纳米线聚合物复合纳米材料的静电纺丝法制备及其抗菌性能研究.pptx
1、课题的研究背景、意义及现状、课题的研究背景、意义及现状2、课题研究目标、内容及拟解决的关键问题、课题研究目标、内容及拟解决的关键问题3、课题的可行性分析及特色创新、课题的可行性分析及特色创新4、课题进度安排、课题进度安排第1页/共24页课题的研究背景、意义及现状研究背景 纳米银由于小尺寸效应和较大的比表面积，其抗菌效果好，且效力持久，是一种具有长效性和耐候性的抗菌剂。但是纳米银易于氧化和聚合，这就对银的回收再利用带来困难，并且造成成本居高不下；而且银有毒性，在用纳米银杀菌的过程中，容易造成二次污染。因此，成本较高以及存在二次污染的风险限制了纳米银作为一种抗菌材料在各领域的应用。第2页/共24页welcome to use these PowerPoint templates,New Content design,10 years experience研究意义研究意义 银具有良好的抗菌性，所以银在生物医学、水及空气净化、食品生产、化妆品、纺织以及许多家居产品方面都有着良好的应用前景。只要解决纳米银作为抗菌材料使用过程中的回收问题，就能够极大的降低成本，同时也就解决了二次污染的问题。这就为纳米银在各领域抗菌方面的应用扫除了障碍。第3页/共24页研究现状 在纳米银的表面包覆聚合物，可以有效地提高纳米银的稳定性，阻止了纳米银的聚合；以及降低纳米银的毒性。其中，纳米纤维比表面积大、吸附性好，可以作为纳米银的优良载体。静电纺丝是制备纳米纤维的一种简单有效的方法。目前有些报道是在电纺溶液中加入银盐，然后通过加热、紫外线照射以及化学处理来还原银离子使其成为银纳米颗粒，从而获得纳米银/聚合物复合纳米材料。也有报道是将制备好的纳米银直接加入到电纺聚合物溶液中进行纺丝。第4页/共24页表1 含纳米银粒涂料的抗菌性能张文钲,王广文,等.纳米银抗菌材料研发现状J.化工新型材料，2003,(31),2,42-44.第5页/共24页张文钲,王广文,等.纳米银抗菌材料研发现状J.化工新型材料，2003,(31),2,42-44.不同抗菌物质的杀菌效果图1 纳米银粒、磺胺嘧啶银和硝酸银杀菌作用比较第6页/共24页水热法合成的纳米银(a)反应温度100(b)反应温度120(c)反应温度150图2 不同反应温度下反应24h所得产物的TEM图片图中产物的水热合成条件为：Gemini 表面活性剂存在的情况下，以各自温度在水热反应釜中反应24h。温度对产物形貌有很大影响。对水热反应中银纳米线的形貌的影响因素还有反应时间、原料种类、PVP与硝酸银摩尔比、搅拌速度、进料速度等。徐建、韩霞，等.水热合成法制备高长径比的银纳米线J.过程工程学报，2006,(6)2,323-326.第7页/共24页醇热法合成银纳米线图3 140 不同反应时间下所得产物的SEM 和TEM 照片所得银纳米线直径约80 nm,长度分布在40100 m 之间。其合成条件为：140，水热反应釜中反应一定时间。2000r/min多次离心洗涤后60温度下干燥4h。常鹏梅，陈亚芍，等.醇热法合成单晶银纳米线及其表征J.化学学报，2009(69),6,523-528.第8页/共24页图4 双甘氨肽模板法合成的单晶银纳米片模板法合成银纳米片图中银纳米片的宽度约为800nm，厚度约为50nm。合成银纳米线的方法还有很多种，如：气相合成法、溶胶凝胶法、热解法等。不同的合成方法，不同的合成参数，不同的操作步骤都有可能会得到不同形貌的纳米银。不同形貌的纳米银或许会有不同的抗菌性能。Jianhui Yang，et.al,Glycyl Glycine Templating Synthesis of Single-Crystal Silver Nanoplates.J.CRYSTAL GROWTH&DESIGN,2006,(6),9,2155-2158.第9页/共24页静电纺丝的工艺示意图静电纺丝的工艺示意图静电纺丝就是聚合物溶液或熔体(电纺液)在一定的高压静电场内，带电的聚合物液滴在电场 力 的 作 用 下 在 毛 细 管 的Taylor锥顶点克服表面张力形成喷射细流，从而形成纳米纤维的一种合成方法。图5 静电纺丝示意图第10页/共24页图6 银纳米颗粒的(a)SEM图，(b)TEM图，(c)HRTEM图，(d)XPS图谱由(a)SEM和(b)TEM图片可以知道纳米颗粒的平均直径约为80纳米；(c)可以看出该纳米颗粒为单晶结构；(d)XPS图谱可以知道纳米颗粒中不仅有银，还有碳、氮、氧等元素，这些元素来自于聚合物PVP。