Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состав и получение трикотажных и нетканых волокнистых материалов с антибактериальными свойствами 13
1.1 Области применения и ассортимент трикотажных и нетканых волокнистых материалов с антибактериальными свойствами 13
1.1.1 Ассортимент и области применения трикотажных волокнистых материалов с антибактериальными свойствами 13
1.1.2 Ассортимент и области применения нетканых волокнистых материалов с антибактериальными свойствами 20
1.2 Особенности состава, строения и физико-гигиенических характеристик трикотажных и нетканых волокнистых материалов 26
1.2.1 Трикотажные материалы для производства термобелья 26
1.2.2 Нетканые материалы медицинского назначения 34
1.3 Препараты для придания волокнистым материалам антибактериальных свойств 39
1.4 Методы получения волокнистых материалов с антибактериальными свойствами 45
1.5 Задачи диссертации 52
ГЛАВА 2. Объекты исследования, оборудование и методика их модификации наночастицами серебра с применением обработки неравновесной низкотемпературной плазмой, методы исследования свойств 57
2.1 Выбор объектов исследования 57
2.2 Обоснование выбора методики ВЧ плазменной модификации 62
2.3 Методики исследования физических и механических характеристик трикотажных и нетканых волокнистых материалов 67
2.4 Оборудование и методики исследования химического состава, структурных и термических характеристик трикотажных и нетканых волокнистых материалов
2.5 Методики модификации и исследования свойств трикотажных и нетканых
волокнистых материалов, модифицированных наночастицами серебра 76
2.5.1 Методика модификации трикотажных и нетканых волокнистых материалов наночастицами серебра 76
2.5.2 Методики исследования характеристик трикотажных и нетканых волокнистых материалов, модифицированных наночастицами серебра 77
2.6 Статистические методы обработки экспериментальных исследований 79
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование влияния потока плазмы вч разряда пониженного давления и наночастиц серебра на свойства трикотажных и нетканых волокнистых материалов 85
3.1 Исследование влияния обработки плазмой ВЧ разряда пониженного давления на свойства трикотажных и нетканых волокнистых материалов с целью их модификации антибактериальным препаратом на основе наночастиц серебра 85
3.1.1 Изменение физических свойств трикотажных и нетканых волокнистых материалов, модифицированных потоком плазмы ВЧ разряда пониженного давления 85
3.1.2 Изменение механических характеристик трикотажных и нетканых волокнистых материалов, модифицированных потоком плазмы ВЧ разряда пониженного давления 95
3.1.3 Влияние плазмы ВЧ разряда пониженного давления на эффективное закрепление наночастиц серебра в поверхностном слое трикотажных и нетканых волокнистых материалов 97
3.2 Исследование влияния модификации трикотажных и нетканых волокнистых материалов наночастицами серебра с применением плазменной обработки на их антибактериальные и гигиенические свойства 103
3.2.1 Исследование влияния концентрации препарата на основе наночастиц серебра на антибактериальную активность модифицированных трикотажных и нетканых волокнистых материалов с применением плазменной обработки 103
3.2.2 Исследование антибакетриальной активности трикотажных и нетканых волокнистых материалов, модифицированных наночастицами серебра с применением плазменной обработки 105
3.2.3 Исследование изменения гигиенических характеристик трикотажных и нетканых волокнистых материалов, модифицированных наночастицами серебра с применением плазменной обработки 107
3.3 Исследование изменений химического состава и структуры трикотажных и нетканых волокнистых материалов в ходе их модификации наночастицами серебра и последовательной плазменной обработки 108
3.3.1 Рентгеноструктурный анализ трикотажных и нетканых волокнистых материалов, модифицированных наночастицами серебра с применением обработки плазмой ВЧ разряда пониженного давления 108
3.3.2 Термический анализ трикотажных и нетканых волокнистых материалов, модифицированных наночастицами серебра с применением плазменной обработки 112
3.3.3 ИК-спектроскопия и микроскопия трикотажных и нетканых волокнистых материалов, модифицированных наночастицами серебра с применением обработки плазмой ВЧ разряда пониженного давления 119
3.4 Физико-химическая модель взаимодействия трикотажных и нетканых волокнистых материалов с плазмой ВЧ разряда пониженного давления в ходе их модификации препаратом на основе наночастиц серебра 124
ГЛАВА 4. Разработка технологий получения трикотажных и нетканых волокнистых материалов с антибактериальными свойствами 130
4.1 Разработка технологических процессов получения антибактериальных трикотажных и нетканых волокнистых материалов с применением плазмы ВЧ разряда пониженного давления 130
4.2 Рекомендации по плазменной обработке трикотажных и нетканых полотен при производстве антибактериальных материалов 136
4.3 Обоснование экономической эффективности внедрения плазменной модификации в процессы получения антибактериальных трикотажных и нетканых материалов и изделий на их основе 142
Выводы 149
Список литературных источников
- Ассортимент и области применения трикотажных волокнистых материалов с антибактериальными свойствами
- Оборудование и методики исследования химического состава, структурных и термических характеристик трикотажных и нетканых волокнистых материалов
- Изменение физических свойств трикотажных и нетканых волокнистых материалов, модифицированных потоком плазмы ВЧ разряда пониженного давления
- Рекомендации по плазменной обработке трикотажных и нетканых полотен при производстве антибактериальных материалов
Введение к работе
Актуальность темы.
