Hoog-presterende Ag-nanohaar-gecoate geactiveerde koolstofvezels via zelf-assemblage en snelle thermische annealing

Samenvatting

Anisotrope nanomateriaal-gemodificeerde koolstofvezels ontstaan als superieure alternatieven voor conventionele composieten. Hier rapporteren we de fabricatie van geactiveerde koolstofvezels (ACFs) dicht gedecoreerd met zilver nanohaar met behulp van een gemakkelijke zelf-assemblage-benadering gevolgd door snelle thermische annealing. Viscose vezels werden eerst geïmpregneerd met hypervertakte poly(amino-amine) (HBPAA)-gecapte zilver nanopartikelen (AgNPs), die elektrostatische aantrekking en amino-groep-mediatie boden voor monodisperse coating. daaropvolgende pre-oxidatie en verkoling in een open-oven produceerde ACFs die spontaan vloeibaar Ag uit hun poriën vrijgaven, wat solidificeerde tot nanodraden bij snelle afkoeling. FESEM bevestigde de aanwezigheid van Ag-nanohaar groeiend vanuit ACF-poriën; XPS en XRD toonden aan dat het zilver metalisch bleef na hogetemperatuurbehandeling, en TGA toonde aan dat de thermische stabiliteit bewaard bleef. De resulterende Ag-nanohaar-gecoate ACFs vertoonden robuuste, lange-termijn antibacteriële activiteit tegen zowel Escherichia coli als Staphylococcus aureus. Dit werk biedt een schaalbare route om metaal-nanodraad-gefunctionaliseerde geactiveerde koolstofvezels te ontwerpen met potentiële toepassingen in filtratiekatalyse en antimicrobiële textiel.

Achtergrond

Koolstofvezels (CFs) worden gedefinieerd als vezels die ten minste 92% koolstof per gewicht bevatten en worden doorgaans afgeleid van polymere precursoren zoals polyacrylonitril (PAN), pik, cellulose, lignine en polyethyleen [1,2]. PAN is lang de meest gebruikte precursor gebleven vanwege de uitstekende spinbaarheid en hoge koolstofopbrengst, doch de hoge productiekosten beperken nog steeds grootschalige implementatie. Cellulose-afgeleide geactiveerde koolstofvezels (ACFs) bieden een overtuigend, laag-kost alternatief: hun poreuze microstructuur biedt specifieke oppervlaktes van 1000–1500 m² g⁻¹ en miljoenen 1–4 nm microporiën, wat ze superieure adsorptieprestaties geeft vergeleken met conventioneel geactiveerd koolstof [3-5].

Nanotechnologie heeft de integratie van anorganische nanomaterialen met koolstofsubstraten versneld, wat synergistische eigenschappen ontgrendelt die elk component alleen overstijgen [6,7]. Bijvoorbeeld, Ag-nanopartikel (AgNP)-gedecoreerde CFs hebben een viervoudige toename in fotokatalytische CO₂-reductie tot CH₃OH gedemonstreerd, toegeschreven aan verbeterde CO₂-adsorptie en elektronenoverdracht [1]. evenzo hebben CoSe₂-nanopartikels gedeponeerd op driedimensionale CFs hoog-actieve, stabiele elektrokatalysatoren voor waterstofevolutie in zure media opgeleverd [8]. Echter, de meeste anorganische nanomaterialen zijn bolvormig; anisotrope structuren zoals nanodraden, nanosheets en kwantumdots worden steeds meer gezocht omdat ze richtingsgewijze geleiding, oppervlakte-plasmon-resonantie en mechanische vergrendeling kunnen opleveren [9].

In dit werk ontwierpen we ACFs "dik overgroeid" door Ag-nanohaar via een zelf-assemblage-route gevolgd door snelle thermische annealing. HBPAA-gemodificeerde AgNPs werden gesynthetiseerd via hydrothermale reductie op een HBPAA-sjabloon. Fungerend als een moleculaire lijm, stelde HBPAA positief geladen AgNPs in staat om uniform zich zelf te assembleren op viscose cellulose via elektrostatische aantrekking en waterstofbinding. De resulterende AgNP-gecoate VFs werden vervolgens onderwerp aan pre-oxidatie en verkoling in een open-oven afgedicht door hogetemperatuur-vlammen aan de inlaat en uitlaat. Snelle afkoeling bij uitgang activeerde capillaire-gedreven extrusie van vloeibaar Ag uit ACF-poriën, wat solidificeerde tot nanodraden die van het vezeloppervlak uitsteken.

Methoden

Bereiding van Ag-Nanohaar-Groeide ACFs

We synthetiseerden eerst HBPAA-gecapte AgNPs zoals beschreven in ons eerdere werk [10]. Viscose vezels (2 g) werden vervolgens gedompeld in een 4000 mg L⁻¹ AgNP-oplossing bij 98 °C gedurende 3 uur om zelf-assemblage op het vezeloppervlak toe te laten. Na drogen in een oven en opslag in het donker, werden de gecoate vezels onderwerp aan een twee-staps warmtebehandeling: (i) oxidatie bij 350 °C in een waterdamp-atmosfeer om ladder-typische polymeren te vormen, en (ii) verkoling tot 850 °C onder inert gas om turbostratisch koolstof te produceren. De oven was bewust open aan beide uiteinden en vlam-afgedicht, wat de vezels in staat stelde de kamer bij kamertemperatuur te verlaten, een cruciale stap voor de snelle contractie die vloeibaar Ag-extrusie drijft.

