Дякуємо за відвідування Nature.com. Версія браузера, яку ви використовуєте, має обмежену підтримку CSS. Для найкращих результатів рекомендуємо використовувати новішу версію вашого браузера (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer). Тим часом, щоб забезпечити постійну підтримку, ми відображаємо сайт без стилізації та JavaScript.
Сьогодні функціональні тканини з антибактеріальними властивостями користуються більшою популярністю. Однак економічно ефективне виробництво функціональних тканин з довговічними та стабільними характеристиками залишається проблемою. Полівініловий спирт (ПВА) був використаний для модифікації нетканого матеріалу з поліпропілену (ПП), а потім наночастинки срібла (AgNPs) були нанесені in situ для отримання тканини ПП (що називається AgNPs), модифікованої ПВА та завантаженої AgNPs. /ПВА/ПП) з використанням ПВА-покриття допомагає значно покращити адгезію завантажених Ag NPs до волокон ПП, а неткані матеріали Ag/ПВА/ПП демонструють значно покращені механічні властивості та стійкість до Escherichia coli (що називається E. coli). Як правило, нетканий матеріал Ag/ПВА/ПП, виготовлений при концентрації срібного аміаку 30 мМ, має кращі механічні властивості, а рівень антибактеріального захисту від E. coli досягає 99,99%. Тканина зберігає чудову антибактеріальну активність після 40 прань і має потенціал для багаторазового використання. Крім того, нетканий матеріал Ag/ПВА/ПП має широкі перспективи застосування в промисловості завдяки своїй хорошій повітропроникності та вологопроникності. Крім того, ми також розробили технологію рулонного виробництва та провели попередні дослідження для перевірки доцільності цього методу.
З поглибленням економічної глобалізації масштабні переміщення населення значно збільшили можливість передачі вірусу, що добре пояснює, чому новий коронавірус має таку сильну здатність поширюватися по всьому світу та його важко запобігти1,2,3. У цьому сенсі існує нагальна потреба в розробці нових антибактеріальних матеріалів, таких як неткані матеріали з поліпропілену (ПП), як медичних захисних матеріалів. Нетканий матеріал з поліпропілену має переваги низької щільності, хімічної інертності та низької вартості4, але не має антибактеріальної здатності, короткого терміну служби та низької ефективності захисту. Тому дуже важливо надати нетканим матеріалам з ПП антибактеріальних властивостей.
Як давній антибактеріальний засіб, срібло пройшло п'ять стадій розвитку: колоїдний розчин срібла, сульфадіазин срібла, сіль срібла, протеїнове срібло та наносрібло. Наночастинки срібла все частіше використовуються в таких галузях, як медицина5,6, провідність7,8,9, поверхнево-посилене раманівське розсіювання10,11,12, каталітична деградація барвників13,14,15,16 тощо. Зокрема, наночастинки срібла (AgNPs) мають переваги над традиційними антимікробними засобами, такими як солі металів, четвертинні амонієві сполуки та триклозан, завдяки їхній необхідній бактеріальній стійкості, стабільності, низькій вартості та екологічній прийнятності17,18,19. Крім того, наночастинки срібла з великою питомою площею поверхні та високою антибактеріальною активністю можна прикріплювати до вовняних тканин20, бавовняних тканин21,22, поліефірних тканин та інших тканин для досягнення контрольованого, тривалого вивільнення антибактеріальних частинок срібла23,24. Це означає, що шляхом інкапсуляції AgNPs можна створювати тканини з поліпропілену з антибактеріальною активністю. Однак, неткані матеріали з ПП не мають функціональних груп і мають низьку полярність, що не сприяє інкапсуляції AgNPs. Щоб подолати цей недолік, деякі дослідники спробували нанести наночастинки Ag на поверхню тканин з ПП, використовуючи різні методи модифікації, включаючи плазмове напилення26,27, радіаційне щеплення28,29,30,31 та поверхневе покриття32. Наприклад, Голі та ін. [33] нанесли білкове покриття на поверхню нетканого матеріалу з ПП, причому амінокислоти на периферії білкового шару можуть служити опорними точками для зв'язування AgNPs, тим самим досягаючи хороших антибактеріальних властивостей. активності. Лі та його колеги34 виявили, що N-ізопропілакриламід та N-(3-амінопропіл)метакриламід гідрохлорид, спільно щеплені ультрафіолетовим (УФ) травленням, демонструють сильну антимікробну активність, хоча процес УФ-травлення є складним і може погіршити механічні властивості. волокон. . Оліані та ін. отримали гелеві плівки Ag NPs-PP з відмінною антибактеріальною активністю шляхом попередньої обробки чистого ПП гамма-опроміненням; однак їхній метод також був складним. Таким чином, залишається складним завданням ефективне та просте виробництво нетканих поліпропіленових матеріалів, придатних для вторинної переробки, з бажаною антимікробною активністю.