Создание антибактериальных текстильных материалов является одним из решений вопроса разработки новых профилактических и санитарно-гигиенических методов, актуальность которых обусловлена ухудшающимся экологическим состоянием окружающей среды и снижением уровня иммунитета у населения. Анализ рынка показал, что приоритетное направление в развитии промышленности антибактериального текстиля занимают нетканые материалы для изготовления одноразовой хирургической одежды и белья, а также трикотажные материалы для производства термобелья и спортивной одежды. В связи с необходимостью импортозамещения и возрастающим спросом на данные группы товаров, важной задачей для российских производителей является модификация уже производимых трикотажных и нетканых волокнистых материалов для придания им антибактериальных свойств.
Работа направлена на решение актуальной проблемы разработки
текстильных материалов с антибактериальными свойствами путем
модификации их наночастицами серебра и обработки потоком плазмы ВЧ
разряда пониженного давления. Включение плазменной обработки позволяет
решить проблему эффективного нанесения антибактериального препарата на
поверхность материалов синтетического и смесового состава, а также
устойчивого закрепления нанесенного в процессе модификации
антибактериального вещества на поверхность текстильного материала.
Работа выполнена в Казанском национальном исследовательском технологическом университете при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России (Соглашение № 14.B37.21.0731).
Цель и задачи работы. Целью работы является получение трикотажных и
нетканых волокнистых материалов, обладающих антибактериальными
свойствами, путем их модификации наночастицами серебра с применением плазменной обработки ВЧ разрядом пониженного давления.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Анализ производства и применения трикотажных и нетканых материалов с антибактериальными свойствами, изучение ассортимента антибактериальных препаратов и методов получения антибактериальных текстильных материалов.
-
Выбор объектов и методик исследования.
-
Получение экспериментальных зависимостей изменения физических, механических, гигиенических и антибактериальных свойств трикотажных и нетканых материалов от параметров плазменной обработки и концентрации антибактериального препарата, разработка физико-химической модели плазменной модификации.
-
Разработка схемы технологического процесса получения антибактериальных трикотажных и нетканых материалов, модифицированных наночастицами серебра с применением плазменной обработки ВЧ разряда пониженного давления.
Методы исследования.
Объектами исследования выбраны два вида двухслойных трикотажных полотен бельевого ассортимента производства ЗАО «Трикотаж», г. Ярославль, а
именно трикотаж, включающий 65,3% хлопчатобумажных и 34,7%
полипропиленовых нитей (трикотаж х/б+ПП), и трикотаж, включающий 62,5% шерстяных и 37,5%, полиэфирных нитей (трикотаж шерсть+ПЭФ), а также нетканый полипропиленовый (ПП) материал, произведенный ООО «Эластик», г. Казань, по технологии спанбонд.
Исследование влияния модификации наночастицами серебра с
применением плазменной обработки на свойства трикотажных и нетканых
материалов проводили методами определения капиллярности (ГОСТ 29104.11-
91), паропроницаемости (ГОСТ 30568-98), разрывной нагрузки и удлинения при
разрыве (ГОСТ 10213.2-2002), методом «сидячей» капли для определения
краевого угла смачивания. Для оценки эффективности закрепления и
равномерности нанесения наночастиц серебра использовали метод атомно-
эмиссионного анализа и метод сканирующей электронной микроскопии. Для
исследования антибактериальной активности материалов использовали
стандартный метод исследования чувствительности микроорганизмов к действию антибиотиков и антисептиков на твердых питательных средах.
