Влияние наночастиц золота на свойства полиакрилонитрильных текстильных материалов

2. Мырхалыков Ж.У., Ташменов Р.С., Джанпаизова В.М., Совершенствование технологии производства медицинской марли с использованием волокнистых отходов. International scientific journal SCIENCE AND WORLD № 8 (12), 2014,Vol. I

3. Мырхалыков Ж.У., Ташменов Р.С. Способ получения пряжи с добавлением регенерированных отходов. /Заключение о выдаче инновационного патента на изобретение. - № 2013/0670.1.

4. Полякова Д.А.,Чулков Н.М. Рациональное использование отходов производства.- М., 1984.- С 284.

5. Проспекты оборудования и СD диски фирм Truetzschler, Rieter, Balkantekstila, Marzolu, Zinzer

ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ ЗОЛОТА НА СВОЙСТВА ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛЬНЫХ

ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Добровольская Татьяна Александровна

Канд. техн. наук, доцент кафедры дизайна и технологии изделий легкой промышленности, г. Курск

АННОТАЦИЯ

Анализируются результаты моделирования рамановских спектрограмм полиакрилонитрильных волокон при нанесении на них наночастиц золота. Представлены результаты исследования влияния наночастиц золота на изменение утилитарных свойств полиакрилонитрильных трикотажных полотен.

ABSTRACT

The results of the simulation Raman spectrograms polyacrylonitrile fibers when applied to these gold nanoparticles. The effect of gold nanoparticles to modify the utilitarian properties ofpolyacrylonitrile knitted fabric.

Ключевые слова: полиакрилонитрильное волокно, наночастицы коллоидного золота, рамановские спектры, математическое моделирование, фоновые люминесцентные составляющие рамановских спектров

Keywords: acrylic fiber, colloidal gold nanoparticles, Raman spectra, mathematical modeling, background fluorescent components of the Raman spectra

Проблема диверсификации ассортимента текстильных материалов для изделий легкой промышленности может быть решена, в том числе, и посредством внедрения в текстильное производство нанотехнологий. Расширение ассортимента в современных условиях продиктовано стремлением к улучшению качества текстильных изделий по целой совокупности признаков (комплексному показателю). Необходимость модификации текстильных материалов наночастицами металлов объясняется стремлением придать материалам для изделий легкой промышленности специфические утилитарные способности, например, к обеззараживанию и нейтрализации микроорганизмов, улучшению гигиенических свойства изделий.

Для проведения экспериментальных работ были выбраны образцы трикотажных полиакрилонитрильных (ПАН) полотен, вырабатываемый на предприятии Концерн «Курсктрикотажпром».

Образцы были обработаны коллоидным водным раствором наночастиц золота АиБион-2 (ТУ 9154-00193099853-06)», разработанный ООО НПО «БИОТЕСТ, в концентрациях 5%, 11%, 17%. Применялось высушивание данных образцов в разных условиях: естественных и в сушильном шкафу (время сушки 15 минут при температуре 120 °С).

С целью разработки метода контроля малого количества наночастиц золота и выявления влияния наноча-стиц золота на изменение свойств ПАН волокон разработана программа проверки исследований, которая включает следующие этапы:

1. Обработка материалов наночастицами золота в разных концентрациях.

2. Получение рамановских спектров до и после обработки текстильных материалов наночастичами золота в разных концентрациях.

3. Обработка полученных рамановских спектрограмм с использованием математических методов.

4. Разработка математической модели рамановских спектров.

5. Исследование изменения гигиенических свойств трикотажных полотен при нанесении наночастиц золота.

6. Исследование изменения биологических свойств трикотажных полотен при нанесении наночастиц золота.

7. Построение комплексного показателя качества трикотажных полотен до и после обработки наночасти-цами золота.

С целью проведения эксперимента была разработана методика приготовления и исследования образцов волокон на атомно-силовом микроскопе (АСМ). Образцы элементарных волокон были обработаны в 5%, 11% и 17% растворах наночастиц золота с размером 10нм и 5,5 нм в условиях кафедры химии Юго-Западного государственного университета (ЮЗГУ).