У цьому дослідженні для модифікації поліпропіленових тканин використовується полівініловий спирт, екологічно чистий та недорогий мембранний матеріал з хорошою плівкоутворювальною здатністю, високою гідрофільністю та чудовою фізичною та хімічною стабільністю. Глюкоза використовується як відновник36. Збільшення поверхневої енергії модифікованого ПП сприяє селективному осадженню AgNPs. Порівняно з чистою тканиною PP, підготовлена тканина Ag/PVA/PP продемонструвала хорошу перероблюваність, відмінну антибактеріальну активність проти E. coli, хороші механічні властивості навіть після 40 циклів прання, а також значну повітропроникність, стійкість до вологи та проникність.
Нетканий матеріал PP з питомою вагою 25 г/м2 та товщиною 0,18 мм був наданий компанією Jiyuan Kang'an Sanitary Materials Co., Ltd. (Цзіюань, Китай) та нарізаний на листи розміром 5×5 см2. Нітрат срібла (99,8%; AR) був придбаний у Xilong Scientific Co., Ltd. (Шаньтоу, Китай). Глюкозу було придбано у Fuzhou Neptune Fuyao Pharmaceutical Co., Ltd. (Фучжоу, Китай). Полівініловий спирт (промисловий реагент) був придбаний у Tianjin Sitong Chemical Factory (Тяньцзінь, Китай). Деіонізовану воду використовували як розчинник або ополіскувач, і її готували в нашій лабораторії. Поживний агар та бульйон були придбані у Beijing Aoboxing Biotechnology Co., Ltd. (Пекін, Китай). Штам E. coli (ATCC 25922) був придбаний у Zhangzhou Bochuang Company (Чжанчжоу, Китай).
Отриману ПП-тканину промивали ультразвуком в етанолі протягом 15 хвилин. Отриманий ПВА додавали до води та нагрівали при 95°C протягом 2 годин для отримання водного розчину. Потім глюкозу розчиняли в 10 мл розчину ПВА з масовою часткою 0,1%, 0,5%, 1,0% та 1,5%. Очищену поліпропіленову неткану тканину занурювали в розчин ПВА/глюкози та нагрівали при 60°C протягом 1 години. Після завершення нагрівання неткану тканину, просочену ПП, виймали з розчину ПВА/глюкози та сушили при 60°C протягом 0,5 години для утворення плівки ПВА на поверхні полотна, тим самим отримуючи композитний текстиль ПВА/ПП.
Нітрат срібла розчиняють у 10 мл води при постійному помішуванні за кімнатної температури та додають аміак краплями, доки розчин не змінить колір з прозорого на коричневий і знову прозорий, щоб отримати розчин срібно-аміаку (5–90 мМ). Поміщають нетканий матеріал PVA/PP у розчин срібно-аміаку та нагрівають його при 60°C протягом 1 години для утворення наночастинок Ag in situ на поверхні тканини, потім тричі промивають водою та сушать при 60°C протягом 0,5 години, щоб отримати композитний матеріал Ag/PVA/PP.
Після попередніх експериментів ми створили в лабораторії обладнання для рулонного виробництва композитних тканин у великих масштабах. Валки виготовлені з PTFE, щоб уникнути побічних реакцій та забруднення. Під час цього процесу час просочення та кількість адсорбованого розчину можна контролювати, регулюючи швидкість валків та відстань між валками для отримання бажаної композитної тканини Ag/PVA/PP.
Морфологію поверхні тканини вивчали за допомогою скануючого електронного мікроскопа VEGA3 (SEM; Japan Electronics, Японія) при прискорювальній напрузі 5 кВ. Кристалічну структуру наночастинок срібла аналізували за допомогою рентгенівської дифракції (XRD; Bruker, D8 Advanced, Німеччина; CuKα-випромінювання, λ = 0,15418 нм; напруга: 40 кВ, струм: 40 мА) в діапазоні 10–80°.2θ. Для аналізу хімічних характеристик поверхнево-модифікованої поліпропіленової тканини використовували інфрачервоний спектрометр з перетворенням Фур'є (ATR-FTIR; Nicolet 170sx, Thermo Fisher Scientific Incorporation). Вміст модифікатора ПВА у композитних тканинах Ag/PVA/PP вимірювали термогравіметричним аналізом (TGA; Mettler Toledo, Швейцарія) у потоці азоту. Для визначення вмісту срібла в композитних тканинах Ag/PVA/PP використовували мас-спектрометрію з індуктивно зв'язаною плазмою (ICP-MS, ELAN DRC II, Perkin-Elmer (Hong Kong) Co., Ltd.).
