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Using Nanotechnology in the Finishing of Cellulosic Fabrics

Saleh, Asmaa Farouk

By nanoparticles coating on textile surfaces, mechanical, physical and chemical properties of the textiles can be modified, leading to creation of unique functions. For example, UV protection of some kinds of textile substrates can be achieved through coating a substrate with thin layer of ZnO or TiO2 nanoparticles. This thesis aims to the synthesis and characterization of nanosized zinc oxide particles of different concentrations and various sizes that highly absorb UV light and provide textiles with added functionality such as UVprotection, antibacterial, hydrophobicity, self-cleaning and good dyeability properties. In textile finishing field the washing durability of the finishing agent is very important factor depends on the affinity of the finishing agent or, in the case of polymer coatings, on how well the polymers can bind with the textile surface. Theoretically, the chemical bond between the finishing agent and the textile surface is the best way to achieve durability. In this study, sol-gel based inorganic-organic hybrid polymers were modified/filled with ZnO nanoparticles and were applied to cellulosic cotton (100%) and cotton/polyester (65/35%) fabrics. These modified inorganic-organic hybrid polymers were based on 3- glycidyloxypropyltrimethoxysilane (GPTMS). ZnO nanoparticles sol has long stability for further processing. Complete finishing ZnO/GPTMS sols prepared in this work were stable for several hours which is also sufficient for an industrial application. The most important results are: - The effectiveness of the novel finishing as UV-protection was determined by UV-Vis spectroscopy and by evaluation of the ultraviolet protection factor (UPF). The influences of the finishing for some general textile properties e.g. tensile strength, elongation, air permeability, and degree of whiteness, wear-resistance, stiffness as well as the durability of the treatments were investigated. - The antibacterial performance of these sol-gel derived hybrid materials was investigated against Gram-negative bacterium Escherichia coli DSMZ 498 and Gram-positive Micrococcus lutues ATCC 9341. The effect of particle size and concentration on the antibacterial performance is examined. Bacteriological tests such as Zone of inhibition test, AATTC Test Method 100-200 and Tetrazolium/formazan test (TTC) were performed in nutrient agar media on solid agar plates and in liquid broth systems using different concentrations and different particle size of ZnO nanoparticles. In this part of thesis a lot of experiments were carried out to be able to understand the ZnO nanoparticle action as antibacterial finish. This study showed the enhanced antibacterial activity of different concentration and different particle sizes of ZnO nanoparticles against a Gramnegative bacterium and a Gram–positive Micrococcus lutues in repeated experiments. This demonstrated that the antibacterial activity of ZnO nanoparticles increases with increasing the concentration of ZnO nanoparticles and also with decreasing the particle size of ZnO nanoparticles. - Also the antibacterial performance of sol-gel derived inorganic-organic hybrid polymers (GPTMS) filled with ZnO nanoparticles-chitosan composite against a Gramnegative bacterium and a Gram–positive bacterium has been investigated. Chitosan also in this thesis has been used as antimicrobial coating agent, since different concentrations of three different molecular weights (MW) of chitosan with equal degree of deacetylation (DD, 85%) were examined. The influences of the finishing composite for some general textile properties as e.g. crease recovery angle, tensile strength, elongation, air permeability, and degree of whiteness, stiffness as well as the durability of the treatments were investigated. The antibacterial activity of textile treated with hybrid polymers modified with both ZnO nanoparticles and chitosan increases with decreasing the molecular weight of chitosan. - Hydrophilic cellulosic fabrics pretreated with ZnO-containing hybrid polymers were made superhydrophobic after surface hydrophobization with stearic acid. Drop penetration time (TEGEWA test) and contact angle for cotton and cotton/polyester fabrics before and after treatment with stearic acid as hydrophobic additive were examined. For the cellulosic fabrics treated with stearic acid only, the water contact angle on the fabric surface remained lower than 50°, treatment with ZnO nanoparticle only did not change the hydrophilic surface of cellulosic fabrics used. However, for the fabrics treated with both inorganic-organic hybrid polymers (GPTMS) filled with ZnO nanoparticle and stearic acid, a contact angle higher than 150° can be obtained. - Photocatalytic degradation of methylene blue by different ZnO nanoparticles concentrations was also studied. Self-cleaning properties of different ZnO concentrations/GPTMS coated fabrics was also investigated. Photocatalytic activity of ZnO nanoparticles was evaluated in normal laboratory environment, under dark condition and after UV-irradiation. Photocatalytic activity of fabrics coated with different ZnO concentrations within the coating layer was evaluated. - Dyeing processes were carried out combining the ZnO-modified hybrid polymers with an exemplarily chosen reactive dyestuff (Intracron red BF-3RM 150%). The result of the dyeing process has been improved by increasing the amount of ZnO nanoparticles or reducing the particle size. The color strength (K/S) and the UVprotection property of the dyed fabrics were also investigated. The use of hybrid polymers modified with ZnO is therefore a promising approach for the development of highly UV-protecting textiles. The inorganic UV-absorber ZnO is highly stable against degradation and it is non-toxic. Literature discusses various (active) species and processes responsible for the antibacterial action of ZnO. Therefore a particular attention is paid to investigate active species available in the described systems as well as to observe possible interaction between the nanoparticles and bacteria. The sol-gel approach used here for the preparation of the coating materials guarantees a simple processing easily transferred to textile industry. Furthermore the principles of sol-gel technique allow combining additional properties in a single coating material e.g. UVprotection, abrasion resistance, antibacterial activity, hydrophobic and even self-cleaning properties.

