Влияние плазменной обработки волокнистых материалов на их модификацию наночастицами серебра

УДК 677

Е. А. Сергеева, Ю. А. Букина, А. С. Брысаев

ВЛИЯНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ИХ МОДИФИКАЦИЮ НАНОЧАСТИЦАМИ СЕРЕБРА

Ключевые слова: Наночастица серебра, волокно, плазменная модификация

Для модификации полипропиленового волокна, используемого в фильтрующих материалах, применяли коллоидный раствор наночастиц серебра. Плазменная модификация волокна до и после пропитки позволяет получить полипропиленовые волокна с антисептическими и ионизирующими свойствами, а также обеспечивает устойчивое закрепление наночастиц серебра на поверхности нити.

Keywords: Silver nanoparticles, fibers, plasma modification.

For modification of polypropylene fiber, which is used in the filter materials, used colloidal solution of silver nanoparticles. Plasma modification of fiber (before and after impregnation with a solution of silver) allows polypropylene fibers with antiseptic and ionizing properties, and provides a stable binding of silver nanoparticles on the surface of the filament.

В последние годы все более актуальным становится вопрос о модификации волокон, используемых для изготовления фильтрующих материалов, которые бы обладали не только очищающей способностью, но и антисептическими и ионизирующими свойствами. Одним из

перспективных направлений является использование наночастиц серебра [1]. Серебро рассматривается как микроэлемент, необходимый для нормального функционирования внутренних органов и систем, а также как мощное средство, повышающее иммунитет и активно воздействующее на болезнетворные бактерии и вирусы [2]. В концентрации 0,05 - 0,1мг/л серебро оказывает омолаживающее воздействие на кровь и благотворно влияет на протекание физиологических процессов в организме. Коллоидное наносеребро - продукт, состоящий из

микроскопических наночастиц серебра, взвешенных в деминерализованной и деионизированной воде. Этот продукт производится электролитическим методом. Коллоидное серебро является безопасным и самым мощным для организма человека натуральным антисептиком, подавляющим более 700 видов болезнетворных микроорганизмов, среди которых стафилококки, стрептококки, бактерии дизентерии, брюшного тифа. В наноразмерном диапазоне практически любой материал проявляет уникальные свойства. Типичные наночастицы серебра имеют размеры 25 нм. Они имеют чрезвычайно большую удельную площадь поверхности, что увеличивает область контакта серебра с бактериями или вирусами, значительно улучшая его бактерицидные действия. Таким образом, применение серебра в виде наночастиц позволяет в сотни раз снизить концентрацию серебра с сохранением всех бактерицидных свойств.

Существующие традиционные методы химического и физического внедрения частиц серебра в полипропиленовые (IIII) волокна, которые позволяют изготовить фильтрующий материал с антисептическими свойствами, однако ценовой сегмент готовой продукции при этом сильно возрастает. Следовательно, на сегодняшний день не существует экономически выгодной и экологически

безопасной технологии, позволяющей устойчиво закрепить наночастицы серебра на поверхности готовых волокнистых материалов.

Для модификации многофиламентного ПП волокна, используемого в фильтрующих материалах, с целью придания ему новых антисептических и ионизирующих свойств применяли коллоидный раствор наночастиц серебра «AgБион-2» с концентрацией частиц 10 мг/л. По полученным ранее результатам для ПП пленочной нити [3] после обработки неравновесной низкотемпературной плазмой (ННТП), использовали наиболее гидрофильный режим высокочастотной (ВЧ) обработки в аргоновой плазме (иа = 3,5 кВ; 1а = 0,4 А; Р = 26,6 Па; в = 0,04 г/с, т = 240 с), в котором обрабатывали ПП волокно для повышения смачиваемости его поверхности раствором наночастиц. Среда инертного газа выбрана для минимизации процессов химического травления, окисления или азотирования поверхности ПП волокон.

На рис. 1, 2 представлены изображения топографии поверхности ПП волокна, полученные с помощью атомной силовой микроскопии (АСМ).

Для оценки степени закрепления наночастиц серебра на поверхности волокон и выбора оптимальной методики модификации, проводили пропитку исходных и обработанных ННТП плазмой ПП волокон коллоидным раствором по трем вариантам [4,5]:

Вариант 1: активация ПП волокон ННТП, пропитка коллоидным раствором наночастиц серебра.

Вариант 2: активация ПП волокон ННТП, пропитка коллоидным раствором наночастиц серебра; повторная ВЧЕ обработка.

Вариант 3: пропитка ПП волокон

коллоидным раствором наночастиц серебра.

Согласно АСМ изображениям, топографии поверхности ПП волокна

свидетельствуют, что у образца, прошедшего двойную плазменную обработку (образец б), на поверхности после промывки остаются наночастицы серебра (40 - 150 нм).