Повітропроникність та коефіцієнт паропроникності композитної тканини Ag/PVA/PP (специфікація: 78×50 см2) були виміряні стороннім випробувальним агентством (Tianfangbiao Standardization Certification and Testing Co., Ltd.) відповідно до GB/T. 5453-1997 та GB/T 12704.2-2009. Для кожного зразка для випробувань вибираються десять різних точок, а дані, надані агентством, є середнім значенням десяти точок.
Антибактеріальну активність композитної тканини Ag/PVA/PP вимірювали відповідно до китайських стандартів GB/T 20944.1-2007 та GB/T 20944.3- за допомогою методу дифузії на агарових пластинах (якісний аналіз) та методу струшування колби (кількісний аналіз) відповідно у 2008 році. Антибактеріальну активність композитної тканини Ag/PVA/PP проти Escherichia coli визначали за різного часу прання. Для методу дифузії на агарових пластинах тестова композитна тканина Ag/PVA/PP пробивають у диск (діаметр: 8 мм) за допомогою пробійника та прикріплюють до агарової чашки Петрі, інокульованої Escherichia coli (ATCC 25922). ; 3,4 × 108 КУО/мл-1), а потім інкубують при температурі 37°C та відносній вологості 56% протягом приблизно 24 годин. Зону інгібування аналізували вертикально від центру диска до внутрішнього кола навколишніх колоній. Використовуючи метод струшування колби, з випробуваної композитної тканини Ag/PVA/PP було підготовлено плоску пластину розміром 2 × 2 см2 та культивовано в бульйонному середовищі при температурі 121°C та тиску 0,1 МПа протягом 30 хвилин. Після автоклавування зразок занурювали в 5-мл колбу Ерленмейєра, що містила 70 мл бульйонного культурального розчину (концентрація суспензії 1 × 105–4 × 105 КУО/мл), а потім інкубували при коливальній температурі 150 °C, об/хв та 25°C протягом 18 годин. Після струшування збирали певну кількість бактеріальної суспензії та розводили її в десять разів. Збирали необхідну кількість розведеної бактеріальної суспензії, розподіляли її по агаровому середовищу та культивували при температурі 37°C та відносній вологості 56% протягом 24 годин. Формула для розрахунку антибактеріальної ефективності: \(\frac{\mathrm{C}-\mathrm{A}}{\mathrm{C}}\cdot 100\%\), де C та A – кількість колоній через 24 години відповідно. Культивували в контрольній групі та композитній тканині Ag/PVA/PP.
Довговічність композитних тканин Ag/PVA/PP оцінювали шляхом прання відповідно до ISO 105-C10:2006.1A. Під час прання занурювали тестову композитну тканину Ag/PVA/PP (30x40 мм2) у водний розчин, що містить комерційний мийний засіб (5,0 г/л), та перли її зі швидкістю 40±2 об/хв та 40±5 об/хв на високій швидкості, °C, 10, 20, 30, 40 та 50 циклів. Після прання тканину тричі промивали водою та сушили при температурі 50-60°C протягом 30 хвилин. Зміну вмісту срібла після прання вимірювали для визначення ступеня антибактеріальної активності.
На рисунку 1 показано схематичну діаграму виготовлення композитної тканини Ag/PVA/PP. Тобто, нетканий матеріал PP занурюють у змішаний розчин PVA та глюкози. Нетканий матеріал, просочений PP, сушать для фіксації модифікатора та відновника для утворення герметизуючого шару. Висушений нетканий матеріал з поліпропілену занурюють у розчин срібно-аміаку для осадження наночастинок срібла in situ. Концентрація модифікатора, молярне співвідношення глюкози до срібно-аміаку, концентрація срібно-аміаку та температура реакції впливають на осадження наночастинок срібла. На рисунку 2a показано залежність кута змочування води тканини Ag/PVA/PP від концентрації модифікатора. Коли концентрація модифікатора збільшується з 0,5 мас.% до 1,0 мас.%, кут змочування тканини Ag/PVA/PP значно зменшується; коли концентрація модифікатора збільшується з 1,0 мас.% до 2,0 мас.%, він практично не змінюється. На рисунку 2b показано SEM-зображення чистих PP-волокон та Ag/PVA/PP-тканин, отриманих при концентрації срібно-аміаку 50 мМ та різних молярних співвідношеннях глюкози до срібно-аміаку (1:1, 3:1, 5:1 та 9:1). . зображення. ). Отримане PP-волокно є відносно гладким. Після інкапсуляції PVA-плівкою деякі волокна склеюються; Через осадження наночастинок срібла волокна стають відносно шорсткими. Зі збільшенням молярного співвідношення відновника до глюкози осаджений шар Ag NP поступово потовщується, а зі збільшенням молярного співвідношення до 5:1 та 9:1 Ag NP схильні утворювати агрегати. Макроскопічні та мікроскопічні зображення PP-волокна стають більш однорідними, особливо коли молярне співвідношення відновника до глюкози становить 5:1. Цифрові фотографії відповідних зразків, отриманих при концентрації срібно-аміаку 50 мМ, показані на рисунку S1.