Jie Song.et al,Safe and Effective Ag Nanoparticles Immobilized Antimicrobial NanoNonwovens,J Advanced Engineering Materials.2012,14,-B246.第11页/共24页图7 纯聚苯乙烯电纺丝和固定银颗粒的电纺丝两种成分不同的电纺丝，对其进行测试分析，观察其各方面性能的差异并找出原因。第12页/共24页图8(a)AFM外貌图(b)银纳米颗粒聚苯乙烯电纺丝粘附力，(c)a和b 相对应的剖面图。对图4的分析，III-III和IV-IV处粘附力的值相近，所以可以得出银纳米颗粒被一层聚合物包裹。第13页/共24页图9 抗菌性实验测试：(a)琼脂培养基,(b)液体培养基分析上图，对各个培养基中细菌菌落数进行对比可知，没有添加电纺丝样品和加入未经紫外线降解处理的样品都不具有杀菌效果；而加入经紫外线降解处理15min的样品的培养基中，菌落数明显较少，可以证明其有杀菌性能。对处理后的电纺丝做紫外可见光测试，可以发现其银纳米颗粒没有损失。第14页/共24页在含有银纳米颗粒的电纺丝中，起着杀菌作用的是银纳米颗粒。然而纳米颗粒被聚合物覆层包裹，杀菌性能被抑制；要想发挥其杀菌性能，就要想办法把覆层降解，让银纳米颗粒裸漏出来。图10 (a)用紫外线去除聚合物覆层的示意图，(b-d)分别为紫外线处理0、10、15分钟是的XPS图谱。图(b)没有银的光谱特征，也没有本来应该来自PVP的N1s和O1s光谱特征。考虑到XPS深度分辨率可以基本确定聚合物覆层的厚度至少有10 nm。第15页/共24页课题研究目标、内容及拟解决的关键问题课题研究目标、内容及拟解决的关键问题研究目标研究目标 目前已有充分的证据证明银对除了细菌之外的一些高等级的生物也是有毒性的，例如鱼、果蝇以及一些哺乳类动物的细胞。所以安全问题就成了应用纳米银抗菌材料时首先应该克服同时也是最主要的问题。因此，需要探索出一种既可以利用纳米银的抗菌性，又可以避免其毒性的应用方法。这就需要制备一种新的纳米银复合材料，可以在应用纳米银杀菌的同时，纳米银不会渗透和扩散到被杀菌物体内而造成二次污染。第16页/共24页研究内容研究内容（1）水热法合成银纳米线，并对所合成的银纳米线进行表征分析，以验证合成银纳米线的实验工艺是否合理。（2）将合成的银纳米线与聚合物溶液混合均匀，进行静电纺丝。（3）对电纺丝产物进行表征，并从得到的数据中分析电纺丝的结构。（4）对收集到的电纺丝产物进行处理，然后做抗菌性实验（5）分析实验结果，找出该课题所取得的研究成果以及不足之处。第17页/共24页图11 静电纺丝合成复合纤维的示意图静电纺丝过程中所用的银纳米线是在纺丝前用水热法制备的。将制备的银纳米线与聚合物溶液充分混合形成电纺液进行静电纺丝合成复合纤维膜。采用静电纺丝是因为其工艺简单，操作方便，成本较低，适用于大规模生产。第18页/共24页PolymerAgNanocable model(a)银纳米线在电纺丝中横向分布(b)银纳米线在电纺丝中与中轴成一定角度分布图12 预测电纺丝中银纳米线的分布状态分布状态直接影响银纳米线在抗菌实验中与细菌的接触面积，所以银纳米线的分布状态对其抗菌性有很大的影响。接触面积越大，抗菌性能越强。在图8中我们预测得到的银纳米线在电纺丝中的复合形式中，经过处理后其可以与细菌接触的面积也许比是银纳米颗粒时大。第19页/共24页拟解决的关键问题拟解决的关键问题解决银纳米线在作为抗菌材料应用于杀菌生产活动时，银因其毒性渗透到被杀菌物品中而对其造成二次污染；以及解决了银在用于杀菌时难以回收的问题。这种方法提高了银纳米线杀菌时的安全性，降低了成本。第20页/共24页课题的可行性分析及特色创新课题的可行性分析及特色创新用水热法合成银纳米线在理论和实践上都是可行的，关于水热法合成银纳米线因其制备方法简便、条件温和而具有一定的优势。将银纳米线与PVP溶液混合合成电纺丝，在混合溶液中PVP溶液的流动性要好于银纳米线，所以在纺丝的过程中，银纳米线会被包裹在PVP覆层中，这样就相当于银纳米线镶嵌在覆层内，提高了该复合纤维的稳定性。用银纳米线的优势在于，电纺丝后形成的复合纤维经紫外线处理后能够与细菌接触的面积更大，这样抗菌性就会更强。第21页/共24页课题进度安排课题进度安排2013.062013.09 前期调研、策划。2013.092013.11 进行实验。2013.112013.12 整理、分析数据。2013.122014.02 成果整理，论文撰写。第22页/共24页Thank you!第23页/共24页感谢您的观看！第24页/共24页
