifieringsmedlets koncentration, molförhållandet mellan glukos och silverammoniak, koncentrationen av silverammoniak och reaktionstemperaturen påverkar utfällningen av Ag-nanopartiklar. Figur 2a visar beroendet av vattenkontaktvinkeln för Ag/PVA/PP-tyget på modifieringsmedelskoncentrationen. När modifieringsmedelskoncentrationen ökar från 0,5 viktprocent till 1,0 viktprocent minskar kontaktvinkeln för Ag/PVA/PP-tyget avsevärt; när modifieringsmedelskoncentrationen ökar från 1,0 viktprocent till 2,0 viktprocent förändras den praktiskt taget inte. Figur 2b visar SEM-bilder av rena PP-fibrer och Ag/PVA/PP-tyger framställda vid 50 mM silverammoniakkoncentration och olika molära förhållanden mellan glukos och silverammoniak (1:1, 3:1, 5:1 och 9:1). . bild. ). Den resulterande PP-fibern är relativt slät. Efter inkapsling med PVA-film limmas vissa fibrer ihop; På grund av avsättningen av silvernanopartiklar blir fibrerna relativt grova. När molförhållandet mellan reduktionsmedlet och glukos ökar, tjocknar det avsatta lagret av Ag-nanopartiklar gradvis, och när molförhållandet ökar till 5:1 och 9:1 tenderar Ag-nanopartiklar att bilda aggregat. Makroskopiska och mikroskopiska bilder av PP-fiber blir mer enhetliga, särskilt när molförhållandet mellan reduktionsmedel och glukos är 5:1. Digitala fotografier av motsvarande prover erhållna vid 50 mM silverammoniak visas i figur S1.
Förändringar i vattenkontaktvinkeln för Ag/PVA/PP-tyg vid olika PVA-koncentrationer (a), SEM-bilder av Ag/PVA/PP-tyg erhållna vid en silverammoniakkoncentration på 50 mM och olika molära förhållanden mellan glukos och silverammoniak [(b)); (1) PP-fiber, (2) PVA/PP-fiber, (3) molförhållande 1:1, (4) molförhållande 3:1, (5) molförhållande 5:1, (6) molförhållande 9:1], röntgendiffraktionsmönster (c) och SEM-bild (d) av Ag/PVA/PP-tyg erhållet vid silverammoniakkoncentrationerna: (1) 5 mM, (2) 10 mM, (3) 30 mM, (4) 50 mM, (5) 90 mM och (6) Ag/PP-30 mM. Reaktionstemperaturen är 60 °C.
I figur 2c visas röntgendiffraktionsmönstret för det resulterande Ag/PVA/PP-tyget. Förutom diffraktionstoppen för PP-fiber 37 motsvarar fyra diffraktionstoppar vid 2θ = ∼ 37,8°, 44,2°, 64,1° och 77,3° (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), kristallplanet (3 1 1) för kubiska, ytcentrerade silvernanopartiklar. När silverammoniakkoncentrationen ökar från 5 till 90 mM blir XRD-mönstren för Ag skarpare, vilket överensstämmer med en efterföljande ökning av kristalliniteten. Enligt Scherrers formel beräknades kornstorlekarna för Ag-nanopartiklar framställda med 10 mM, 30 mM och 50 mM silverammoniak till 21,3 nm, 23,3 nm respektive 26,5 nm. Detta beror på att silverammoniakkoncentrationen är den drivande kraften bakom reduktionsreaktionen för att bilda metalliskt silver. Med ökande koncentration av silverammoniak ökar kärnbildnings- och tillväxthastigheten för Ag NP. Figur 2d visar SEM-bilder av Ag/PVA/PP-tyger erhållna vid olika koncentrationer av Ag-ammoniak. Vid en silverammoniakkoncentration på 30 mM är det avsatta skiktet av Ag NP relativt homogent. Men när silverammoniakkoncentrationen är för hög tenderar Ag NP-avsättningsskiktets enhetlighet att minska, vilket kan bero på stark agglomerering i Ag NP-avsättningsskiktet. Dessutom har silvernanopartiklar på ytan två former: sfäriska och fjälliga. Den sfäriska partikelstorleken är ungefär 20–80 nm, och den lamellära laterala storleken är ungefär 100–300 nm (Figur S2). Avsättningsskiktet av Ag-nanopartiklar på ytan av omodifierad PP-tyg är ojämnt. Dessutom främjar en ökning av temperaturen reduktionen av Ag NP (Fig. S3), men en för hög reaktionstemperatur främjar inte den selektiva utfällningen av Ag NP.