Зміни кута змочування води тканини Ag/PVA/PP при різних концентраціях PVA (a), SEM-зображення тканини Ag/PVA/PP, отримані при концентрації срібного аміаку 50 мМ та різних молярних співвідношеннях глюкози та срібного аміаку [(b))); (1) волокно PP, (2) волокно PVA/PP, (3) молярне співвідношення 1:1, (4) молярне співвідношення 3:1, (5) молярне співвідношення 5:1, (6) молярне співвідношення 9:1], рентгенівська дифрактограма (c) та SEM-зображення (d) тканини Ag/PVA/PP, отриманої при концентраціях срібного аміаку: (1) 5 мМ, (2) 10 мМ, (3) 30 мМ, (4) 50 мМ, (5) 90 мМ та (6) Ag/PP - 30 мМ. Температура реакції становить 60°C.
На рис. 2c показано дифрактограму рентгенівських променів отриманої тканини Ag/PVA/PP. Окрім дифракційного піку PP волокна 37, чотири дифракційні піки при 2θ = ∼ 37,8°, 44,2°, 64,1° та 77,3° відповідають (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), кристалічній площині (3 1 1) кубічних гранецентрованих наночастинок срібла. Зі збільшенням концентрації срібно-аміаку від 5 до 90 мМ рентгенівські дифрактограми Ag стають чіткішими, що узгоджується з подальшим збільшенням кристалічності. Згідно з формулою Шеррера, розміри зерен наночастинок Ag, отриманих з 10 мМ, 30 мМ та 50 мМ срібно-аміаку, були розраховані як 21,3 нм, 23,3 нм та 26,5 нм відповідно. Це пояснюється тим, що концентрація срібно-аміаку є рушійною силою реакції відновлення з утворенням металевого срібла. Зі збільшенням концентрації срібно-аміаку швидкість зародження та росту наночастинок срібла збільшується. На рисунку 2d показано SEM-зображення тканин Ag/PVA/PP, отриманих при різних концентраціях срібно-аміаку. При концентрації срібно-аміаку 30 мМ осаджений шар наночастинок срібла є відносно однорідним. Однак, коли концентрація срібно-аміаку занадто висока, однорідність шару осадження наночастинок срібла має тенденцію до зменшення, що може бути пов'язано з сильною агломерацією в шарі осадження наночастинок срібла. Крім того, наночастинки срібла на поверхні мають дві форми: сферичну та лускату. Розмір сферичних частинок становить приблизно 20–80 нм, а латеральний розмір пластинчастої структури становить приблизно 100–300 нм (рисунок S2). Шар осадження наночастинок срібла на поверхні немодифікованої тканини PP є нерівномірним. Крім того, підвищення температури сприяє відновленню наночастинок срібла (рис. S3), але занадто висока температура реакції не сприяє селективному осадженню наночастинок срібла.
На рисунку 3a схематично зображено взаємозв'язок між концентрацією срібно-аміаку, кількістю осадженого срібла та антибактеріальною активністю підготовленої тканини Ag/PVA/PP. На рисунку 3b показано антибактеріальні патерни зразків за різних концентрацій срібно-аміаку, що може безпосередньо відображати антибактеріальний статус зразків. Коли концентрація срібно-аміаку збільшилася з 5 мМ до 90 мМ, кількість осадженого срібла збільшилася з 13,67 г/кг до 481,81 г/кг. Крім того, зі збільшенням кількості осадженого срібла антибактеріальна активність проти E. coli спочатку зростає, а потім залишається на високому рівні. Зокрема, коли концентрація срібно-аміаку становить 30 мМ, кількість осадженого срібла в отриманій тканині Ag/PVA/PP становить 67,62 г/кг, а рівень антибактеріальності становить 99,99%, і цей зразок було обрано як репрезентативний для подальшої структурної характеристики.