Для изучения влияния плазменной обработки на поверхностные свойства трикотажных и нетканых материалов использовали метод многофакторного планирования эксперимента, расчеты производили в программе «Statistica 6.0». Изучение химических изменений и изменений структуры материалов проводили с помощью методов инфракрасной (ИК) спектроскопии, микроскопических исследований, термического и рентгеноструктурного анализов (РСА).
Научная новизна работы.
1) Экспериментально доказано, что плазменная обработка трикотажа
х/б+ПП в среде аргона, трикотажа шерсть+ПЭФ в среде воздуха и нетканого ПП
материала в среде аргон-азота приводит к изменению характеристик физических
свойств материалов, увеличивая показатели капиллярности и смачиваемости их
поверхности без ухудшения прочностных показателей.
2) Установлено, что для устойчивого закрепления наночастиц серебра на
поверхности трикотажных и нетканых материалов следует проводить их
повторную обработку, после нанесения раствора наночастиц, в плазме ВЧ
разряда пониженного давления в смеси газов аргон – пропан-бутан в
процентном соотношении 70:30.
3) Разработаны трикотажные и нетканые волокнистые материалы
модифицированные наночастицами серебра с применением плазменной
обработки, обладающие антибактериальными свойствами к тест-культурам
Bacillus subtilis, Escherichia coli О55, Salmonella paratyphi B, Pseudomonas
aeruginosa АТСС-9027, Staphylococcus aureu 6538-Рs и Candida albicans.
-
Разработана физико-химическая модель взаимодействия трикотажных и нетканых волокнистых материалов, в том числе модифицированных препаратом на основе наночастиц серебра, с плазмой ВЧ разряда пониженного давления.
-
Разработано специальное перематывающее устройство для реализации обработки рулонов полотен трикотажных и нетканых волокнистых материалов потоком плазмы ВЧ разряда пониженного давления.
Практическая значимость работы.
1) Установлены параметры плазменной обработки, позволяющие повысить показатели гидрофильности с сохранением прочности трикотажа х/б+ПП
(Wр=1,4 кВт, Р=26,6 Па, t=180 с, GAr=0,04 г/с), трикотажа шерсть+ПЭФ (Wр=1,8 кВт, Р=26,6 Па, t=180 с, Gвозд=0,04 г/с), нетканого ПП полотна (Wр=1,4 кВт, Р=26,6 Па, t=180 с, GAr/N(70/30)=0,04 г/с). Обработка трикотажа х/б+ПП, трикотажа шерсть+ПЭФ, нетканого ПП материала позволяет увеличить значение высоты подъема жидкости, характеризующее капиллярность, до 1,7 раза, до 5,5 раза, до 40 раз, соответственно; приводит к уменьшению времени растекания капли по поверхности для трикотажа х/б+ПП до 8,7 раза, для трикотажа шерсть+ПЭФ до 24,9 раза, для нетканого ПП полотна происходит мгновенное растекание капли.
2) Установлены оптимальные концентрации антибактериального препарата
на основе наночастиц серебра для пропитки трикотажных – 0,028 г/дм3 и
нетканых материалов – 0,07 г/дм3.
-
Установлены параметры плазменной обработки, приводящие к устойчивому закреплению и равномерному распределению наночастиц серебра на поверхности трикотажных и нетканых материалов (Wр=1,4 кВт; Р=26,6Па; G=0,04г/с; =180 с; аргон – пропан-бутан в соотношении 70:30).
-
Получены трикотажные и нетканые волокнистые материалы, модифицированные наночастицами серебра с применением плазменной обработки ВЧ разряда пониженного давления, обладающие антибактериальными свойствами. Полученные по данной технологии материалы по показателю общей токсичности соответствуют требованиям ТР ТС 017/2011 и считаются не токсичными согласно МР №29ФЦ/2688-03.
5) Предложены технологические схемы и оборудование для получения
трикотажных и нетканых волокнистых материалов, модифицированных
наночастицами серебра с применением плазменной обработки ВЧ разряда
пониженного давления.
Результаты диссертационной работы испытаны и внедрены на
предприятиях ООО «Колор» (трикотажная фабрика «Русь», г.Ульяновск), ООО «Эластик» (г. Казань), имеются акты внедрения. При выпуске опытных партий трикотажных и нетканых материалов, модифицированных по предлагаемой технологии, экономический эффект составляет более 2 млн. руб. в год.
Основные положения, выносимые на защиту.
1) Результаты экспериментальных исследований влияния плазмы ВЧ разряда пониженного давления на изменение показателей физических свойств трикотажных и нетканых материалов, позволяющей увеличить значение капиллярности для трикотажа х/б+ПП – до 1,7 раза, трикотажа шерсть+ПЭФ – до 5,5 раза, нетканого ПП материала – до 40 раз без ухудшения прочностных показателей материалов.