Figur 3a visar schematiskt sambandet mellan silverammoniakkoncentrationen, mängden deponerat silver och den antibakteriella aktiviteten hos det framställda Ag/PVA/PP-tyget. Figur 3b visar de antibakteriella mönstren hos proverna vid olika koncentrationer av silverammoniak, vilket direkt kan återspegla provernas antibakteriella status. När silverammoniakkoncentrationen ökade från 5 mM till 90 mM ökade mängden silverutfällning från 13,67 g/kg till 481,81 g/kg. Dessutom, när mängden silverdeponering ökar, ökar den antibakteriella aktiviteten mot E. coli initialt och förblir sedan på en hög nivå. Mer specifikt, när silverammoniakkoncentrationen är 30 mM, är deponeringsmängden silver i det resulterande Ag/PVA/PP-tyget 67,62 g/kg, och den antibakteriella hastigheten är 99,99 %. Välj detta prov som representativt för efterföljande strukturell karakterisering.
(a) Samband mellan nivån av antibakteriell aktivitet och mängden applicerat Ag-lager samt koncentrationen av silverammoniak; (b) Fotografier av bakterieodlingsplattor tagna med digitalkamera som visar blankprover och prover framställda med 5 mM, 10 mM, 30 mM, 50 mM och 90 mM silverammoniak. Antibakteriell aktivitet hos Ag/PVA/PP-tyg mot Escherichia coli.
Figur 4a visar FTIR/ATR-spektra för PP, PVA/PP, Ag/PP och Ag/PVA/PP. Absorptionsbanden för ren PP-fiber vid 2950 cm⁻¹ och 2916 cm⁻¹ beror på den asymmetriska sträckningsvibrationen hos –CH3- och –CH2-grupperna, och vid 2867 cm⁻¹ och 2837 cm⁻¹ beror de på den symmetriska sträckningsvibrationen hos –CH3- och –CH2-grupperna, –CH3 och –CH2–. Absorptionsbanden vid 1375 cm⁻¹ och 1456 cm⁻¹ tillskrivs asymmetriska och symmetriska skiftvibrationer hos –CH338,39. FTIR-spektrumet för Ag/PP-fiber liknar det för PP-fiber. Förutom absorptionsbandet för PP tillskrivs den nya absorptionstoppen vid 3360 cm⁻¹ för PVA/PP- och Ag/PVA/PP-tyger sträckningen av vätebindningen i –OH-gruppen. Detta visar att PVA framgångsrikt appliceras på ytan av polypropenfiber. Dessutom är hydroxylabsorptionstoppen för Ag/PVA/PP-tyg något svagare än för PVA/PP-tyg, vilket kan bero på koordinationen av vissa hydroxylgrupper med silver.
FT-IR-spektrum (a), TGA-kurva (b) och XPS-mätspektrum (c) för ren PP, PVA/PP-tyg och Ag/PVA/PP-tyg, och C1s-spektrum för ren PP (d), PVA/PP PP-tyg (e) och Ag 3D-topp (f) för Ag/PVA/PP-tyg.
I figur 4c visas XPS-spektra för PP-, PVA/PP- och Ag/PVA/PP-tyger. Den svaga O1s-signalen för ren polypropenfiber kan tillskrivas syreelementet som adsorberats på ytan; C1s-toppen vid 284,6 eV tillskrivs CH och CC (se figur 4d). Jämfört med ren PP-fiber uppvisar PVA/PP-tyg (figur 4e) hög prestanda vid 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) och 288,5 eV (H–C=O)38. Dessutom kan O1s-spektrumet för PVA/PP-tyg approximeras med två toppar vid 532,3 eV och 533,2 eV41 (Fig. S4), dessa C1s-toppar motsvarar C–OH och H–C=O (hydroxylgrupper i PVA och aldehydglukosgrupp), vilket överensstämmer med FTIR-data. Ag/PVA/PP-nonwoven-tyget bibehåller O1s-spektrumet för C-OH (532,3 eV) och HC=O (533,2 eV) (Figur S5), bestående av 65,81 % (atomprocent) C, 22,89 % O och 11,31 % Ag (Fig. S4). I synnerhet bevisar topparna för Ag3d5/2 och Ag3d3/2 vid 368,2 eV och 374,2 eV (Fig. 4f) ytterligare att Ag-nanopartiklar är dopade på ytan av PVA/PP42-nonwoven-tyg.