(a) Зв'язок між рівнем антибактеріальної активності та кількістю нанесеного шару срібла та концентрацією срібно-аміачного розчину; (b) Фотографії планшетів для бактеріальних культур, зроблені цифровою камерою, що показують холості зразки та зразки, приготовані з використанням 5 мМ, 10 мМ, 30 мМ, 50 мМ та 90 мМ срібно-аміачного розчину. Антибактеріальна активність тканини Ag/PVA/PP проти Escherichia coli
На рисунку 4a показано спектри ІЧ-спектроскопії з перетворенням Фур'є/НПВД ПП, ПВА/ПП, Ag/ПП та Ag/ПВА/ПП. Смуги поглинання чистого ПП-волокна при 2950 см-1 та 2916 см-1 зумовлені асиметричним валентним коливанням груп –CH3 та –CH2-, а при 2867 см-1 та 2837 см-1 вони зумовлені симетричним валентним коливанням груп –CH3 та –CH2 –, –CH3 та –CH2–. Смуги поглинання при 1375 см-1 та 1456 см-1 відносяться до асиметричних та симетричних зсувних коливань –CH338.39. Спектр ІЧ-спектроскопії волокна Ag/ПП подібний до спектру волокна ПП. Окрім смуги поглинання ПП, новий пік поглинання при 3360 см-1 тканин ПВА/ПП та Ag/ПВА/ПП пояснюється розтягуванням водневого зв'язку групи –OH. Це показує, що ПВА успішно наноситься на поверхню поліпропіленового волокна. Крім того, пік поглинання гідроксильних груп тканини Ag/PVA/PP дещо слабший, ніж у тканини PVA/PP, що може бути пов'язано з координацією деяких гідроксильних груп зі сріблом.
Спектр FT-IR (a), крива TGA (b) та спектр вимірювання XPS (c) чистого PP, тканини PVA/PP та тканини Ag/PVA/PP, а також спектр C 1s чистого PP (d), тканини PVA/PP (e) та пік Ag 3d (f) тканини Ag/PVA/PP.
На рис. 4c показано спектри рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (РФЕС) тканин PP, PVA/PP та Ag/PVA/PP. Слабкий сигнал O 1s чистого поліпропіленового волокна можна пояснити адсорбованим на поверхні киснем; пік C 1s при 284,6 еВ відноситься до CH та CC (див. рис. 4d). Порівняно з чистим волокном PP, тканина PVA/PP (рис. 4e) демонструє високі характеристики при 284,6 еВ (C–C/C–H), 285,6 еВ (C–O–H), 284,6 еВ (C–C/C–H), 285,6 еВ (C–O–H) та 288,5 еВ (H–C=O)38. Крім того, спектр O 1s тканини PVA/PP можна апроксимувати двома піками при 532,3 еВ та 533,2 еВ41 (рис. S4), ці піки C 1s відповідають C–OH та H–C=O (гідроксильні групи PVA та альдегідно-глюкозна група), що узгоджується з даними FTIR. Неткана тканина Ag/PVA/PP зберігає спектр O 1s C-OH (532,3 еВ) та HC=O (533,2 еВ) (рис. S5), що складається з 65,81% (атомних відсотків) C, 22,89% O та 11,31% Ag (рис. S4). Зокрема, піки Ag 3d5/2 та Ag 3d3/2 при 368,2 еВ та 374,2 еВ (рис. 4f) додатково доводять, що наночастинки Ag леговані на поверхні нетканого матеріалу PVA/PP42.
Криві ТГА (рис. 4b) чистого PP, тканини Ag/PP та тканини Ag/PVA/PP показують, що вони зазнають подібних процесів термічного розкладу, а осадження наночастинок Ag призводить до незначного підвищення температури термічного розкладу волокон PP та волокон PVA/PP (з 480 °C (волокна PP) до 495 °C), можливо, через утворення срібного бар'єру43. Водночас залишкова кількість чистих зразків PP, Ag/PP, Ag/PVA/PP, Ag/PVA/PP-W50 та Ag/PP-W50 після нагрівання при 800 °C становила 1,32%, 16,26% та 13,86% відповідно, 9,88% та 2,12% (суфікс W50 тут стосується 50 циклів прання). Залишок чистого ПП пояснюється домішками, а решту зразків – наночастинками срібла (AG NP), і різниця в залишковій кількості зразків, завантажених сріблом, має бути зумовлена різною кількістю наночастинок срібла, завантажених на них. Крім того, після 50-кратного промивання тканини Ag/PP залишковий вміст срібла зменшився на 94,65%, а залишковий вміст срібла в тканині Ag/PVA/PP зменшився приблизно на 31,74%. Це показує, що інкапсулююче покриття PVA може ефективно покращити адгезію AgNP до матриці PP.
