1.
INTRODUCCIÓN
Es bien sabido que el desarrollo de industria textil depende de la
investigación, innovación e implementación de tecnologías que permitan crear
nuevos materiales textiles con propiedades de funcionalidad para satisfacer un
mayor número de actividades que no serían posibles obtener con los textiles
convencionales.
Los nanoacabados son un nuevo concepto que
esta recientemente acaparando la atención dentro del área del sector textil, ya
que mediante la incorporación de nanopartículas está siendo posible generar
telas con una variedad de propiedades jamás imaginables [1] como es el
incremento de su resistencia, telas anti-manchas y
que no se arruguen, resistentes al fuego, que cambian de color (dependiendo las
condiciones climáticas a las que sean expuestas), que eviten la formación de
bacterias, que sean auto-limpiables, telas con
propiedades de protección a los rayos UV y repelentes al agua [2].
Las nanopartículas definidas como entes cristalinos o amorfos con
tamaños en la escala nanométrica y con formas irregulares hasta esféricas, son
materiales que presentan nuevas y extraordinarias propiedades ópticas,
estructurales, eléctricas y altos valores de área/volumen que están siendo
aprovechadas para el desarrollo de telas textiles con nuevas propiedades de funcionalidad.
A nuestro
conocimiento, no existe reporte alguno sobre el efecto del tamaño de
nanopartícula de Ag en la propiedad superhidrofóbica
de la tela de algodón, por lo que en este trabajo se presenta los resultados de
la preparación de un nanotextil de algodón
conteniendo nanopartículas de Ag con diferentes tamaños y con la modificación superficial con HDTMS. La propiedad superhidrofóbica del nanotextil
es estudiada en función del tamaño de las nanopartículas metálicas.
2.
DETALLES EXPERIMENTALES
2.1. Reactivos
Para la preparación de los nanotextiles
conteniendo nanopartículas de plata (NPs-Ag) se
utilizaron los siguientes reactivos; Hidróxido de Sodio (NaOH, al 99.0%),
Peróxido de Hidrogeno (H2O2, al 99.0%), Silicato de Sodio
(Na2SiO3),
Carbonato de Sodio (Na2CO3), Abrillantador, Nitrato de
Plata (AgNO3, al 99.0%), Ácido Ascórbico (C6H8O6,
al 99.0%), Borohidruro de Sodio (NaBH4, al 99.0%), Citrato de Sodio
(Na3C6H5O7, al 99.0%), Hidróxido de
Potasio (KOH, al 85%), Etanol (C2H5OH), Hexadeciltrimethoxisilano (HDTMS, al 85%), y Ácido Acético Glacial (CH3COOH, al
99.7%), todos adquiridos de Sigma Aldrich. Jabón neutro (Extran
MA O2, Merck) fue utilizado para el lavado de todo el equipo de
laboratorio.
2.2. Equipo de caracterización
La formación de las nanopartículas de Ag fue monitoreada utilizando
espectros de absorción óptica en el rango UV-Vis (200-400 nm) con un
espectrofotómetro de barrido UV-Vis-NIR (Thermo Scientific, modelo Evolution 600). Un equipo de difracción de rayos-X Rigaku D/Max-C con radiación Kα-Cu fue utilizado para
la caracterización estructural de las nanopartículas de Ag.
3.
PREPARACIÓN DEL NANOTEXTIL DE ALGODÓN CONTENIENDO
NANOPARTICULAS DE PLATA CON DIFERENTES TAMAÑOS
3.1. Descrude
y blanqueo.