TGA-kurvorna (Fig. 4b) för ren PP, Ag/PP-tyg och Ag/PVA/PP-tyg visar att de genomgår liknande termiska nedbrytningsprocesser, och avsättningen av Ag-nanopartiklar leder till en liten ökning av den termiska nedbrytningstemperaturen för PP-fibrer (från 480 °C (PP-fibrer) till 495 °C), möjligen på grund av bildandet av en Ag-barriär43. Samtidigt var de återstående mängderna av rena prover av PP, Ag/PP, Ag/PVA/PP, Ag/PVA/PP-W50 och Ag/PP-W50 efter uppvärmning vid 800 °C 1,32 %, 16,26 % respektive 13,86 %. 9,88 % respektive 2,12 % (suffixet W50 hänvisar här till 50 tvättcykler). Resten av ren PP tillskrivs föroreningar, och resten av de återstående proverna till Ag NP, och skillnaden i den återstående mängden prover laddade med silver bör bero på olika mängder silvernanopartiklar som laddats på dem. Dessutom, efter tvättning av Ag/PP-tyg 50 gånger, minskade den återstående silverhalten med 94,65%, och den återstående silverhalten i Ag/PVA/PP-tyg minskade med cirka 31,74%. Detta visar att PVA-inkapslingsbeläggning effektivt kan förbättra vidhäftningen av AgNP till PP-matrisen.
För att utvärdera bärkomforten mättes luftgenomsläppligheten och vattenånggenomsläppligheten hos det framställda polypropentyget. Generellt sett är andningsförmågan relaterad till användarens termiska komfort, särskilt i varma och fuktiga miljöer44. Som visas i figur 5a är luftgenomsläppligheten för ren PP 2050 mm/s, och efter modifiering av PVA minskar den till 856 mm/s. Detta beror på att PVA-filmen som bildas på ytan av PP-fibern och den vävda delen hjälper till att minska mellanrummen mellan fibrerna. Efter applicering av Ag NPs ökar luftgenomsläppligheten hos PP-tyget på grund av förbrukningen av PVA-beläggning vid applicering av Ag NPs. Dessutom tenderar andningsförmågan hos Ag/PVA/PP-tyger att minska när silverammoniakkoncentrationen ökar från 10 till 50 mmol. Detta kan bero på att tjockleken på silveravsättningen ökar med ökande silverammoniakkoncentration, vilket bidrar till att minska antalet porer och sannolikheten för att vattenånga passerar genom dem.
(a) Luftgenomsläpplighet hos Ag/PVA/PP-tyger framställda med olika koncentrationer av silverammoniak; (b) Vattenånggenomsläpplighet hos Ag/PVA/PP-tyger framställda med olika koncentrationer av silverammoniak; (c) Olika modifierare Draghållfasthetskurva för Ag-tyg/PVA/PP erhållet vid olika koncentrationer; (d) Draghållfasthetskurva för Ag/PVA/PP-tyg erhållet vid olika koncentrationer av silverammoniak (Ag/PVA/PP-tyg erhållet vid 30 mM silverammoniakkoncentration visas också) (Jämför draghållfasthetskurvorna för PP-tyger efter 40 tvättcykler).