Для оцінки комфорту носіння було виміряно повітропроникність та швидкість передачі водяної пари підготовленої поліпропіленової тканини. Загалом кажучи, повітропроникність пов'язана з тепловим комфортом користувача, особливо в жаркому та вологому середовищі44. Як показано на рисунку 5a, повітропроникність чистого ПП становить 2050 мм/с, а після модифікації ПВА вона зменшується до 856 мм/с. Це пояснюється тим, що плівка ПВА, утворена на поверхні волокна ПП та тканої частини, допомагає зменшити проміжки між волокнами. Після нанесення наночастинок срібла повітропроникність тканини ПП збільшується через витрату покриття ПВА при нанесенні наночастинок срібла. Крім того, повітропроникність тканин Ag/ПВА/ПП має тенденцію до зниження зі збільшенням концентрації аміаку срібла від 10 до 50 ммоль. Це може бути пов'язано з тим, що товщина шару срібла збільшується зі збільшенням концентрації аміаку срібла, що допомагає зменшити кількість пор та ймовірність проходження через них водяної пари.
(a) Повітропроникність тканин Ag/PVA/PP, підготовлених з різною концентрацією срібного аміаку; (b) Паропроникність тканин Ag/PVA/PP, підготовлених з різною концентрацією срібного аміаку; (c) Різні модифікатори. Крива розтягу тканини Ag/PVA/PP, отриманої при різних концентраціях срібного аміаку; (d) Крива розтягу тканини Ag/PVA/PP, отриманої при різних концентраціях срібного аміаку (також показано тканину Ag/PVA/PP, отриману при концентрації срібного аміаку 30 мМ) (Порівняйте криві розтягу тканин PP після 40 циклів прання).
Швидкість передачі водяної пари є ще одним важливим показником теплового комфорту тканини45. Виявляється, що на вологопроникність тканин головним чином впливають повітропроникність та властивості поверхні. Тобто, повітропроникність головним чином залежить від кількості пор; властивості поверхні впливають на вологопроникність гідрофільних груп шляхом адсорбції-дифузії-десорбції молекул води. Як показано на рисунку 5b, вологопроникність чистого волокна PP становить 4810 г/(м2·24год). Після герметизації покриттям PVA кількість отворів у волокні PP зменшується, але вологопроникність тканини PVA/PP збільшується до 5070 г/(м2·24год), оскільки її вологопроникність визначається головним чином властивостями поверхні, а не порами. Після осадження AgNP вологопроникність тканини Ag/PVA/PP ще більше збільшилася. Зокрема, максимальна вологопроникність тканини Ag/PVA/PP, отримана при концентрації срібно-аміачного розчину 30 мМ, становить 10300 г/(м2·24год). Водночас, різна вологопроникність тканин Ag/PVA/PP, отриманих за різних концентрацій срібно-аміачного оксиду, може бути пов'язана з відмінностями в товщині шару срібного осадження та кількості його пор.
Механічні властивості тканин сильно впливають на термін їхньої служби, особливо якщо це матеріали, що підлягають вторинній переробці46. На рисунку 5c показано криву розтягу тканини Ag/PVA/PP. Міцність на розтяг чистого PP становить лише 2,23 МПа, тоді як міцність на розтяг тканини PVA/PP з вмістом 1 мас.% значно збільшується до 4,56 МПа, що свідчить про те, що інкапсуляція тканини PVA PP допомагає значно покращити її механічні властивості. Міцність на розтяг та подовження при розриві тканини PVA/PP збільшуються зі збільшенням концентрації модифікатора PVA, оскільки плівка PVA може розірвати напруження та зміцнити волокно PP. Однак, коли концентрація модифікатора збільшується до 1,5 мас.%, липкий PVA робить поліпропіленову тканину жорсткою, що серйозно впливає на комфорт носіння.
Порівняно з тканинами з чистого PP та PVA/PP, міцність на розтяг та подовження при розриві тканин Ag/PVA/PP додатково покращуються, оскільки наночастинки Ag, рівномірно розподілені на поверхні волокон PP, можуть розподіляти навантаження47,48. Видно, що міцність на розтяг волокна Ag/PP вища, ніж у чистого PP, досягаючи 3,36 МПа (рис. 5d), що підтверджує сильний та зміцнюючий ефект наночастинок срібла. Зокрема, тканина Ag/PVA/PP, виготовлена при концентрації аміаку срібла 30 мМ (замість 50 мМ), демонструє максимальну міцність на розтяг та подовження при розриві, що все ще зумовлено рівномірним осадженням наночастинок срібла, а також рівномірним осадженням. Агрегація наночастинок срібла в умовах високої концентрації аміаку срібла. Крім того, після 40 циклів прання міцність на розрив та видовження при розриві тканини Ag/PVA/PP, виготовленої з концентрацією срібно-аміаку 30 мМ, зменшилися на 32,7% та 26,8% відповідно (рис. 5d), що може бути пов'язано з невеликою втратою наночастинок срібла, що осіли після цього.