2) Результаты разработки антибактериальных трикотажных и нетканых волокнистых материалов путем их модификации наночастицами серебра с применением плазменной обработки, обеспечивающей эффективное нанесение и устойчивое закрепление наночастиц серебра в поверхностном слое материалов.
3) Результаты экспериментальных исследований по оценке
антибактериальной активности и токсичности, а также по определению
гигиенических характеристик трикотажных и нетканых материалов,
модифицированных наночастицами серебра с применением плазменной обработки ВЧ разряда пониженного давления.
-
Физико-химическая модель взаимодействия трикотажных и нетканых волокнистых материалов, в том числе модифицированных препаратом на основе наночастиц серебра, с плазмой ВЧ разряда пониженного давления.
-
Технологические схемы и оборудование для получения трикотажных и нетканых волокнистых материалов, модифицированных наночастицами серебра с применением плазменной обработки ВЧ разряда пониженного давления.
Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах состоит: в
обосновании и выборе методов экспериментальных исследований; в проведении
экспериментов и обобщении экспериментальных данных; в разработке
технологического процесса получения антибактериальных трикотажных и
нетканых материалов, модифицированных наночастицами серебра с
применением плазменной обработки ВЧ разряда пониженного давления.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научной конф. «Плазменные технологии исследования, модификации и получения материалов различной физической природы» (Казань, 2012), VII International Conference «PLASMA PHYSICS AND PLASMA TECHNOLOGY» (Minsk, 2012), Международной научной конф. «Наноструктурные, волокнистые и композиционные материалы» (С.-Петербург, 2013), XL международной Звенигородской конф. по физике плазмы и УТС (Москва, 2013).
Основные результаты работы изложены в 21 публикации, в том числе 11 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. В тексте приведены ссылки на 100 литературных источников. Работа изложена на 179 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков и 22 таблицы.
Ассортимент и области применения трикотажных волокнистых материалов с антибактериальными свойствами
Компания Trevira (Италия), производящая волокна Bioactive, вводит в волокно активные антибактериальные добавки, которые остаются прочно закрепленными внутри волокна в течение всего времени его эксплуатации. В отличие от других веществ, которые постепенно диффундируют на поверхность, вещество, выбранное компанией Trevira для производства своей продукции, не мигрирует в окружающую среду. Бактериостатическое действие осуществляется непосредственно на поверхности волокна, что позволяет предотвратить раздражение кожи и не нарушает ее естественную бактериальную микрофлору. Биоактивность волокон предотвращает рост бактерий, блокирует появление неприятного запаха и сохраняется в течение 100 циклов стирки. Разработанное фирмой полиэфирное волокно выпускается для производства смесовых полотен с хлопком Classix Bioactive, которое используется для изготовления трикотажного белья, термобелья и спортивной одежды [5]. Однако для достижения полноценного антибактериального эффекта трикотажные полотна должны содержать в своем составе не менее 30% волокон Bioactive, что приводит к существенному повышению стоимости готовой продукции.
Испанские производители трикотажа фирма Tybor решили включить в свой ассортимент антибактериальные полотна Blue Bact, разработанные ими с использованием нейлона, содержащего керамический дисперсный наполнитель [4]. Полотна изготавливаются из 100% полиамида и соединения полиамида с лайкрой. Основное рекомендуемое применение данных полотен для производства спортивной одежды (Blue Tech) и одежды для фитнеса (Blue Touch). Гладкие трикотажные и сетчатые полотна особенно резистентны к действию стафилококка золотистого, но проявляют не достаточно высокую антибактериальную активность по отношению к другим микроорганизмам.
Компания Bactenet (США) занимается производством готовых изделий с использованием мощного антибактериального вещества Bactekiller производства фирмы Kanebo, которое вводится в волокно на этапе формования и прочно закрепляется в нем, гарантируя длительную антибактериальную активность. При соприкосновении с влагой нерастворимое антибактериальное вещество активизируется и начинает выделять активный кислород, подавляя тем самым развитие бактерий [8]. На основе созданного волокна производятся различные виды пряжи для трикотажных полотен, а также нетканые материалы, в состав которых входит хлопок, шерсть или модальные волокна. Однако данный тип волокон проявляет свою антибактериальную активность только при контакте с влагой, испаряемой человеческим телом, либо достаточном насыщении пододежного пространства парами воды, что ограничивает области применения данных материалов только для изготовления белья, непосредственно контактирующего с телом человека.
