Антимикробная активность хлопчатобумажных тканей, модифицированных наночастицами меди

В последние годы противомикробная отделка текстильного материала стала чрезвычайно важной в производстве защитных, декоративных и технических текстильных изделий [1] Это дает возможность для расширения использования различных текстильных изделий в текстильной, фармацевтической, медицинской, инженерной, сельскохозяйственной и пищевой промышленности.

На рынке резко возросло число различных антимикробных агентов, пригодных для текстильных материалов. Эти анти микробные агенты отличаются по своей химической структуре, эффективности, способу применения и влиянию на людей и окружающую среду, а также стоимости. В литературе [2] есть несколько различных классификаций антимикробных агентов по эффективности, механизмам, антимикробной активности и устойчивости к мокрым обработкам.

В настоящие время для придания волокнам различного происхождения специальных свойств используются различные методы: фотонные технологии, лазерная обработка, плазменным разрядом [3,4]. Данные методы открывают большие возможности в модифицировании волокон и текстиля, но существенным недостатком являются высокие затраты, поскольку такие процессы требуют специального дорогостоящего оборудования и имеют специфические ограничения. Исходя из этого, перспективным методом для получения волокон и текстильных материалов, модифицированных функциональными наночастицами, является золь-гель технология [5].

Данная технология представляет собой новый способ функционализации ткани путем обработки ее в жидкофазных ситемах - золях, приводящей к закреплению наночастиц на поверхности волокон и тем самым приданию тканям новых, специальных свойств. Использование нанотехнологий позволяет значительно снизить затраты на основной стадии производства, где расход сырья и материалов значителен.

В наноразмерном состоянии многие вещества приобретают новые свойства и становятся в биологическом отношении весьма активными. В числе наноматериалов, которые производятся в настоящее время промышленностью, особое внимание привлекают препараты наночастиц серебра, меди, цинка, золота и палладия, обладающие антибактериальными свойствами [6]. Наночастицы меди обладают антибактериальной активностью. Они имеют чрезвычайно большую удельную площадь поверхности, что увеличивает область контакта меди с бактериями, значительно улучшая его бактерицидные действия. Активное использование нанокомпозитов меди для пропитки текстиля обусловлено их значительными и неоспоримыми преимуществами перед другими существующими антимикробными препаратами [7,8,9].

Анализ литературных данных показывает, что золь-гель технология является перспективным методом получения защитных порытий. Поэтому исследования, посвященные разработке и получению антимикробных целюлозных материалов с заданными свойствами по золь-гель технологии, а также изучению свойств и наиболее эффективных областей применения указанных материалов, имеют большое научное и практическое значение.

Объекты и методы исследования

Объектом исследования в работе явилась: хлопчатобумажная ткань 100%, полотняного переплетения, 147,36 г/м2, лин. плотность 33,6 текс. Перед проведением экспериментальных работ хлопчатобумаж- ную отбеленную, неаппретированную ткань подвергали промывке в дистиллированной воде с целью полного удаления остатков отбеливающей ванны. После сушки проводилось выдерживание в эксикаторе над обезвоженной CaCl2 для определения точной навески образца.

Антимикробные свойства хлопчатобумажной ткани проверялись с применением метода лабораторных испытаний на устойчивость к микробиологическому разрушению (ГОСТ 9.060-75). Сущность метода заключается в том, что образцы антисептированной и исходной ткани в определенных условиях подвергают длительному воздействию естественного комплекса почвенной микрофлоры путем нанесения ее на поверхность ткани, а затем определяют ее устойчивость к микробиологическому разрушению (П). По ГОСТ 9.060-75 ткань считается устойчивой к биоповреждениям при П > 80%.

Для определения разрывных характеристик по стрип-методу использовалась разрывная машина РТ-250М (ГОСТ 3813-72).

Показатели воздухопроницаемости ткани определялись в соответствии с ГОСТ Р ИСО 9237-99 на приборе МТ-160 (ЗАО «Метротекс», Россия).

Поверхность и структуру, наличие веществ, содержащихся на волокнах обработанных образцов, исследовали с помощью японского электронного сканирующего микроскопа JSM-6490 LA.

Результаты и их обсуждение

Для приготовления золя в качестве основного компонента используют тетраэтоксисилан, в качестве растворителя (этиловый спирт в соотношении вода : спирт 4:1), катализатор гидролиза тетраэтоксисилана использована плавиковая кислота. Затем добавляют ацетат меди 2 -6 г/л. Время приготовления золя 30 минут, температура 40 оС.

Образец хлопчатобумажной ткани размером 200 × 200 мм после определения точной массы на аналитических весах подвергался пропитке золь-гель композицией на лабораторной двухвальной плюсовке с 90% отжимом, а сушка и термообработка проводились на игольчатых рамках в сушильном шкафу с терморегулятором. Термообработка осуществлялась 125 0С в течение 2 минут. После сушки и термообработки образец промывался в дистиллированной воде и высушивался при комнатной температуре.