На рисунках 6a та b показано фотографії тканини Ag/PVA/PP та тканини Ag/PP, зроблені цифровою камерою, після прання протягом 0, 10, 20, 30, 40 та 50 циклів при концентрації срібно-аміаку 30 мМ. Темно-сіра тканина Ag/PVA/PP та тканина Ag/PP поступово стають світло-сірою після прання; причому зміна кольору першої під час прання не здається такою серйозною, як у другої. Крім того, порівняно з тканиною Ag/PP, вміст срібла в тканині Ag/PVA/PP зменшувався відносно повільно після прання; після 20 або більше разів прання перша зберігала вищий вміст срібла, ніж друга (рис. 6c). Це вказує на те, що інкапсуляція волокон PP покриттям PVA може значно покращити адгезію наночастинок срібла до волокон PP. На рисунку 6d показано SEM-зображення тканини Ag/PVA/PP та тканини Ag/PP після прання протягом 10, 40 та 50 циклів. Тканини Ag/PVA/PP менше втрачають наночастинки срібла під час прання, ніж тканини Ag/PP, знову ж таки тому, що інкапсулююче покриття PVA допомагає покращити адгезію наночастинок срібла до волокон PP.
(a) Фотографії тканини Ag/PP, зроблені цифровою камерою (зроблені при концентрації срібно-аміаку 30 мМ) після прання протягом 0, 10, 20, 30, 40 та 50 циклів (1-6); (b) Фотографії тканин, зроблені цифровою камерою (зроблені при концентрації срібно-аміаку 30 мМ) після прання протягом 0, 10, 20, 30, 40 та 50 циклів (1-6); (c) Зміни вмісту срібла в двох тканинах протягом циклів прання; (d) SEM-зображення тканини Ag/PVA/PP (1-3) та тканини Ag/PP (4-6) після 10, 40 та 50 циклів прання.
На рисунку 7 показано антибактеріальну активність та фотографії, зроблені цифровою камерою, тканин Ag/PVA/PP проти E. coli після 10, 20, 30 та 40 циклів прання. Після 10 та 20 циклів прання антибактеріальна ефективність тканин Ag/PVA/PP залишалася на рівні 99,99% та 99,93%, що демонструє чудову антибактеріальну активність. Антибактеріальний рівень тканини Ag/PVA/PP дещо знизився після 30 та 40 прань, що було пов'язано з втратою наночастинок срібла (AgNP) після тривалого прання. Однак антибактеріальний рівень тканини Ag/PP після 40 прань становить лише 80,16%. Очевидно, що антибактеріальний ефект тканини Ag/PP після 40 циклів прання значно менший, ніж у тканини Ag/PVA/PP.
(a) Рівень антибактеріальної активності проти E. coli. (b) Для порівняння також показано фотографії тканини Ag/PVA/PP, зроблені цифровою камерою після прання тканини Ag/PP при концентрації 30 мМ срібно-аміачного розчину протягом 10, 20, 30, 40 та 40 циклів.
На рис. 8 схематично показано виготовлення великомасштабної тканини Ag/PVA/PP з використанням двостадійного рулонного процесу. Тобто, розчин PVA/глюкози замочували в рулонній рамі протягом певного періоду часу, потім виймали та просочували розчином срібно-аміаку таким самим чином для отримання тканини Ag/PVA/PP (рис. 8a). Отримана тканина Ag/PVA/PP зберігає чудову антибактеріальну активність навіть після того, як її залишили на 1 рік. Для великомасштабного виробництва тканин Ag/PVA/PP отримані неткані матеріали PP просочували в безперервному процесі прокатки, а потім послідовно пропускали через розчин PVA/глюкози та розчин срібно-аміаку та обробляли двома методами. Додані відео. Час просочення контролюється регулюванням швидкості валика, а кількість адсорбованого розчину контролюється регулюванням відстані між валиками (рис. 8b), таким чином отримуючи цільову неткану тканину Ag/PVA/PP великого розміру (50 см × 80 см). та збиральний валик. Весь процес простий та ефективний, що сприяє великомасштабному виробництву.
Принципова схема виробництва великогабаритних цільових виробів (а) та принципова схема процесу вальцювання для виробництва нетканих матеріалів Ag/PVA/PP (b).