С целью изучения поверхности и контроля трикотажных материалов, модифицированных металлическими наночастицами золота, в работе проводилось исследование элементарных волокон с помощью обработки их на атомно-молекулярном уровне с применением отечественных методов АсМ на приборах: ¿о^ег-Р47 и Solver-РRO. Исследование проводилось на базе лаборатории нанотех-нологий ЮЗГУ. В результате были получены рамановские спектрограммы, которые выборочно представлены на рисунке 1.

Для проведения математического моделирования рамановских спектров с целью выявления малого количества наночастиц золота на первом этапе был предложен метод компьютерного моделирования фоновых составляющих рамановских спектров.

Учет фоновой люминесцентной составляющей производился путем их оцифровки. Выборочно результаты приведены на рисунке 2.

600

400

Ei ,1 200

-200'-

3

- 5x10

.

3x10

2x10

E1i ,1

1x10

5x10

1x10

- 1x10

Ei ,0

1x10 2x10 E1i л

3x10

а б

Рисунок 1. Спектрограммы рамановского комбинационного рассеяния света: а - спектрограмма ПАН волокна без наночастиц золота 5,5 нм; б - спектрограмма ПАН волокна с нанесенными наночастицами золота 5,5 нм, высушенного

в естественных условиях

При этом аналитический вид фоновых люминесцентных составляющих спектрограмм представлен математической моделью (1), которая была получена регрессией с использованием нескольких отрезков полинома, реализуемой комбинацией встроенных функций программы Mathcad loess и interp [1, с. 9]:

X.. := Al Л а и,0

kl := 03

Y := Al . и a.l

:=1се25

Полученные в результате моделирования графические данные оцифрованных фоновых люминесцентных составляющих спектрограмм А1(Хл), А_1(ХШ) в зависимости от волновых составляющих Хи, Х1и и начальных

составляющих спектрограмм Eil, Elil в зависимости от волновых составляющих Ei0, ЕЮ представлены на рисунке 2.

Результаты математического моделирования фоновых составляющих и начального спектра дают возможность математического вычитания из начального спектра фоновых составляющих и, таким образом, можно избавиться от фоновых люминесцентных составляющих рама-новских спектрограмм [2, с. 38]. Анализ результатов, полученных в результате вычитания спектров, показал, что интенсивность спектра волокна, обработанного наноча-стицами золота, высушенного в различных условиях отличается от интенсивност спектра не обработанного волокна.

Проведем нормировку спектральных составляющих относительно пика Ei0=2280 см-1 спектра волокна без наночастиц золота. В результате на рисунке 3 выборочно представлены нормированные спектрограммы без фоновых люминесцентных составляющих.

0

0

0

0

600

Ei ,1

A1

200

E1i,1

A_1

- 200 - 5x1c3

0 5x10

Ei, 0, Xii

E1i,0,X1ü

а б

Рисунок 2. Совместные графические данные оцифрованных фоновых люминесцентных и начальных составляющих спектрограмм: а - спектрограмма ПАН волокна без наночастиц золота 5,5 нм; б - спектрограмма ПАН волокна с нанесенными наночастицами золота, высушенного в естественных условиях 5,5 нм

Сравнительный анализ моделирования фоновых составляющих всех образцов показал, что интенсивность спектров ПАН-волокон, обработанных наночастицами золота выше интенсивности необработанных волокон.

На следующем этапе было проведено математическое моделирование параметров пиков спектров волокон в программе Matead [3] с использованием функции dnorm

ческое отклонение):

По аналогии в соответствии с выражением (2) было проведено моделирование всех образцов без наночастиц золота и с наночастицами коллоидного золота при высушивании в различных условиях.

Графические результаты моделирования представлены на рисунке 4.