Una tela cruda de algodón 100 % con una densidad superficial
correspondiente a 175 g/m2 para el tejido plano por urdimbre “Tafetan” y 200 g/m2 para el tejido de punto “Single Jersey”, ambos tejidos fueron utilizados durante este
trabajo. La tela adquirida fue primeramente acondicionada a través de un
proceso de descrude para eliminar las impurezas
naturales y adquiridas durante su procesamiento. Para el proceso de descrude
se utilizó 1g de textil y fue tratado con una solución caliente (80-90 °C) de
NaOH a una concentración (40 - 100 gr/l al 100%) con un tiempo de permanencia
de 30 a 45 min, a fin de asegurar la eliminación completa de compuestos no
deseados. Después de un proceso de lavado, la tela de algodón presentó buenas
propiedades de absorbancia.
Para el blanqueo
de la tela de algodón se utilizaron productos que por la reacción química
liberen oxígeno; el peróxido de hidrógeno fue el elemento químico utilizado
para esta tarea, el textil fue sumergido en una solución conteniendo H2O2
(2 gr/l) por un tiempo de 30 min a temperatura de 80 – 90 °C. La tela de
algodón fue posteriormente lavada con jabón neutro, enjuagada con suficiente
agua desionizada y sumergida en etanol todo a temperatura de 65°C y en
agitación a 110 revoluciones por minuto (rpm) durante 5 min; para la
eliminación de las impurezas restantes el textil fue tratado térmicamente a 70
°C durante 15 min.
3.2 Activación química de la
superficie textil
Después del proceso de descrude, blanqueo y
lavado las muestras textiles fueron activadas químicamente. En la Figura 1. Se ilustra el proceso de
activación química del textil, la tela de algodón fue trata con hidróxido de
potasio (1 M) a temperatura ambiente por 10 min bajo agitación moderada.
Posteriormente, las muestras fueron lavadas varias veces con agua abundante
para remover el exceso de KOH y obtener una superficie de “Celulosa-Potasio”
(CP).
Figura 1 Ilustración esquemática de la síntesis in-situ
de NPs- Ag sobre textil de algodón.
3.3 Síntesis In-situ
de nanopartículas de plata sobre la tela de algodón
Una capa de iones de Ag fue formada primeramente sobre la tela de
algodón a través de una reacción de intercambio iónico con una solución de AgNO3.
Las muestras textiles CP fue sumergida en una solución acuosa de AgNO3 (0.02
M) bajo agitación moderada por 30 min a temperatura ambiente para el
intercambio de los iones potasio por los iones de Ag.
Al término del intercambio iónico, las muestras fueron enjuagadas varias
veces con agua para eliminar exceso de reactantes y tratadas térmicamente a 90
°C por 45 min. Muestras de “Tela de Algodón Celulosa/Plata” fueron así
obtenidas. Para la síntesis in-situ de las nanopartículas de Ag, la Tela de Algodón
Celulosa/Plata fue sumergida en una solución reductora por 30 min con agitación
moderada en un matraz de vidrio de 25 ml. La formación de las nanopartículas de
plata fue observada de manera instantánea sobre la superficie del textil
producto del proceso de nucleación y crecimiento [3,4].
Un cambio de color de blanco a amarillo-verdoso oscuro fue observado
producto de la formación de partículas de Ag en la escala nanométrica. Al
término de la formación de las nanopartículas, la tela de algodón conteniendo
nanopartículas fue lavada con exceso de agua y sometida a un tratado térmico a
65 °C durante 60 min para asegurar el anclaje de las nanopartículas de Ag.
Muestras denotadas como “Tela de Algodón/NPs-Ag”
fueron obtenidas al término de esta etapa. En la Figura 1. Se representa de
manera esquemática la síntesis in-situ de las NPs-Ag.
Para controlar el tamaño de las nanopartículas de Ag formadas in-situ sobre las
fibras de algodón, soluciones conteniendo tres diferentes agentes reductores
(0.01 M) fueron utilizadas: borohidruro de sodio (NaBH4), ácido
ascórbico (C6H8O6) y citrato de sodio (Na3C6H5O7),
respectivamente. Para el caso de la reducción con citrato de sodio, se utilizó
una temperatura de 90 °C por 30 min bajo agitación moderada.