Трикотажный материал Asahi kasei Roica CF (DuPont de Nemours, США) создан на основе эластановых, акриловых, полиэфирных волокон в смеси с нейлоном 66. Данный трикотаж относятся к той разновидности антибактериальных материалов, которые абсорбируют вещества, вызывающие неприятный запах (аммиак, уксусная кислота, сероводород) [8]. Но несмотря на отличные гигиенические характеристики, высокая стоимость трикотажного материала Asahi kasei Roica CF препятствует его широкому распространению для производства одежды. Кроме того, данный материал обладает низкой антибактериальной активностью, так как, прежде всего, его основной функцией является дезодорирующая.
Amicor – акриловое волокно, производимое британской фирмой Acordis Services Ltd (Великобритания). Волокно Amicor имеет в составе Irgasan - смесь препаратов, уничтожающих микроорганизмы, которые являются питательной средой для развития клещей [4], однако по отношению к патогенным микроорганизмам данные препараты являются нейтральными.
В последнее время производство новых видов антибактериального трикотажа получило распространение также и на российском рынке производителей трикотажных материалов и изделий.
Смоленская Чулочно-носочная фабрика на настоящий момент занимает около 13% рынка чулочно-носочных изделий России [9] и после внедрения в 2010 году современных производственных линий ассортимент выпускаемой продукции был дополнен чулочно-носочными изделиями, модифицированными соединениями серебра. Однако основным недостатком выпускаемой продукции является довольно непродолжительная долговечность полученного антибактериального эффекта, так как в условиях эксплуатации при стирке чулочно-носочных изделий соединения серебра вымываются из материала и антибактериальные свойства ослабевают.
ООО «Элеганс» (г. Екатеринбург, Россия), являясь производственным предприятием, специализирующемся на разработке и изготовлении швейных и трикотажных изделий для активного отдыха, поддержания здоровья, а также бытового назначения, производит носочные изделия из высококачественного хлопка, содержащие активные вещества экстракта алоэ вера [10]. Данные изделия оптимально подходят для ухода в процессе их носки за кожным покровом стоп, но обладают незначительным антибактериальным эффектом по сравнению с изделиями, модифицированными антибактериальными препаратами на основе наночастиц металлов, триклозана и др.
Оборудование и методики исследования химического состава, структурных и термических характеристик трикотажных и нетканых волокнистых материалов
Наибольшей эффективностью среди методов придания текстильным материалам антибактериальных свойств обладают химические методы, в процессе которых происходит образование химических связей (например, при введении антибактериальных препаратов в волоконообразующие расплавы и растворы). Так на стадии полимеризации при получении капрона добавляют антибактериальный препарат, представляющий собой оловоорганическое соединение (окись или гидроокись трибутилолова), что обеспечивает сохранение антибактериального эффекта после многократных стирок. Разработаны способы придания антимикробных свойств текстильным материалам за счет введения нитрофурановых препаратов в прядильные расплавы с последующим закреплением их при формовании в тонкой структуре волокон по типу соединений включения [42]. Придание антибактериальных свойств синтетическим волокнам возможно на стадии замасливания. Волокна перед вытягиванием подвергают обработке соединениями на основе производных оксихинолина, ароматическими аминами или нитрофурановыми производными. Волокна, получаемые данным способом, обладают длительным антимикробным действием.
Химическая модификация и нанесение защитных покрытий составляют достаточно безопасную для человека и окружающей среды группу методов придания материалам антибактериальных свойств, но у химических методов модификации есть существенные технологические, экономические и экологические недостатки. Химическая модификация волокон может ухудшить некоторые свойства полимерных волокон. Кроме того, химическая модификация полимерных волокнистых материалов требует приобретения, транспортировки и монтажа дополнительного оборудования и химических реагентов, что существенно усложняет технологию, увеличивает трудоемкость производственного процесса, что может неблагоприятно сказаться на экологической ситуации и привести к удорожанию конечного продукта [19].
Придание антибактериальных свойств текстильным материалам методом пропитки их растворами биоцидов является традиционным и проверенным временем способом, однако вещества, применяемые для пропитки, могут быть токсичны для человека и окружающей среды и долговечность не всегда велика.