Неткані матеріали PVA/PP, що містять срібло, виготовляються за допомогою простої технології рідкофазного осадження in-situ в поєднанні з рулонним методом. Порівняно з тканиною PP та тканиною PVA/PP, механічні властивості підготовленого нетканого матеріалу Ag/PVA/PP значно покращуються, оскільки герметизуючий шар PVA може значно покращити адгезію наночастинок срібла до волокон PP. Крім того, кількість завантаженого PVA та вміст наночастинок срібла в нетканому матеріалі Ag/PVA/PP можна добре контролювати, регулюючи концентрації розчину PVA/глюкози та розчину срібно-аміаку. Зокрема, нетканий матеріал Ag/PVA/PP, виготовлений з використанням 30 мМ розчину срібно-аміаку, показав найкращі механічні властивості та зберіг чудову антибактеріальну активність проти E. coli навіть після 40 циклів прання, демонструючи хороший потенціал проти обростання. Нетканий матеріал PP. Порівняно з іншими літературними даними, тканини, отримані нами за допомогою простіших методів, показали кращу стійкість до прання. Крім того, отриманий нетканий матеріал Ag/PVA/PP має ідеальну вологопроникність та комфорт при носінні, що може полегшити його застосування в промисловому застосуванні.
Включіть усі дані, отримані або проаналізовані під час цього дослідження (та файли з допоміжною інформацією).
Рассел, С.М. та ін. Біосенсори для боротьби з цитокіновим штормом COVID-19: майбутні виклики. ACS Sens. 5, 1506–1513 (2020).
Заїм С., Чонг Дж. Х., Шанкаранараянан В. та Харкі А. COVID-19 та поліорганні реакції. current. question. heart. 45, 100618 (2020).
Чжан Р. та ін. Оцінки кількості випадків коронавірусу у 2019 році в Китаї скориговані за стадією та ендемічними регіонами. Front Medicine. 14, 199–209 (2020).
Гао Дж. та ін. Гнучкий, супергідрофобний та високопровідний нетканий поліпропіленовий композитний матеріал для захисту від електромагнітних перешкод. Chemical engineer. J. 364, 493–502 (2019).
Райхан М. та ін. Розробка багатофункціональних нанокомпозитних плівок поліакрилонітрил/срібло: антибактеріальна активність, каталітична активність, провідність, захист від ультрафіолету та активні SERS-сенсори. J. Matt. resource. technologies. 9, 9380–9394 (2020).
Даваді С., Катувал С., Гупта А., Ламічане У. та Параджулі Н. Сучасні дослідження наночастинок срібла: синтез, характеристика та застосування. J. Nanomaterials. 2021, 6687290 (2021).
Ден Да, Чень Чжі, Ху Йонг, Ма Цзянь, Тун ЮДН. Простий процес приготування струмопровідних чорнил на основі срібла та нанесення їх на частотно-селективні поверхні. Нанотехнології 31, 105705–105705 (2019).
Хао, Ю. та ін. Гіперрозгалужені полімери дозволяють використовувати наночастинки срібла як стабілізатори для струменевого друку гнучких схем. Р. Шукер. Хімічна. 43, 2797–2803 (2019).
Келлер П. та Кавасакі Х.Дж.М. Провідні мережі листових жилок, отримані шляхом самоскладання наночастинок срібла, для потенційного застосування в гнучких сенсорах. Метт. Райт. 284, 128937.1-128937.4 (2020).
Лі, Дж. та ін. Наносфери та масиви кремнезему, декоровані наночастинками срібла, як потенційні підкладки для поверхнево-посиленого комбінаційного розсіювання. ASU Omega 6, 32879–32887 (2021).
Liu, X. та ін. Великомасштабний гнучкий поверхневий датчик комбінаційного розсіювання (SERS) з високою стабільністю та однорідністю сигналу. ACS Application Matt. Interfaces 12, 45332–45341 (2020).
Сандіп, К. Г. та ін. Ієрархічна гетероструктура фулеренових наностержнів, декорованих срібними наночастинками (Ag-FNR), служить ефективним незалежним підкладкою SERS з однієї частинки. Фізика. Хімічна. Хімічна. фізика. 27, 18873–18878 (2018).
Емам, Х.Е. та Ахмед, Х.Б. Порівняльне дослідження гомометалевих та гетерометалічних наноструктур на основі агару під час деградації, каталізованої барвником. Міжнародність. J. Biol. Великі молекули. 138, 450–461 (2019).
Емам, Х.Е., Михайло, М.М., Ель-Щербіні, С., Надь, К.С. та Ахмед, Х.Б. Металозалежний нанокаталіз для зменшення ароматичних забруднювачів. Середа. наука. забруднювати. ресурс. міжнародність. 27, 6459–6475 (2020).
Ахмед Х.Б. та Емам Х.Е. Потрійні наноструктури типу «ядро-оболонка» (Ag-Au-Pd), вирощені з насіння за кімнатної температури, для потенційного очищення води. Полімерний тест. 89, 106720 (2020).
Час публікації: 26 листопада 2023 р.