3.4 Modificación superficial de la
tela de algodón conteniendo nanopartículas de Ag
Para disminuir la energía superficial de la tela de Algodón/Ag-NPs e incrementar el valor hidrofóbico del textil, las
muestras de Algodón/NPs-Ag fueron tratadas con HDTMS.
En este proceso, las muestras de la tela de algodón/NPs-Ag
fueron inmersas en una solución alcohólica (1 % vol.) de HDTMS pre-hidrolizada.
La solución es agitada a 95 rpm durante 60 min a temperatura ambiente.
Las muestras fueron lavadas con agua y etanol varias veces. Un tratamiento
térmico a 90 °C por 30 min fue utilizado en las muestras para obtener
finalmente un nanotextil conteniendo NPs-Ag.
4.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Para caracterizar la formación y tamaño nanométrico de las NPs-Ag [5] en el textil, espectros de absorción óptica
fueron obtenidos después del proceso de la síntesis in-situ. Los nanotextiles
conteniendo NPs-Ag fueron sacudidos suavemente en una
solución ácida para separar las partículas de Ag de la superficie de las fibras
textil, las partículas así obtenidas en la solución fueron dispersadas en 2.5
ml de H2O. La dispersión coloidal de Ag obtenida fue caracterizada
utilizando un espectrofotómetro de UV-Vis. En la Figura 2. Se muestran los
espectros de absorción de cada una de las dispersiones coloidales obtenidas de
los correspondientes nanotextiles.
La Figura 2a. Corresponde al espectro de la muestra nanotextil
obtenido con la reducción de NaBH4, en la Figura 2b. Pertenece al C6H8O6
y por último en la Figura 2c. Es del Na3C6H5O7.
Se pueden observar un máximo de absorción en 400, 403 y 406 nm,
respectivamente. La posición de picos corresponde a la presencia de partículas
de Ag con tamaños en la escala nanométrica. La variación de la posición de los
picos es producto de la presencia de nanopartículas con diferentes tamaños.
Partículas más pequeñas de Ag son observadas para longitudes de onda menores
del máximo de absorción.
Figura 2 Espectro UV-Vis de NPs Ag
utilizando como sistema reductor: a) NaBH4, b) C6H8O6
y c) Na3C6H5O7,
respectivamente.
Para corroborar el tamaño de las partículas de plata en la superficie
del textil, así como la calidad cristalina de las misma, difractogramas
de rayos-X de las muestras fueron obtenidos,
ver Figura 3. Los difractogramas
del nanotextil conteniendo NPs-Ag
presentan señales que corresponden a picos localizados a 2θ en 38.1°,
44.3°, 64.5° y 77.5° correspondientes a los planos (111), (200), (220) y (311)
de una muestra de plata con estructura cristalina tipo cúbica.
Para predecir el tamaño nanométrico de las partículas de Ag, se utilizó
la señal de difracción de rayos-X y la ecuación de Scherrer
para el pico correspondiente al (111) de cada una de las muestras con diferente
reductor. Los tamaños estimados de las NPs Ag fueron
de 9.6 nm utilizando al NaBH4 como sistema reductor, 12.7 nm
utilizando al C6H8O6 y 19.2 nm utilizando al
Na3C6H5O7. Esta variación del
tamaño es producto de los diferentes procesos de nucleación y crecimiento de
las nanopartículas de Ag con los diferentes tipos de reductores.
Figura 3 Difractogramas de rayos X del Nanotextil conteniendo NPs-Ag utilizando como sistema reductor: a) NaBH4, b) C6H8O6 y c) Na3C6H5O7,
respectivamente.
La propiedad superhidrofóbica del textil se
desarrolló mediante la combinación de una nanorugocidad
adquirida por la formación de las NPs-Ag [6,7] y la
formación de un recubrimiento de HDTMS para tener una baja energía superficial
sobre la superficie del sustrato de algodón, Figura 4. Esta combinación
contribuye al incremento de la hidrofobicidad de la tela de algodón con ángulos
de contacto mayores a 160°.