Vattenångans transmissionshastighet är en annan viktig indikator på ett tygs termiska komfort45. Det visar sig att tygernas fuktgenomsläpplighet huvudsakligen påverkas av andningsförmåga och ytegenskaper. Det vill säga, luftgenomsläppligheten beror huvudsakligen på antalet porer; ytegenskaper påverkar fuktgenomsläppligheten hos hydrofila grupper genom adsorption-diffusion-desorption av vattenmolekyler. Som visas i figur 5b är fuktgenomsläppligheten för ren PP-fiber 4810 g/(m2·24h). Efter försegling med PVA-beläggning minskar antalet hål i PP-fibern, men fuktgenomsläppligheten för PVA/PP-tyget ökar till 5070 g/(m2·24h), eftersom dess fuktgenomsläpplighet huvudsakligen bestäms av ytegenskaperna, inte porerna. Efter avsättning av AgNP:er ökade fuktgenomsläppligheten för Ag/PVA/PP-tyget ytterligare. I synnerhet är den maximala fuktgenomsläppligheten för Ag/PVA/PP-tyg som erhålls vid en silverammoniakkoncentration på 30 mM 10300 g/(m2·24h). Samtidigt kan olika fuktpermeabilitet hos Ag/PVA/PP-tyger erhållna vid olika koncentrationer av silverammoniak vara förknippade med skillnader i tjockleken på silveravsättningsskiktet och antalet dess porer.
Tygernas mekaniska egenskaper påverkar starkt deras livslängd, särskilt som återvinningsbara material46. Figur 5c visar dragspänningskurvan för Ag/PVA/PP-tyg. Draghållfastheten för ren PP är endast 2,23 MPa, medan draghållfastheten för 1 viktprocent PVA/PP-tyg ökar avsevärt till 4,56 MPa, vilket indikerar att inkapslingen av PVA/PP-tyg bidrar till att avsevärt förbättra dess mekaniska egenskaper. Draghållfastheten och brottöjningen för PVA/PP-tyg ökar med ökande koncentration av PVA-modifierare eftersom PVA-filmen kan bryta spänningen och stärka PP-fibern. Men när modifierarkoncentrationen ökar till 1,5 viktprocent gör klibbig PVA polypropentyget styvt, vilket allvarligt påverkar bärkomforten.
Jämfört med rena PP- och PVA/PP-tyger förbättras draghållfastheten och brottöjningen hos Ag/PVA/PP-tyger ytterligare eftersom Ag-nanopartiklar som är jämnt fördelade på ytan av PP-fibrer kan fördela lasten47,48. Det kan ses att draghållfastheten hos Ag/PP-fiber är högre än hos ren PP och når 3,36 MPa (Fig. 5d), vilket bekräftar den starka och förstärkande effekten av Ag-nanopartiklar. I synnerhet uppvisar Ag/PVA/PP-tyget som producerats vid en silverammoniakkoncentration på 30 mM (istället för 50 mM) maximal draghållfasthet och brottöjning, vilket fortfarande beror på den enhetliga avsättningen av Ag-nanopartiklar såväl som den enhetliga avsättningen. Aggregering av silvernanopartiklar under förhållanden med hög koncentration av silverammoniak. Dessutom minskade draghållfastheten och brottöjningen hos Ag/PVA/PP-tyg framställt vid 30 mM silverammoniakkoncentration med 32,7 % respektive 26,8 % efter 40 tvättcykler (fig. 5d), vilket kan vara förknippat med en liten förlust av silvernanopartiklar som deponerats efter detta.
Figur 6a och b visar digitalkamerafotografier av Ag/PVA/PP-tyg och Ag/PP-tyg efter tvätt i 0, 10, 20, 30, 40 och 50 cykler vid 30 mM silverammoniakkoncentration. Mörkgrå Ag/PVA/PP-tyg och Ag/PP-tyg blir gradvis ljusgrå efter tvätt; och färgförändringen hos det första under tvätten verkar inte vara lika allvarlig som hos det andra. Jämfört med Ag/PP-tyg minskade dessutom silverhalten i Ag/PVA/PP-tyg relativt långsamt efter tvätt; efter tvätt 20 eller fler gånger behöll det förra en högre silverhalt än det senare (Fig. 6c). Detta indikerar att inkapsling av PP-fibrer med PVA-beläggning avsevärt kan förbättra vidhäftningen mellan Ag-nanopartiklar och PP-fibrer. Figur 6d visar SEM-bilder av Ag/PVA/PP-tyg och Ag/PP-tyg efter tvätt i 10, 40 och 50 cykler. Ag/PVA/PP-tyger upplever mindre förlust av Ag-nanopartikler under tvätt än Ag/PP-tyger, återigen eftersom PVA-inkapslingsbeläggningen hjälper till att förbättra vidhäftningen mellan Ag-nanopartikler och PP-fibrer.