В литературе имеются данные [44] о придании бактериостатического эффекта текстильным материалам при пропитке их смесью солей неомицина с винной, пропионовой, стеариновой, фталевой и некоторыми другими кислотами, которые растворяли в воде, метаноле или бутаноле и наносили на материал разбрызгиванием растворов. Однако, пропитка волокон и самих текстильных полотен не обеспечивает прочного закрепления атибактериальных реагентов, вследствие этого антимикробное действие таких материалов непродолжительно. В качестве биоцидов достаточно широкое распространие получили соли меди, благодаря их невысокой стоимости, сравнительно малой токсичности [45]. Но использование солей меди в качестве антибактериального агента приводит к окрашиванию текстильного материала в желто-зеленый цвет. Использование солей цинка ограничено их слабым биоцидным действием, а солей ртути, олова, мышьяка – повышенной токсичностью для человека [46, 47].
Не всегда существует необходимость в изготовлении текстильных материалов, состоящих целиком из волокон, обладающих антибактериальными свойствами. Включение в смесовой состав некоторой доли антибактериальных волокон может обеспечить текстильному материалу наличие необходимых свойств [48]. Антибактериальные волокна оказываются способными экранировать от действия микроорганизмов натуральные волокна, также входящие в состав данных материалов.
Введение в материал активных антибактериальных компонентов в микрокапсульном виде представляет особый интерес для изготовления антибакетриальных текстильных полотен и изделий из них [48]. Микрокапсулы содержат капли или твердые частицы антибактериальных веществ, которые начинают свое действие при определенных условиях (под действием трения, давления, температуры, растворения оболочек капсул).
Обработка текстильных материалов на стадии финишной отделки гидрофобизирующими препаратами (например, силиконами) может ослаблять воздействие на материалы микроорганизмов, так как происходит уменьшение количества адсорбированной влаги [49]. Однако использование гидрофобной отделки не приводит к устранению вредного воздействия микроорганизмов.
В настоящее в технологии по созданию антибактериальных текстильных материалов активно внедряются нанотехнологии, позволяя получить материалы с антимикробными свойствами безопасные для человеческого здоровья. Использование нанотехнологий позволяет значительно снизить затраты на основной стадии производства, где расход сырья и материалов значителен. Получение антибактериальных текстильных материалов возможно, во-первых, за счет использования текстильных нановолокон и нитей в материалах, во-вторых, за счет использования нанодисперсий и наноэмульсий для пропитки и отделки текстиля [6].
Изменение физических свойств трикотажных и нетканых волокнистых материалов, модифицированных потоком плазмы ВЧ разряда пониженного давления
Количественные измерения свойств объектов исследования включают в себя процедуры подготовки, проведения и обработки полученных результатов. Для оценки результатов модификации трикотажных и нетканых материалов плазмой ВЧЕ разряда важным является количественный анализ изменения их свойств. Определение параметров свойств проводили при нормальных условиях. Образцы текстильных материалов перед испытанием кондиционировали при относительной влажности воздуха (65 ± 5) % и температуре (20 ± 3) С в течение 24 часов.
При исследовании использовались стандартные и специальные методики. Для получения текстильных материалов, обладающих антибактериальными свойствами, необходимо обеспечить эффективную пропитку текстильного материала антибактериальным препаратом. При этом проблемным является способность текстильных материалов, имеющих в своем составе синтетические волокна, поглощать воду и водные растворы. Кроме того, такие показатели как значение капиллярности и паропроницаемости являются важными гигиеническими характеристиками текстильных материалов. При этом важно, чтобы модификация материалов антибактериальным препаратом с применением плазменной обработки не привела к ухудшению показателей качества текстильных материалов, а именно к снижению показателей прочности. Поэтому для исследования влияния плазменной обработки на характеристики трикотажных и нетканых текстильных материалов проводили эксперименты по измерению таких физических и механических свойств, как капиллярность, смачиваемость, паропроницаемость, разрывная нагрузка и удлинение при разрыве.
Для определения показателей капиллярности используют измерение максимальной высоты подъема воды по вертикальному образцу материала за определенный промежуток времени. Испытания по определению капиллярности трикотажных и нетканых полотен проводились по ГОСТ 29104.11-91 при климатических условиях, соответствующих ГОСТ 10681.
Наглядное изображение проведения эксперимента по определению капиллярности трикотажных и нетканых материалов приведено на рисунке 2.3 [80]. Рисунок 2.3 - Метод определения капиллярности текстильных материалов
Из каждой точечной пробы вырезают пробы параллельно кромке на расстоянии не менее 50 мм нее. Размер пробы составляет 50x600 мм; количество проб для трикотажных материалов - три пробы вдоль и три поперек петельных столбиков, для нетканого материала, имеющего изотропию строения и свойств в плоскости поверхности материала во всех направлениях - три пробы. Допустимое отклонение по размерам элементарной пробы ± 1 мм.