Figura 4 Combinación de nanorugosa más recubrimiento
de la superficie del textil con HDTMS.
En la Figura 5. Se
muestran imágenes fotográficas de la tela de algodón sin tratamiento y del nanotextil desarrollado utilizando al NaBH4 como sistema
reductor, es posible observar el color amarillo verdoso del nanotextil
indicando la presencia de partículas de Ag en escala nanométrica. La presencia
de las gotas esféricas de agua coloreadas sobre la superficie del nanotextil es producto de la propiedad superhidrofóbica
desarrollada [4]; una mojabilidad del 100 % fue observada para el textil de
algodón sin el nanoacabado. Similares resultados
fueron obtenidos en los nanotextiles con los sistemas
reductores de C6H8O6
y Na3C6H5O7.
Figura 5 Sustrato textil sin tratamiento(izquierda) y nanotextil
conteniendo NPs-Ag desarrollado (derecha).
La medición del ángulo de contacto es la manera de cuantificar las
propiedades morfológicas y químicas de la superficie del nanotextil
conteniendo NPs-Ag obtenido de manera práctica [8,9].
Para cuantificar el valor superhidrofóbico, se
procedió a medir el ángulo de contacto de los correspondientes nanotextiles. Para tal efecto se depositó una gota de agua
de 5µL sobre la superficie del textil funcionalizado.
Posteriormente se obtuvieron las imágenes correspondientes con una cámara
réflex digital marca NIKON de 24 megapíxeles.
Figura 6 Micrografía del nanotextil conteniendo NPs- Ag, utilizada para cuantificar el ángulo de contacto
con el software ImageJ.
Las imágenes obtenidas fueron
procesadas con el software ImageJ para obtener la
medida del ángulo de contacto, los resultados obtenidos se presentan en la
Figura 7. Incisos a, b, y c respectivamente.
Figura 7 Valores de la medición del ángulo de contacto del nanotextil
conteniendo NPS-Ag utilizando como
sistema reductor: a) borohidruro de Sodio, b) ácido ascórbico, c) citrato de
sodio.
Los valores obtenidos, en las imágenes anteriores, muestran mediciones
de ángulos de contacto mayores a 160° indicando que la propiedad de superhidrofóbicidad ha sido lograda. Mayor propiedad superhidrofóbica se desarrolló para el nanotextil
conteniendo nanopartículas de Ag con tamaños más pequeños.
5.
CONCLUSIONES
Se logró exitosamente la síntesis controlada In-Situ de NPs-Ag sobre fibras de algodón para el desarrollo de nuevos
textiles funcionales (nanotextiles) con propiedades
de superhidrofobicidad.
El tamaño nanométrico de las partículas de Ag fue controlado variando el
tipo de reductor químico. Nanopartículas de Ag bien definidas con tamaños de
9.6 nm fueron sintetizadas sobre la tela de algodón utilizando al borohidruro
de sodio como agente reductor, tamaños de 12.7 nm y 19.5 nm fueron obtenidas
con ácido ascórbico y citrato de sodio, respectivamente.
Utilizando la espectroscopia de UV-Vis fue posible monitorear la
existencia de las NPs-Ag a través de la presencia y
posición de la resonancia del plasmón superficial de las nanopartículas con
diferentes tamaños. La presencia y tamaño de NPs-Ag
sobre la superficie de los textiles de Algodón fue corroborada mediante la
técnica de Difracción de rayos-X.
Los nanotextiles mostraron excelentes
propiedades de superhidrofóbicidad con ángulos de
contacto superiores a 160 º. Mayores ángulos de contacto fueron obtenidos para nanotextiles conteniendo NPs-Ag
con menores tamaño.
REFERENCIAS
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Nanotextiles: A Review of Materials and Applications. MRS Bulletin, 32(5),
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[4] El-Rafie, M.H., Shaheeen, T. I.,
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