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 АuБион-2 (ТУ 9154-001-93099853-06)», 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 наночастиц золота на изменение свойств ПАН волокон разработана программа проверки исследований, которая включает следующие этапы:
- Обработка материалов наночастицами золота в разных концентрациях.
- Получение рамановских спектров до и после обработки текстильных материалов наночастичами золота в разных концентрациях.
- Обработка полученных рамановских спектрограмм с использованием математических методов.
- Разработка математической модели рамановских спектров.
- Исследование изменения гигиенических свойств трикотажных полотен при нанесении наночастиц золота.
- Исследование изменения биологических свойств трикотажных полотен при нанесении наночастиц золота.
- Построение комплексного показателя качества трикотажных полотен до и после обработки наночастицами 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: Solver-Р47 и Solver-РRO. Исследование проводилось на базе лаборатории нанотехнологий ЮЗГУ. В результате были получены рамановские спектрограммы, которые выборочно представлены на рисунке 1.
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
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.
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]:
(1)
Полученные в результате моделирования графические данные оцифрованных фоновых люминесцентных составляющих спектрограмм Al(Xii), A_l(Xlii) в зависимости от волновых составляющих Хii, X1ii и начальных составляющих спектрограмм Ei1, Eli1 в зависимости от волновых составляющих Ei0, Еi0 представлены на рисунке 2.
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
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 рамановских спектрограмм [2, с. 38]. Анализ результатов, полученных в результате вычитания спектров, показал, что интенсивность спектра волокна, обработанного наночастицами 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.
Рисунок 3. Нормированные спектрограммы относительно пика Ei0=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
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 Matcad [3] с использованием функции dnorm (где М — математическое ожидание, s — среднее квадратическое отклонение):
(2)
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.
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 наночастицами 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.
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 20 мин 30 мин 40 мин 50 мин 60 мин |
35 55 65 65 75 80 |
45 55 70 70 70 75 |
| 5 | Удлинение при разрыве | 94,83 | 110,17 |
| 6 | Разрывная прочность | 405,3 | 451,6 |
| 7 | Удельная прочность | 10,66 | 9,61 |
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 наночастицами 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.
Рисунок 5. Изображение площадей фигур свойств ПАН материалов с применением графоаналитического метода
Увеличение площади фигуры для образцов с наночастицами золота свидетельствует о комплексном улучшении свойств полиакрилонитрильных материалов, модифицированных наночастицами золота.
Также было проведено микробиологическое исследование образцов ПАН материала, модифицированного наночастицами золота, следующими видами микроорганизмов: кишечной палочкой (170 кое в 1,0) и золотистым стафилококком (170 кое в 1,0). Графические результаты проведенного исследования представлены на рисунках 6,7.
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 спектрограмм ПАН-волокон, покрытых и не покрытых наночастицами. Также было проведено исследование изменения свойств текстильных материалов при их модификации наночастицами золота. Было установлено комплексное улучшение показателей ПАН-материалов при их обработке наночастицами золота, особенно следует отметить улучшение гигиенических и микробиологических свойств.
Список литературы:
- Емельянов В.М., Добровольская Т.А., Данилова С.А., Емельянов В.В., Бутов К.В. Выделение фоновых составляющих рамановских спектров для контроля наночастиц золота на поверхности текстильных материалов / Известия Юго-Западного государственного университета. Серия Физика и химия – 2014 — №1 – с. 8-15.
- Емельянов В.М., Добровольская Т.А., Емельянов В.В., Орлов Е.Ю., Бутов К.В. Применение методов рамановской спектроскопии для выявления наночастиц золота на полиэфирных волокнах/ Известия Юго-Западного государственного университета. Серия Физика и химия – 2013 — №2 – с. 37-43.
- Емельянов В.М., Добровольская Т.А., Емельянов В.В., Орлов Е.Ю. Проведение математического моделирования составляющих рамановских спектрограмм полиэфирных волокон при нанесении на них наночастиц золота/Современные проблемы науки и образования– 2013 — №6. URL: type=»book» name=»ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ ЗОЛОТА НА СВОЙСТВА ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛЬНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ» description=»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. » author=»Добровольская Татьяна Александровна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-12″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.05.2015_05(14)» ebook=»yes» ]