Элементарную пробу текстильных материалов одним концом необходимо закрепить на иглы верхней планки, а второй конец закрепить между стеклянными палочками при помощи резиновых колец. Емкость с раствором двухромокислого калия устанавливают под элементарные пробы так, чтобы раствор покрывал стеклянные палочки. Далее по истечении 1 часа с помощью линеек, расположенных по бокам от элементарной пробы, производят измерение высоты подъема жидкости по пробе. В качестве окончательного результата испытания принимают среднее арифметическое значение результатов трех измерений. Все вычисления проводятся с погрешностью не более 1 мм.
Смачиваемость текстильных материалов характеризуется показателем краевого угла смачивания, а также временем растекания капли воды по поверхности материала. Краевой угол смачивания определяли на приборе Krass
Easy Drop DSA 20E методом сидящей капли. На поверхность трикотажных и нетканых материалов, предварительно закрепленных на предметном столике, наносили не менее 7 капель воды, используя шприц-дозатор. С помощью шприца каждая капля помещается на поверхность образца текстильного материала, при этом объем каждой капли должен составлять строго 2 мкл, а диаметр не должен превышать 2-3 мм.
В одном направлении происходит подсвечивание капли, расположенной на поверхности материала, а с противоположной стороны происходит фиксация изображения капли на видеокамеру. Изображение капли передается на оснащенный платой захвата изображения компьютер, а затем выводится на монитор. Программное обеспечение Э5А1 при помощи средств для анализа изображения капли позволяет рассчитать краевой угол смачивания с погрешностью не более ±0,1. Время растекания капли по поверхности материала определяется при помощи секундомера и отсчитывается от попадания капли на поверхность материала до ее полного впитывания материалом [81]. Измерение интервала времени производят с погрешностью не более 0,1 с.
Паропроницаемость трикотажных и нетканых материалов определялась в соответствии с ГОСТ 30568-98. Сущность метода заключается в определении паропроницаемости текстильных полотен в условиях, приближенных к условиям их эксплуатации (наличие потоотделений человеческого тела). Отбор точечных проб полотна проводят по ГОСТ 8844, из каждой точечной пробы по шаблону прямоугольной формы размером (150 ± 1) мм (75 ± 1) мм вырезают элементарные пробы, которые пропитывают раствором искусственного пота по ГОСТ 9733.6, раздел 4, метод II. Продолжительность обработки проб контролируется с помощью секундомера. Обработанные раствором пота пробы высушивают, при этом их подвешивают так, чтобы были исключены соприкосновение проб между собой и действия прямых солнечных лучей.
После полного высыхания элементарных проб из них заготавливают пробы круглой формы диаметром (55 ± 1) мм. Количество проб, испытываемых на паропроницаемость, должно составлять 12 шт. Пробы помещают на заплечико стаканчиков высотой 45 мм и диаметром 55 мм, в которые предварительно наливают (25 ± 1) см3 дистиллированной воды. Пробы закрепляют с помощью резиновых накладок, после чего каждый стаканчик с закрепленной на нем пробой взвешивают с погрешностью не более 0,0001 г, а затем помещают в нагревательное устройство по ГОСТ 22900. Нагревательное устройство вместе с 12 пронумерованными стаканчиками помещают в камеру, обеспечивающую автоматическое регулирование и стабильное поддержание относительной влажности воздуха и температуры по ГОСТ 10681. По истечении 5 ч нагревательное устройство вынимают из камеры, а стаканчики с элементарными пробами повторно взвешивают.
Рекомендации по плазменной обработке трикотажных и нетканых полотен при производстве антибактериальных материалов
Обзор литературных источников [71,76] показал, что эффективным методом изменения поверхностных свойств текстильных материалов и волокон является обработка плазмой ВЧЕ разряда пониженного давления. Поэтому для осуществления эффективной пропитки антибактериальным препаратором трикотажных и нетканых материалов, имеющих в своем составе синтетические волокна, с целью активации их поверхности была проведена обработка материалов в неравновесной низкотемпературной плазме. Для установления закономерностей воздействия ВЧЕ плазмы на образцы трикотажных и нетканых материалов, их обработка проводилась при изменении входных параметров установки в следующих пределах: мощность разряда - от 0,6 до 2,2 кВт, время обработки – от 60 до 600 секунд, расход плазмообразующего газа – от 0 до 0,2 г/с и давление в рабочей камере – от 13,3 до 533 Па. В качестве плазмообразующего газа использовались аргон, воздух, а также смеси газов аргон и азот в соотношении 70%:30%, соответственно [77, 78].