(a) Fotografier av Ag/PP-tyg tagna med digitalkamera (tagna vid 30 mM silverammoniakkoncentration) efter tvätt i 0, 10, 20, 30, 40 och 50 tvättcykler (1-6); (b) Ag/PVA/PP-fotografier av tyger tagna med digitalkamera (tagna vid 30 mM silverammoniakkoncentration) efter tvätt i 0, 10, 20, 30, 40 och 50 tvättcykler (1-6); (c) Förändringar i silverhalten i de två tygerna över tvättcyklerna; (d) SEM-bilder av Ag/PVA/PP-tyg (1-3) och Ag/PP-tyg (4-6) efter 10, 40 och 50 tvättcykler.
Figur 7 visar den antibakteriella aktiviteten och digitalkamerafotografier av Ag/PVA/PP-tyger mot E. coli efter 10, 20, 30 och 40 tvättcykler. Efter 10 och 20 tvättar förblev den antibakteriella prestandan hos Ag/PVA/PP-tygerna på 99,99 % respektive 99,93 %, vilket visar utmärkt antibakteriell aktivitet. Den antibakteriella nivån hos Ag/PVA/PP-tyger minskade något efter 30 och 40 tvättar, vilket berodde på förlusten av AgNP efter långtidstvätt. Emellertid är den antibakteriella graden av Ag/PP-tyg efter 40 tvättar endast 80,16 %. Det är uppenbart att den antibakteriella effekten hos Ag/PP-tyger efter 40 tvättcykler är mycket lägre än hos Ag/PVA/PP-tyger.
(a) Nivå av antibakteriell aktivitet mot E. coli. (b) Som jämförelse visas även fotografier av Ag/PVA/PP-tyget tagna med en digitalkamera efter tvättning av Ag/PP-tyget vid 30 mM silverammoniakkoncentration i 10, 20, 30, 40 och 40 cykler.
I figur 8 visas schematiskt tillverkningen av storskalig Ag/PVA/PP-väv med hjälp av en tvåstegs rulle-till-rulle-process. Det vill säga att PVA/glukoslösningen blötlades i valsramen under en viss tidsperiod, togs sedan ut och impregnerades med silverammoniaklösning på samma sätt för att erhålla Ag/PVA/PP-väv. (Fig. 8a). Det resulterande Ag/PVA/PP-tyget behåller fortfarande utmärkt antibakteriell aktivitet även om det lämnades i 1 år. För storskalig framställning av Ag/PVA/PP-tyger impregnerades de resulterande PP-nonwoven-materialen i en kontinuerlig valsprocess och passerade sedan sekventiellt genom en PVA/glukoslösning och en silverammoniaklösning och bearbetades med två metoder. Bifogade videor. Impregneringstiden styrs genom att justera valsens hastighet, och mängden adsorberad lösning styrs genom att justera avståndet mellan valsarna (Fig. 8b), varigenom den önskade Ag/PVA/PP-nonwoven-materialet av stor storlek (50 cm × 80 cm) och uppsamlingsvalsen erhålls. Hela processen är enkel och effektiv, vilket bidrar till storskalig produktion.
Schematiskt diagram över produktionen av stora målprodukter (a) och schematiskt diagram över valsprocessen för produktion av Ag/PVA/PP nonwoven-material (b).
Silverinnehållande PVA/PP-nonwovens produceras med hjälp av en enkel in-situ-vätskefasavsättningsteknik kombinerad med rulle-till-rulle-metoden. Jämfört med PP-tyg och PVA/PP-tyg förbättras de mekaniska egenskaperna hos det framställda Ag/PVA/PP-nonwoven-tyget avsevärt eftersom PVA-tätningsskiktet kan förbättra vidhäftningen av Ag-nanopartiklar till PP-fibrer avsevärt. Dessutom kan mängden PVA och innehållet av silvernanopartiklar i Ag/PVA/PP-nonwoven-tyget kontrolleras väl genom att justera koncentrationerna av PVA/glukoslösning och silverammoniaklösning. I synnerhet visade Ag/PVA/PP-nonwoven-tyg framställt med 30 mM silverammoniaklösning de bästa mekaniska egenskaperna och bibehöll utmärkt antibakteriell aktivitet mot E. coli även efter 40 tvättcykler, vilket visar god antifoulingpotential. PP-nonwoven-material. Jämfört med annan litteraturdata visade de tygerna som vi erhöll med enklare metoder bättre tvättbeständighet. Dessutom har det resulterande Ag/PVA/PP-nonwoven-tyget idealisk fuktgenomsläpplighet och bärkomfort, vilket kan underlätta dess tillämpning i industriella tillämpningar.
