Ag納米線聚合物復(fù)合納米材料的靜電紡絲法制備及其抗菌性能研究

Ag納米線聚合物復(fù)合納米材料的靜電紡絲法制備及其抗菌性能研究1、課題的研究背景、意義及現(xiàn)狀2、課題研究目標(biāo)、內(nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題3、課題的可行性分析及特色創(chuàng)新4、課題進(jìn)度安排課題的研究背景、意義及現(xiàn)狀研究背景納米銀由于小尺寸效應(yīng)和較大的比表面積，其抗菌效果好，且效力持久，是一種具有長(zhǎng)效性和耐候性的抗菌劑。但是納米銀易于氧化和聚合，這就對(duì)銀的回收再利用帶來困難，并且造成成本居高不下；而且銀有毒性，在用納米銀殺菌的過程中，容易造成二次污染。因此，成本較高以及存在二次污染的風(fēng)險(xiǎn)限制了納米銀作為一種抗菌材料在各領(lǐng)域的應(yīng)用。welcometousethesePowerPointtemplates,NewContentdesign,10yearsexperience研究意義銀具有良好的抗菌性，所以銀在生物醫(yī)學(xué)、水及空氣凈化、食品生產(chǎn)、化妝品、紡織以及許多家居產(chǎn)品方面都有著良好的應(yīng)用前景。只要解決納米銀作為抗菌材料使用過程中的回收問題，就能夠極大的降低成本，同時(shí)也就解決了二次污染的問題。這就為納米銀在各領(lǐng)域抗菌方面的應(yīng)用掃除了障礙。研究現(xiàn)狀在納米銀的表面包覆聚合物，可以有效地提高納米銀的穩(wěn)定性，阻止了納米銀的聚合；以及降低納米銀的毒性。其中，納米纖維比表面積大、吸附性好，可以作為納米銀的優(yōu)良載體。

靜電紡絲是制備納米纖維的一種簡(jiǎn)單有效的方法。目前有些報(bào)道是在電紡溶液中加入銀鹽，然后通過加熱、紫外線照射以及化學(xué)處理來還原銀離子使其成為銀納米顆粒，從而獲得納米銀/聚合物復(fù)合納米材料。也有報(bào)道是將制備好的納米銀直接加入到電紡聚合物溶液中進(jìn)行紡絲。表1含納米銀粒涂料的抗菌性能張文鉦,王廣文,等.納米銀抗菌材料研發(fā)現(xiàn)狀[J].化工新型材料，2003,(31),2,42-44.張文鉦,王廣文,等.納米銀抗菌材料研發(fā)現(xiàn)狀[J].化工新型材料，2003,(31),2,42-44.不同抗菌物質(zhì)的殺菌效果圖1納米銀粒、磺胺嘧啶銀和硝酸銀殺菌作用比較水熱法合成的納米銀(a)反應(yīng)溫度100℃(b)反應(yīng)溫度120℃(c)反應(yīng)溫度150℃圖2不同反應(yīng)溫度下反應(yīng)24h所得產(chǎn)物的TEM圖片圖中產(chǎn)物的水熱合成條件為：Gemini表面活性劑存在的情況下，以各自溫度在水熱反應(yīng)釜中反應(yīng)24h。溫度對(duì)產(chǎn)物形貌有很大影響。對(duì)水熱反應(yīng)中銀納米線的形貌的影響因素還有反應(yīng)時(shí)間、原料種類、PVP與硝酸銀摩爾比、攪拌速度、進(jìn)料速度等。徐建、韓霞，等.水熱合成法制備高長(zhǎng)徑比的銀納米線[J].過程工程學(xué)報(bào)，2006,(6)2,323-326.醇熱法合成銀納米線圖3

140℃不同反應(yīng)時(shí)間下所得產(chǎn)物的SEM和TEM照片所得銀納米線直徑約80nm,長(zhǎng)度分布在40～100μm之間。其合成條件為：140℃，水熱反應(yīng)釜中反應(yīng)一定時(shí)間。2000r/min多次離心洗滌后60℃溫度下干燥4h。常鵬梅，陳亞芍，等.醇熱法合成單晶銀納米線及其表征[J].化學(xué)學(xué)報(bào)，2009(69),6,523-528.圖4雙甘氨肽模板法合成的單晶銀納米片模板法合成銀納米片圖中銀納米片的寬度約為800nm，厚度約為50nm。合成銀納米線的方法還有很多種，如：氣相合成法、、溶膠?凝膠法、熱解法等。不同的合成方法，不同的合成參數(shù)，不同的操作步驟都有可能會(huì)得到不同形貌的納米銀。不同形貌的納米銀或許會(huì)有不同的抗菌性能。JianhuiYang，et.al,GlycylGlycineTemplatingSynthesisofSingle-CrystalSilverNanoplates.[J].CRYSTALGROWTH

&DESIGN,2006,(6),9,2155-2158.靜電紡絲的工藝示意圖靜電紡絲就是聚合物溶液或熔體(電紡液)在一定的高壓靜電場(chǎng)內(nèi)，帶電的聚合物液滴在電場(chǎng)力的作用下在毛細(xì)管的Taylor錐頂點(diǎn)克服表面張力形成噴射細(xì)流，從而形成納米纖維的一種合成方法。圖5靜電紡絲示意圖圖6銀納米顆粒的(a)SEM圖，(b)TEM圖，(c)HRTEM圖，(d)XPS圖譜由(a)SEM和(b)TEM圖片可以知道納米顆粒的平均直徑約為80納米；(c)可以看出該納米顆粒為單晶結(jié)構(gòu)；(d)XPS圖譜可以知道納米顆粒中不僅有銀，還有碳、氮、氧等元素，這些元素來自于聚合物PVP。JieSong.etal,SafeandEffectiveAgNanoparticlesImmobilizedAntimicrobialNanoNonwovens,[J]

AdvancedEngineeringMaterials.