Микробиологические исследования были проведены по ГОСТ 9.048-89. Испытания ткани на грибоустойчивость проводили следующим образом.

Для проверки на грибостойкость образцов ткани в качестве тест-культур использо- вали грибы Aspergillus niger, Pennicillium brevi и Trichoderma viride. Перед испытаниями были проведены высевы тест-культур на свежую среду Чапека для определения их жизнеспособности, рисунок 1.

а)                        б)                        в)

Рисунок 1 – Рост тест-культур на среде Чапека а - Aspergillus niger, б - Trichoderma viride, в - Pennicillium brevi

Образцы биоцидной и исходной ткани обрабатывали суспензией грибов Aspergillus niger, Pennicillium brevi и Trichoderma viride и помещали в чашки Петри, которые в свою очередь были помещены в эксикатор с водой для создания необходимой влажности. Инкубацию проводили при температуре 30 оС в течение 28 дней. Результаты показали, что через 5 суток наблюдался рост гриба Aspergillus niger на необработанном контрольном образце ткани. Интенсивность прорастания гриба составила 5 баллов (невооруженным глазом отчетливо видно развитие грибов, покры- вающих более 25% испытуемой поверхности). В остальных образцах роста грибов не отмечалось. Через 28 суток во всех контрольных образцах наблюдался рост всех испытуемых грибов (рис. 2). При этом рост грибов Pennicillium brevi – на 4 балла (невооруженным глазом отчетливо видно развитие грибов, покрывающих менее 25% испытуемой поверхности), а Aspergillus niger и Trichoderma viride в контрольных образцах был оценен на 5 баллов, а на поверхности ткани, обработанной предлагаемой композицией, роста испытуемых грибов не наблюдалось.

б)

а - Образцы необработанной хлопчатобумажной ткани;

б - Образцы хлопчатобумажной ткани, обработанных в водно-спиртовом растворе тетроэтоксисилана с добавлением наночастиц меди

Рисунок 2 – Рост грибов на поверхности хлопчатобумажной ткани

По результатам электронно-скани-рующей микроскопии (JSM-6510LA) выявлено изменение морфологической поверхности обработанных образцов по сравнению с не-аппретированными образцами (рис. 3). Установлено, что поверхность обработанных тканей грубее, чем в необработанной ткани, указывая на содержание оксидокремниевой матрицы. Как видно из рисунков, предложенный способ обеспечивает закрепление наночастиц ацетата меди на поверхности ворсинок целлюлозной ткани. Методом количественного анализа установлено наличие веществ, содержащихся на волокнах (рис. 3). Элементный состав антимикробного хлопкового волокна показал, что в химической структуре присутствуют вещества Si – 1,67 %, Сu-0.60 %, Al - 0,07 %. Из вышеизложенного можно сделать вывод, что предложенный способ антимикробной отделки с применением золь-гель синтеза тетраэтоксисилана с применением ацетата меди, обеспечивает эффективную антимикробную активность текстильного материала.

Рисунок 3 - СЭМ изображения и ЭДС анализ поверхности необработанного хлопкового волокна (а) и обработанного хлопкового волокна (б)

В ходе исследования на определение разрывной нагрузки и удлинения при разрыве, было установлено, что предложенный состав не оказывает значительного влияния на прочностные свойства исследуемых образцов. Показатели воздухопроницаемости практически остаются неизменными по сравнению с необработанной тканью. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Показатели разрывной нагрузки и воздухопроницаемости обработанных образцов

Наименование	Прочность при разрыве, Н		Удлинение при разрыве, мм		Воздухопроницаемос ть, дм3/м2×с, не менее
	Основа	Уток	Основа	уток
Контрольный образец	219,77	148,48	27,38	36,17	228,2
Обработанный образец	214,60	142,18	22,88	38,69	225,7

Выводы

• 1.    Модификация целлюлозных текстильных материалов золь-гель методом на основе применения тетроэтоксисилана с добавлением наночастиц меди придают им

• 2.    В результате исследования с применением электронного сканирующего микроскопа обнаружено, что в волокнах ткани, обработанной композицией, присутствуют наночастицы меди, обеспечивающие микробиологическую безопасность текстильному материалу. Установлено изменение морфологической поверхности волокон, а также присутствие веществ Si -1,67 %, Cu-0.60%, содержащихся на волокнах.

антибактериальные свойства к тест-культурам Aspergillus niger, Pennicillium brevi и Trichoderma viride. Результат исследования показал, что через 28 суток на всех контрольных образцах наблюдался рост всех испытуемых грибов, а на поверхности ткани, обработанной композицией, роста испытуемых грибов не наблюдалось.