Рис. 1 - АСМ изображения топографии

поверхности ПП волокна до промывки (слева) и после промывки (справа): а - волокно,

обработанное по варианту 1; б - волокно,

обработанное по варианту 2; в - волокно,

обработанное по варианту 3

-гЛТТЛТіїЩі

50 100 150 200

'ТГТЇіїї

II

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 пт

50 100 150 200 250 300 350 пт

Рис. 2 - Распределение частиц по размерам (по высоте частиц) на поверхности ПП волокон после промывки (по оси ординат - доля частиц определенного размера): а - волокно,

обработанное ВЧ плазмой по варианту 1; б -волокно, прошедшее обработку по варианту 2; в -волокно, модифицированное по варианту 3

Получение наилучшего результата распределения частиц по размерам на поверхности ПП волокон, прошедших двойную плазменную обработку, можно предположительно объяснить следующим.

Бомбардировка поверхности ПП волокна ионами плазмообразующего газа, скорее всего, приводит к низкоэнергетической ионной имплантации. Вероятно, что в результате бомбардировки низкоэнергетическими ионами на

поверхности ПП волокон происходит захоронение атомов плазмообразующего газа в поверхностном нанослое, глубина которого, по результатам математического моделирования, проведенного в главе 2, составляет до 43 нм. Образование ионных треков приводит к формированию нанопор, за счет чего изменяется свободная энергия поверхности ПП волокон, и повышается их гидрофильность. В связи с этим, можно полагать, что в результате пропитки волокон коллоидным раствором, наночастицы серебра проникают в нанопоры, формируемые ионными треками. Одновременно, это приводит к связыванию долгоживущих свободных радикалов, что препятствует окислительным процессам в поверхностном слое ПП волокон. Аналогом при объяснении приведенного выше механизма воздействия ННТП, послужило описание процесса воздействии высокоэнергетических ионов на материалы, где, скорее всего, основным отличием является глубина модифицируемого слоя.

При повторной обработке пропитанных волокон низкоэнергетические ионы плазмы, ускоряясь в слое положительного заряда, формируют поток с энергией до 100 эВ и, во-первых, могут вбивать наночастицы в более глубинные поверхностные слои полимера, а во-вторых, способствовать образованию свободных радикалов, и, следовательно, поперечных связей и поверхностной сетки, за счет чего происходит устойчивое закрепление наночастиц в нанослое ПП волокон.

Исходя из полученных результатов, предлагается новая методика для модификации ПП волокон наночастицами серебра, включающая обработку волокон плазмой ВЧЕ-разряда пониженного давления в режиме иа = 3,5 кВ; 1а = 0,4 А; Р = 26,6 Па; вАг = 0,04 г/с; т = 240 с, пропитку плазмоактивированных волокон коллоидным раствором наночастиц серебра «AgБион-2» и повторную обработку ВЧЕ-разрядом, в том же режиме. Обработка волокон по данной методике позволяет получить ПП волокна с антисептическими и ионизирующими свойствами, с устойчивым закреплением наночастиц серебра на поверхности ПП нити, без агломерации, в наноразмерном диапазоне 30-100нм, что имеет большое значение при изготовлении из них фильтрующих материалов для очистки воды.

Научные исследования проведены при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России (Соглашение №

14.B37.21.0731).

Литература

1. Букина, Ю.А. Получение антибактериальных текстильных материалов на основе наночастиц серебра посредством модификации поверхности текстиля неравновесной низкотемпературной плазмой / Ю.А. Букина, Е.А. Сергеева // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - № 7. - С. 125 -128.

2.Абдуллина, В.Х. Влияние плазмоактивации на фиксацию наночастиц серебра на поверхности полипропиленового волокна / В.Х. Абдуллина, Е.А. Сергеева [и др.] // Вестник Казанского технологического университета. -2009. - № 3. - С. 53 - 56.

3.Сергеева, Е.А. Регулирование свойств полиолефиновых волокон и нитей с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы / Е.А. Сергеева // Химические волокна. - 2010. - №3. - С. 24-27.

4.Сергеева, Е.А. Способ закрепления наночастиц серебра на поверхности полипропиленовых волокон / Е.А. Сергеева // Нанотехника. - 2010. - №2(22). - С. 97-100.

5. Сергеева, Е.А. Нанесение наночастиц серебра на плазмоактивированную поверхность полипропиленовых волокон / Е.А. Сергеева // Инновационность научных исследований в текстильной и легкой промышленности: сб. материалов межд. научно-техн. конф. в 3-х кн. - М.: Изд-во Росс. заоч. институт легк. пром., 2010. - Кн. 3. - С. 45-47.

© Е. А. Сергеева - д.т.н., проф., гл. науч. сотр. НИО КНИГУ, katserg@rambler.ru; Ю. А. Букина - асп. каф. ПНТВМ КНИГУ, ybuki@mail.ru; А. С. Брысаев - к.т.н., доцент каф. МПД КНИТУ, arick@rambler.ru.