Inkludera alla data som erhållits eller analyserats under denna studie (och deras kompletterande informationsfiler).
Russell, SM et al. Biosensorer för att bekämpa cytokinstormen från COVID-19: utmaningar framöver. ACS Sens. 5, 1506–1513 (2020).
Zaeem S, Chong JH, Shankaranarayanan V och Harkey A. COVID-19 och multiorganresponser. aktuell. fråga. hjärta. 45, 100618 (2020).
Zhang R, et al. Uppskattningar av antalet coronavirusfall i Kina under 2019 justeras efter stadium och endemiska regioner. front. medicine. 14, 199–209 (2020).
Gao J. et al. Flexibelt, superhydrofobt och mycket ledande nonwoven polypropenkompositmaterial för skydd mot elektromagnetisk störning. Kemiingenjör. J. 364, 493–502 (2019).
Raihan M. et al. Utveckling av multifunktionella polyakrylonitril/silver-nanokompositfilmer: antibakteriell aktivitet, katalytisk aktivitet, konduktivitet, UV-skydd och aktiva SERS-sensorer. J. Matt. resource. technologies. 9, 9380–9394 (2020).
Dawadi S, Katuwal S, Gupta A, Lamichane U och Parajuli N. Aktuell forskning om silver nanopartiklar: syntes, karakterisering och tillämpningar. J. Nanomaterials. 2021, 6687290 (2021).
Deng Da, Chen Zhi, Hu Yong, Ma Jian, Tong YDN En enkel process för att framställa silverbaserat ledande bläck och applicera det på frekvensselektiva ytor. Nanotechnology 31, 105705–105705 (2019).
Hao, Y. et al. Hyperförgrenade polymerer möjliggör användning av silver-nanopartiklar som stabilisatorer för bläckstråleutskrift av flexibla kretsar. R. Shuker. Chemical. 43, 2797–2803 (2019).
Keller P och Kawasaki HJML Konduktiva bladvensnätverk producerade genom självorganisering av silver nanopartiklar för potentiella tillämpningar i flexibla sensorer. Matt. Wright. 284, 128937.1-128937.4 (2020).
Li, J. et al. Silvernanopartikeldekorerade kiseldioxid-nanosfärer och arrayer som potentiella substrat för ytförstärkt Ramanspridning. ASU Omega 6, 32879–32887 (2021).
Liu, X. et al. Storskalig flexibel ytförstärkt Ramanspridningssensor (SERS) med hög signalstabilitet och enhetlighet. ACS Application Matt. Interfaces 12, 45332–45341 (2020).
Sandeep, KG et al. En hierarkisk heterostruktur av fulleren-nanostavar dekorerade med silver-nanopartiklar (Ag-FNR) fungerar som ett effektivt SERS-substrat som är oberoende av enskilda partiklar. fysik. Kemisk. Kemisk. fysik. 27, 18873–18878 (2018).
Emam, HE och Ahmed, HB Jämförande studie av homometalliska och heterometalliska agarbaserade nanostrukturer under färgämneskatalyserad nedbrytning. Internationalitet. J. Biol. Large molecules. 138, 450–461 (2019).
Emam, HE, Mikhail, MM, El-Sherbiny, S., Nagy, KS och Ahmed, HB Metallberoende nanokatalys för reduktion av aromatiska föroreningar. Onsdag. vetenskapen. förorena. resurs. internationalitet. 27, 6459–6475 (2020).
Ahmed HB och Emam HE Trippelkärniga (Ag-Au-Pd) nanostrukturer odlade från frön vid rumstemperatur för potentiell vattenrening. polymer. test. 89, 106720 (2020).
Publiceringstid: 26 november 2023