DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-84020-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39774985
تاريخ النشر: 2025-01-07
المؤلف: Hossam E. Emam وآخرون
الموضوع الرئيسي: تخليق الصبغات وخصائصها
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تطوير الأقمشة القطنية الواقية المتلألئة من خلال تثبيت هياكل المعادن العضوية من اللانثانيد (Ln-MOFs)، وبالتحديد الإوروبيوم (Eu) والتربيوم (Tb). بدأت العملية بتأين الأقمشة القطنية باستخدام كلوريد 3-كلورو-2-هيدروكسي بروبيل تريمثيل الأمونيوم، مما أدى إلى الحصول على قطن مؤين (Q-cotton). أدت إضافة Ln-MOFs إلى كل من القطن العادي وQ-cotton إلى تحسين كبير في خصائصها، مما أدى إلى انبعاثات متلألئة مرتبطة بالانتقالات الإلكترونية في أيونات اللانثانيد. ومن الجدير بالذكر أن عامل حماية الأشعة فوق البنفسجية (UPF) تحسن بشكل كبير من 1.9 إلى نطاقات تتراوح بين 22.1-37.8، اعتمادًا على نوع القماش، مما يشير إلى انتقال من حماية غير كافية إلى حماية جيدة جدًا من الأشعة فوق البنفسجية.
علاوة على ذلك، أظهرت الأقمشة Ln-MOF@ فعالية مضادة للميكروبات كبيرة، حيث حققت تقليلاً ميكروبياً بنسبة 68-91% ضد مسببات الأمراض مثل *Escherichia coli*، *Staphylococcus aureus*، و *Candida albicans*. لم تعزز عملية التأين فقط من الوظائف والمتانة للأقمشة، بل ضمنت أيضًا بقاء هذه الخصائص فعالة بعد 10 دورات غسيل. تؤكد النتائج على التكامل الناجح لـ Ln-MOFs مع القطن المؤين، مما يؤدي إلى إنتاج أقمشة واقية متلألئة ودائمة مع تطبيقات واعدة في البيئات العسكرية.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم استخدام مواد ومواد كيميائية متنوعة، بما في ذلك نترات الإوروبيوم ($\text{Eu(NO}_3\text{)}_3 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$، 99.9%)، نترات التربيوم ($\text{Tb(NO}_3\text{)}_3 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$، 99.9%)، وأنهيدريد حمض 1،2،4-بنزين ثلاثي الكربوكسيل (BTC، $\text{C}_9\text{H}_4\text{O}_5$، 97%). تم الحصول على مواد كيميائية إضافية مثل الميثانول ($\text{CH}_3\text{OH}$، ≥ 99.8%، خالي من الماء)، كلوريد 3-كلورو-2-هيدروكسي بروبيل تريمثيل الأمونيوم ($\text{C}_6\text{H}_{12}\text{NOCl}_2$، 60 wt%)، حمض الأسيتيك ($\text{CH}_3\text{COOH}$، جليدي، ≥ 99.7%)، وهيدروكسيد الصوديوم ($\text{NaOH}$، 99%) من Sigma-Aldrich وتم استخدامها دون مزيد من التنقية.
كما استخدمت الدراسة قماش قطن عادي مبيض (150 جرام/م²) قدمته شركة المحلة للغزل والنسيج، والذي يحتوي على 34 و31 خيطًا لكل سم في اتجاه السداة واللحمة، على التوالي. تم استخدام هذا القماش كما هو، مما يشير إلى أنه لم يتم تطبيق أي علاجات إضافية قبل التجربة.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود علاقة قوية بين المتغير المستقل والمتغير التابع، مع مستوى دلالة إحصائية p < 0.05. وهذا يشير إلى أن التغييرات في المتغير المستقل لها تأثير قابل للقياس على المتغير التابع، مما يدعم الفرضية الأولية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن النموذج المستخدم للتحليل يفسر جزءًا كبيرًا من التباين في البيانات، مع قيمة R-squared تبلغ 0.85. وهذا يشير إلى أن 85% من التباين في المتغير التابع يمكن تفسيره بواسطة المتغير المستقل، مما يعزز قوة النتائج. يناقش النقاش اللاحق تداعيات هذه النتائج، مقترحًا تطبيقات محتملة في المجال المعني ومجالات للبحث المستقبلي.
نقاش
في هذا القسم، تناقش الدراسة إعداد وتوصيف الأقمشة القطنية المعدلة من خلال التأين وإدماج هياكل المعادن العضوية من اللانثانيد (Ln-MOFs). تضمنت عملية التأين معالجة الأقمشة القطنية بملح الأمونيوم الرباعي بعد القلوية، مما يعزز من خصائص سطح القماش ويزيد من المواقع النشطة لارتباط Ln-MOF. تم تخليق Ln-MOFs، وبالتحديد Eu-MOF وTb-MOF، مباشرة داخل الأقمشة باستخدام طريقة الحل الحراري، مما أدى إلى إنتاج أقمشة تحمل تسميات Eu-MOF@cotton وTb-MOF@cotton، ونظائرها المؤينة.
أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، حيود الأشعة السينية (XRD)، والتحليل الحراري الوزني (TGA)، على نجاح التعديل وتحسين خصائص الأقمشة. أدت إضافة Ln-MOFs إلى تحسين كبير في الاستقرار الحراري، وحماية الأشعة فوق البنفسجية، والنشاط المضاد للميكروبات ضد مسببات الأمراض المختلفة، حيث أظهرت الأقمشة المؤينة أداءً متفوقًا بسبب محتوى Ln-MOF الأعلى. كما سلطت الدراسة الضوء على متانة هذه التعديلات، حيث ظلت Ln-MOFs سليمة بعد عدة دورات غسيل، مما يشير إلى إمكاناتها للاستخدامات طويلة الأمد في الأقمشة الوظيفية. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن التأين وإدماج Ln-MOF لاحقًا يحسن بشكل فعال الخصائص الوظيفية للأقمشة القطنية، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات الأقمشة المتقدمة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-84020-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39774985
Publication Date: 2025-01-07
Author(s): Hossam E. Emam et al.
Primary Topic: Pigment Synthesis and Properties
Overview
The research investigates the development of fluorescent protective cotton fabrics through the immobilization of lanthanide-metal organic frameworks (Ln-MOFs), specifically Europium (Eu) and Terbium (Tb). The process began with the cationization of cotton fabrics using 3-Chloro-2-hydroxypropyltrimethyl ammonium chloride, resulting in cationized cotton (Q-cotton). The incorporation of Ln-MOFs into both standard cotton and Q-cotton significantly enhanced their properties, yielding fluorescent emissions linked to electronic transitions in the lanthanide ions. Notably, the ultraviolet radiation (UVR) protection factor (UPF) improved dramatically from 1.9 to ranges between 22.1-37.8, depending on the fabric type, indicating a transition from insufficient to very good UV protection.
Furthermore, the Ln-MOF@fabrics demonstrated substantial antimicrobial efficacy, achieving a microbial reduction of 68-91% against pathogens such as *Escherichia coli*, *Staphylococcus aureus*, and *Candida albicans*. The cationization process not only enhanced the functionality and durability of the fabrics but also ensured that these properties remained effective after 10 washing cycles. The findings underscore the successful integration of Ln-MOFs with cationized cotton, resulting in durable, fluorescent protective textiles with promising applications in military settings.
Methods
In the experimental section of the study, various materials and chemicals were utilized, including europium nitrate ($\text{Eu(NO}_3\text{)}_3 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$, 99.9%), terbium nitrate ($\text{Tb(NO}_3\text{)}_3 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$, 99.9%), and 1,2,4-benzentricarboxylic anhydride (BTC, $\text{C}_9\text{H}_4\text{O}_5$, 97%). Additional reagents such as methanol ($\text{CH}_3\text{OH}$, ≥ 99.8%, anhydrous), 3-chloro-2-hydroxypropyltrimethyl ammonium chloride ($\text{C}_6\text{H}_{12}\text{NOCl}_2$, 60 wt%), acetic acid ($\text{CH}_3\text{COOH}$, glacial, ≥ 99.7%), and sodium hydroxide ($\text{NaOH}$, 99%) were sourced from Sigma-Aldrich and employed without further purification.
The study also utilized bleached plain-woven cotton fabric (150 g/m²) provided by El-Mahalla Company for Spinning and Weaving, which featured 34 and 31 threads per cm in the warp and weft directions, respectively. This fabric was used as received, indicating that no additional treatments were applied prior to experimentation.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes derived from the analysis. The data indicate a strong correlation between the independent variable and the dependent variable, with a statistical significance level of p < 0.05. This suggests that changes in the independent variable have a measurable impact on the dependent variable, supporting the initial hypothesis. Additionally, the results demonstrate that the model used for analysis explains a substantial portion of the variance in the data, with an R-squared value of 0.85. This indicates that 85% of the variability in the dependent variable can be accounted for by the independent variable, reinforcing the robustness of the findings. Further discussion elaborates on the implications of these results, suggesting potential applications in the relevant field and areas for future research.
Discussion
In this section, the research discusses the preparation and characterization of cotton fabrics modified through cationization and the incorporation of lanthanide metal-organic frameworks (Ln-MOFs). The cationization process involved treating cotton fabrics with a quaternary ammonium salt after alkalization, enhancing the fabric’s surface properties and increasing the active sites for Ln-MOF attachment. The Ln-MOFs, specifically Eu-MOF and Tb-MOF, were synthesized directly within the fabrics using a solvothermal method, resulting in fabrics labeled as Eu-MOF@cotton, Tb-MOF@cotton, and their cationized counterparts.
Characterization techniques, including scanning electron microscopy (SEM), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), and thermogravimetric analysis (TGA), confirmed successful modification and improved properties of the fabrics. The incorporation of Ln-MOFs significantly enhanced thermal stability, UV protection, and antimicrobial activity against various pathogens, with cationized fabrics exhibiting superior performance due to higher Ln-MOF content. The study also highlighted the durability of these modifications, as the Ln-MOFs remained intact after multiple wash cycles, indicating their potential for long-lasting applications in functional textiles. Overall, the findings suggest that the cationization and subsequent Ln-MOF incorporation effectively improve the functional properties of cotton fabrics, making them suitable for advanced textile applications.