Metingen

Morfologie en elementaire verdeling werden onderzocht met FESEM (S-4200, Hitachi) uitgerust met EDS. Oppervlaktechemie werd onderzocht met XPS (ESCALAB 250 XI, Thermo Scientific) en XRD (D8 ADVANCE, Bruker). Thermisch gedrag werd beoordeeld via TGA (TG 209 F3 Tarsus, Netzsch). Antimicrobiële activiteit tegen E. coli en S. aureus werd geëvalueerd met de schud-flask-methode (GB/T 20944.3-2008).

Resultaten en Discussie

De zelf-assemblage en snelle thermische annealing strategie leverde ACFs dicht bedekt met Ag-nanohaar op, geïllustreerd in Fig. 1. FESEM-afbeeldingen (Fig. 2) onthulden dat onberispelijke VFs gladde, longitudinale golven bezitten, terwijl AgNP-gecoate VFs monodisperse heldere witte deeltjes (3–80 nm) toonden die de groef-morfologie behielden. Na verkoling werden de vezels fuzzy en droegen ze onregelmatig gevormde nanodraden (~50 nm) die van het oppervlak uitstaken, wat bevestigt dat AgNPs getransformeerd waren in nanodraden.

Dwarsdoorsnede FESEM (Fig. 3) toonde aan dat zowel zuivere ACFs als Ag-nanohaar-groeide ACFs overvloedige poriën bevatten. In de laatste leken Ag-nanodraden te groeien uit de poriënmondingen, met de ene uiteinde geankerd in de poort, wat een groeimechanisme suggereert gedreven door capillair infiltratie van vloeibaar Ag in poriën en snelle solidificatie bij afkoeling. Het smeltpunt van 10–20 nm AgNPs (~129 °C) stelt verfluising in bij de verkolingstemperatuur (850 °C), en het hogetemperatuur vlam-afgedichte ovontwerp zorgt voor snelle afkoeling, wat het vloeibare Ag uit de poriën persst als nanodraden.

EDS-analyse (Fig. 4) detecteerde sterke Ag-signalen naast C en O, wat de aanwezigheid van zilver bevestigt. XRD (Fig. 6) toonde karakteristieke pieken van kubisch-vlakgecentreerd Ag (111, 200, 220, 311) in de Ag-nanohaar-groeide ACFs, wat aangeeft dat zilver metalisch bleef na hogetemperatuurbehandeling. XPS (Fig. 7) onthulde verder Ag 3d bindingsenergieën van 373,9 eV en 367,9 eV, consistent met metalisch Ag. De C/O-verhouding nam toe na verkoling, wat de verwijdering van zuurstofbevattende groepen en de generatie van CO/CH₄ reductanten weerspiegelt die waarschijnlijk geoxideerd Ag tot metalische vorm reducerden.

Thermogravimetrische analyse (Fig. 8) toonde aan dat de Ag-nanohaar-groeide ACFs uitstekende thermische stabiliteit behielden, met slechts 8,4% gewichtsverlies tot 1000 °C. De aanwezigheid van HBPAA op het vezeloppervlak fungeerde als een beschermende schil, wat de ontleding tijdens oxidatie vertraagde. De thermische prestaties van Ag-nanohaar-groeide ACFs matched die van zuivere ACFs, wat bevestigt dat de Ag-coating de structurele integriteit niet compromis.

Antibacteriële tests (Tabel 1) toonden aan dat de Ag-nanohaar-groeide ACFs >99% inhibitie bereikten tegen E. coli en S. aureus, zelfs na 30 ultrasoon-wassen. De duurzame activiteit wordt toegeschreven aan de sterke mechanische vergrendeling tussen het Ag-nanohaar en de poreuze ACF-matrix, wat lekkage van Ag-nanopartikelen voorkomt.

Tabel 1 vat de antibacteriële activiteit samen.

Conclusies

Samenvattend hebben we een schaalbare methode ontwikkeld om Ag-nanohaar-gecoate geactiveerde koolstofvezels te fabriceren door HBPAA-gemediëerde zelf-assemblage te combineren met een open-oven snelle-afkoeling. De resulterende vezels vertonen een dicht netwerk van metalische zilver-nanodraden die stevig inbed zijn in de poreuze koolstofmatrix, wat het materiaal voorziet van uitstekende thermische stabiliteit en opmerkelijke, lange-termijn antibacteriële prestaties. Deze benadering biedt een veelzijdig platform voor het integreren van anisotrope metaal-nanostructuren op geactiveerde koolstofvezels voor toepassingen variërend van filtratiekatalyse tot antimicrobiële textiel.