Последующая модификация трикотажных и нетканых материалов с целью придания им антибактериальных свойств проводилась путем пропитки активированных материалов водным коллоидным раствором наночастиц серебра. Для исследований применяли коллоидные растворы с концентрацией наночастиц серебра – 0,28 г/л; 0,14 г/л, 0,7 г/л; 0,028 г/л. Раствор необходимой концентрации получали путем разбавления исходного раствора «AgБион-2» дистиллированной водой (ГОСТ 6709-72). Пропитка трикотажных и нетканых материалов осуществлялась посредством полного помещения каждой пробы в раствор антибактериального препарата, время пропитки составляло 5, 10, 20, 30 минут, температура раствора 20-240С. После пропитки образцы материала извлекались из раствора антибактериального препарата и осуществлялась их сушка в подвешенном состоянии без прямого попадания солнечных лучей до полного высыхания при температуре воздуха 22-260С.
Для закрепления наночастиц серебра в поверхностном слое и получения антибактериальных трикотажных и нетканых материалов с устойчивыми во времени свойствами применалась повторная обработка материалов плазмой ВЧЕ разряда пониженного давления. Обзор литературных данных показал, что для фиксации наночастиц серебра на поверхности волокон с применением плазменной обработки для получения плазмы использовали смесь на основе двух газов – аргон с пропан-бутаном в соотношении 70%:30%, соответственно [77]. Входные параметры установки варьировались в следующих пределах: подаваемая мощность Wр от 0,6 до 2,2 кВт, продолжительность модификации – от 60 до 600 секунд, давление в рабочей камере Р=26,6 Па; расход плазмообразующего газа G=0,04 г/с [83].
Влияние ВЧЕ плазменной обработки трикотажных и нетканых материалов, пропитанных раствором наночастиц серебра, на равномерность распределения наночастиц серебра на поверхности материала исследовалось методом сканирующей электронной микроскопии. В данном методе зондирование исследуемой поверхности происходит путем сканирования по ней сфокусированного пучка электронов. Формирование изображения происходит с использованием детектирования различных сигналов, включая вторичные и обратно рассеянные электроны, рентгеновское излучение и ток, проходящий через образец. Получаемое изображение поверхности представляет собой двумерную карту снимаемого сигнала. Изображения поверхности исследуемых образцов получали на сканирующем электронном микроскопе Zeiss EVO LS 10 производства Carl Zeiss Group (Германия). Пространственное разрешение составило 40 нм при 30 кВ, диапазон увеличений мог варьировался от 5х до1000000х. Графические изображения с разрешением 3072х2304 пикселей были получены с помощью программного обеспечения SmartSEM под управлением Windows XP.
Для оценки антибактериальной активности трикотажных и нетканых материалов, модифицированных наночастицами серебра с применением плазменной обработки использовался стандартный метод исследования чувствительности микроорганизмов к действию антибиотиков и антисептиков на твердых питательных средах (диффузионный метод бумажных дисков) в модификации.
Метод основан на диффузии антисептика в толщу агара и образовании так называемых зон ингибиции. Антимикотическую и антибактериальную активность образцов, исследовали на тест-культурах патогенной и условно-патогенной микрофлоры. В работе использовали музейные штаммы кафедры микробиологии Казанской государственной медицинской академии: Escherichia coli О55, Salmonella paratyphi B, Pseudomonas aeruginosa АТСС -9027, Staphylococcus aureu 6538-Рs, Candida albicans. Суточные культуры музейных штаммов стандартизовали до оптической плотности 0,5 по МакФарланду (1,5х108 КОЕ/мл). Чашки Петри с питательной средой Сабуро (для Candida albicans) и Мюллера-Хинтона для всех остальных микроорганизмов засевали отстандартизованными взвесями тест-культур, используя тампон. Через 5 минут на поверхность инокулированных чашек раскладывали носители, пропитанные разными концентрациями серебра, обработанной поверхностью на взвесь микроорганизмов. Через 24-48 часов при инкубации 37оС оценивали величину зоны задержки роста микроорганизмов (зоны ингибиции). методы обработки экспериментальных
Погрешность проводимых в ходе экспериментальных исследований прямых измерений с многократными наблюдениями определяли в соответствии с ГОСТ 8.207-76. Систематическая погрешность измерений свойств текстильных материалов сводилась к минимуму путем периодической поверки и калибровки измерительных приборов и средств.