ЕМ-Л1(В^0)+3200

(ш 1^4 *

300

1_ « Г 100 0

/Ал^

1x10 2x10 3x10

Е1|.О.Е11.0

О 2x10* 4Х103 бхЮ3 8x10*

^.оЛ.о

а б

Рисунок 3. Нормированные спектрограммы относительно пика ЕЮ=2283 см-1 без фоновых люминесцентных составляющих: а - спектрограмма ПАН волокна без наночастиц золота 5,5 нм; б - спектрограмма ПАН волокна с нанесенными наночастицами золота 5,5 нм, высушенного в естественных условиях

Е)д-А1

4.63

Е21 1-А_2

6.2

ЕЗ, 1-А_з

Л 'Л

/ * 1\ > м / * И /г \ / *

/ 1 | / V: / » 'л/ У ч- \

/ У <» \'ш.. \

2ЛЧ03 2200

2.25x10' 2.3 х10*

Е10,Е1^|)+24.8,Е2(.0+27.5,ЕЗ|.0+24.8

2.35Х103

2350

Рисунок 4. Графики пиков начальных составляющих спектров в без наночастиц золота и с наночастицами золота

Анализ результатов моделирования показал, что наблюдается значительное уменьшение разброса пиков спектрограмм ПАН-волокон, модифицированных наноча-стицами золота. При этом способ высушивания практически не имеет значения. При этом кроме различной интенсивности спектров наблюдается разница волновых чисел рамановских спектров обработанных и необработанных волокон, что наглядно подтверждается совмещенными графиками пиков на рисунке 4.

Для исследования изменений свойств ПАН-материалов были проведены испытания в условиях кафедры физической химии и химической технологии ЮЗГУ. Результаты определения гигроскопических свойств, исследуемых образцов представлены в таблице 1.

Анализ результатов показывает увеличение показателей фактической влажности на 33,3 %, гигроскопичности на 32,9 %, влагоотдачи на 13,6 % а также значительное увеличение капиллярности образцов, обработанных нано-частицами золота, по сравнению с необработанными через 10 - 40 минут обработки.

Для комплексной оценки качества (КПК) исследуемых образцов построена диаграмма комплексного показателя качества на основании данных таблицы 1.

Увеличение площади фигуры для образцов с нано-частицами золота свидетельствует о комплексном улучшении свойств полиакрилонитрильных материалов, модифицированных наночастицами золота.

Также было проведено микробиологическое иссле- стафилококком (170 кое в 1,0). Графические результаты

дование образцов ПАН материала, модифицированного проведенного исследования представлены на рисунках наночастицами золота, следующими видами микроорга- 6,7. низмов: кишечной палочкой (170 кое в 1,0) и золотистым

Таблица 1

Результаты исследования свойств образцов ПАН волокон_

№ п/п Исследуемое свойство ПАН волокно без наночастиц ПАН волокно с наночастицами

1 Фактическая влажность, % 1,05 1,4

2 Гигроскопичность, % 1,58 2,1

3 Влагоотдача, % 22 25

4 Капилярность: 10 мин 35 45

20 мин 55 55

30 мин 65 70

40 мин 65 70

50 мин 75 70

60 мин 80 75

5 Удлинение при разрыве 94,83 110,17

6 Разрывная прочность 405,3 451,6

7 Удельная прочность 10,66 9,61

Удлинение при разрыве

Рисунок 5. Изображение площадей фигур свойств ПАН материалов с применением графоаналитического метода

Рисунок 6. График зависимости изменения кое кишечной палочки от концентрации раствора наночастиц золота на ПАН волокне

Рисунок 7. График зависимости изменения кое золотистого стафилококка от концентрации раствора наноча-стиц золота на ПАН волокне

В результате анализа данных можно сделать вывод, что количество кое кишечной палочки и золотистого стафилококка уменьшается с увеличением концентрации раствора наночастиц, что говорит о придании текстильным материалам антимикробных свойств в результате обработки коллоидным раствором золота.

Таким образом, в результате проведенного научного исследования был осуществлен обобщенный анализ результатов моделирования рамановских спектрограмм ПАН-материалов, обработанных наночастицами золота, который выявил различие интенсивностей пиков спектро-