2012,14,-B246.圖7純聚苯乙烯電紡絲和固定銀顆粒的電紡絲兩種成分不同的電紡絲，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試分析，觀察其各方面性能的差異并找出原因。圖8(a)AFM外貌圖(b)銀納米顆粒聚苯乙烯電紡絲粘附力，(c)a和b相對(duì)應(yīng)的剖面圖。對(duì)圖4的分析，III-III‘和IV-IV’處粘附力的值相近，所以可以得出銀納米顆粒被一層聚合物包裹。圖9抗菌性實(shí)驗(yàn)測(cè)試：(a)瓊脂培養(yǎng)基,(b)液體培養(yǎng)基分析上圖，對(duì)各個(gè)培養(yǎng)基中細(xì)菌菌落數(shù)進(jìn)行對(duì)比可知，沒有添加電紡絲樣品和加入未經(jīng)紫外線降解處理的樣品都不具有殺菌效果；而加入經(jīng)紫外線降解處理15min的樣品的培養(yǎng)基中，菌落數(shù)明顯較少，可以證明其有殺菌性能。對(duì)處理后的電紡絲做紫外可見光測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)其銀納米顆粒沒有損失。在含有銀納米顆粒的電紡絲中，起著殺菌作用的是銀納米顆粒。然而納米顆粒被聚合物覆層包裹，殺菌性能被抑制；要想發(fā)揮其殺菌性能，就要想辦法把覆層降解，讓銀納米顆粒裸漏出來。圖10(a)用紫外線去除聚合物覆層的示意圖，(b-d)分別為紫外線處理0、10、15分鐘是的XPS圖譜。圖(b)沒有銀的光譜特征，也沒有本來應(yīng)該來自PVP的N1s和O1s光譜特征。考慮到XPS深度分辨率可以基本確定聚合物覆層的厚度至少有10nm。課題研究目標(biāo)、內(nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題研究目標(biāo)目前已有充分的證據(jù)證明銀對(duì)除了細(xì)菌之外的一些高等級(jí)的生物也是有毒性的，例如魚、果蠅以及一些哺乳類動(dòng)物的細(xì)胞。所以安全問題就成了應(yīng)用納米銀抗菌材料時(shí)首先應(yīng)該克服同時(shí)也是最主要的問題。因此，需要探索出一種既可以利用納米銀的抗菌性，又可以避免其毒性的應(yīng)用方法。這就需要制備一種新的納米銀復(fù)合材料，可以在應(yīng)用納米銀殺菌的同時(shí)，納米銀不會(huì)滲透和擴(kuò)散到被殺菌物體內(nèi)而造成二次污染。

研究?jī)?nèi)容（1） 水熱法合成銀納米線，并對(duì)所合成的銀納米線進(jìn)行表征分析，以驗(yàn)證合成銀納米線的實(shí)驗(yàn)工藝是否合理。（2） 將合成的銀納米線與聚合物溶液混合均勻，進(jìn)行靜電紡絲。（3） 對(duì)電紡絲產(chǎn)物進(jìn)行表征，并從得到的數(shù)據(jù)中分析電紡絲的結(jié)構(gòu)。（4） 對(duì)收集到的電紡絲產(chǎn)物進(jìn)行處理，然后做抗菌性實(shí)驗(yàn)（5） 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，找出該課題所取得的研究成果以及不足之處。圖11靜電紡絲合成復(fù)合纖維的示意圖靜電紡絲過程中所用的銀納米線是在紡絲前用水熱法制備的。將制備的銀納米線與聚合物溶液充分混合形成電紡液進(jìn)行靜電紡絲合成復(fù)合纖維膜。采用靜電紡絲是因?yàn)槠涔に嚭?jiǎn)單，操作方便，成本較低，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。PolymerAgNanocablemodel(a)銀納米線在電紡絲中橫向分布(b)銀納米線在電紡絲中與中軸成一定角度分布圖12預(yù)測(cè)電紡絲中銀納米線的分布狀態(tài)分布狀態(tài)直接影響銀納米線在抗菌實(shí)驗(yàn)中與細(xì)菌的接觸面積，所以銀納米線的分布狀態(tài)對(duì)其抗菌性有很大的影響。接觸面積越大，抗菌性能越強(qiáng)。在圖8中我們預(yù)測(cè)得到的銀納米線在電紡絲中的復(fù)合形式中，經(jīng)過處理后其可以與細(xì)菌接觸的面積也許比是銀納米顆粒時(shí)大。擬解決的關(guān)鍵問題解決銀納米線在作為抗菌材料應(yīng)用于殺菌生產(chǎn)活動(dòng)時(shí)，銀因其毒性滲透到被殺菌物品中而對(duì)其造成二次污染；以及解決了銀在用于殺菌時(shí)難以回收的問題。這種方法提高了銀納米線殺菌時(shí)的安全性，降低了成本。課題的可行性分析及特色創(chuàng)新用水熱法合成銀納米線在理論和實(shí)踐上都是可行的，關(guān)于水熱法合成銀納米線因其制備方法簡(jiǎn)便、條件溫和而具有一定的優(yōu)勢(shì)。將銀納米線與PVP溶液混合合成電紡絲，在混合溶液中PVP溶液的流動(dòng)性要好于銀納米線，所以在紡絲的過程中，銀納米線會(huì)被包裹在PVP覆層中，這樣就相當(dāng)于銀納米線鑲嵌在覆層內(nèi)，提高了該復(fù)合