Durch Nanopartikelbeschichtung textiler Oberflächen können mechanische, physikalische und chemische Eigenschaften von Textilien modifiziert werden, wodurch besondere Funktionalisierungen erzielt werden. Zum Beispiel kann UV-Schutz einiger Arten von textilen Substraten durch Beschichtung des Substrats mit einer dünnen Schicht aus ZnO oder TiO2-Nanopartikel erreicht werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung von nanoskaligen Zinkoxid-Partikeln verschiedener Konzentrationen und verschiedener Größen, die UV-Licht stark absorbieren und Textilien mit zusätzlichen Funktionen wie UV-Schutz, Hydrophobie, guter Färbbarkeit sowie antibakteriellen und selbstreinigenden Eigenschaften ausstatten. Im Textilveredlungsbereich ist die Wasch-Haltbarkeit des Ausrüstungsagenten ein sehr wichtiger Faktor und abhängig von der Affinität des Appreturmittels oder, im Falle von Polymer-Beschichtungen, wie gut die Polymeren mit der textilen Oberfläche Bindungen eingehen können. Theoretisch ist die chemische Bindung zwischen dem Avivage und der textilen Oberfläche der beste Weg, um Haltbarkeit zu erzielen. In dieser Studie wurden anorganisch-organische Hybridpolymere auf Sol-Gel-Basis mit ZnO-Nanopartikel geändert / gefüllt und auf zellulosehaltigen Baumwoll- (100%) und Baumwolle / Polyester- (65/35%) Gewebe aufgebracht. Diese modifizierten anorganisch-organischen Hybrid-Polymeren basierten auf 3 - Glycidyloxypropyltrimethoxysilan (GPTMS). ZnO-Nanopartikel-Sol bietet Langzeitstabilität für die weitere Verarbeitung. Sämtliche in dieser Arbeit präparierten ZnO / GPTMS Sole für die Ausrüstung waren über mehrere Stunden stabil, was auch für eine industrielle Anwendung ausreichend ist. Die wichtigsten Ergebnisse sind: - Die Wirksamkeit der neuartigen Veredelung für den UV-Schutz wurde durch UV-Vis-Spektroskopie und durch Auswertung des UV-Schutzfaktors (UPF) bestimmt. Die Einflüsse der Ausrüstung auf einige allgemeine textile Eigenschaften wie z.B. Zugfestigkeit, Dehnung, Luftdurchlässigkeit, Weißgrad, Abriebfestigkeit und Steifigkeit sowie die Nachhaltigkeit der Behandlung wurden untersucht. - Die antibakterielle Wirkung dieser Sol-Gel-basierten Hybrid-Materialien wurde an dem Gram-negativen Bakterium Escherichia coli DSMZ 498 und Gram-positiven Micrococcus lutues ATCC 9341 getestet. Der Effekt der Partikelgröße und Konzentration auf die antibakterielle Leistung wurde untersucht. Bakteriologische Untersuchungen wie das Hemmhof Test AATTC Testverfahren 100-200 und der Tetrazolium / Formazan-Test (TTC) wurden in Agar Nährböden auf festen Agarplatten und in flüssiger Nährlösung durchgeführt mit unterschiedlichen Konzentrationen und unterschiedlicher Größe der ZnO-Nanopartikel. In diesem Teil der Arbeit wurde eine Vielzahl an Experimenten durchgeführt, um die Wirkung der ZnO-Nanopartikel als antibakterielle Ausrüstung besser zu verstehen. Diese Studie zeigte die verbesserte antibakterielle Wirkung von verschiedenen Konzentrationen und verschiedenen Größen der ZnO-Nanopartikel gegen gramnegative Bakterien und Gram-positive Micrococcus lutues in wiederholten Experimenten. Dies zeigte, dass die antibakterielle Wirkung der ZnO-Nanopartikel mit Erhöhung ihrer Konzentration und auch mit abnehmender Partikelgröße anstieg. - Ebenso wurde die antibakterielle Wirkung der Sol-Gel-basierten anorganisch-organischen Hybridpolymeren (GPTMS), gefüllt mit ZnO-Nanopartikel-Chitosan Composite, gegen ein gramnegatives und ein gram-positives Bakterium untersucht. Desweiteren wurde in dieser Arbeit auch Chitosan als antimikrobielles Beschichtungsmittel verwendet. Unterschiedliche Konzentrationen von drei unterschiedlichen Molekulargewichten (MW) von Chitosan mit gleichem Deacetylierungsgrad (DD, 85%) wurden untersucht. Die Einflüsse der Veredelungs- Composite auf einige allgemeine textile Eigenschaften wie z. B. Knittererholungswinkel, Zugfestigkeit, Dehnung, Luftdurchlässigkeit, Weißgrad und Steifigkeit sowie die Nachhaltigkeit der Behandlung untersucht. Die antibakterielle Wirkung von Textilwaren mit Hybrid-Polymeren, modifiziert mit sowohl ZnO-Nanopartikeln als auch Chitosan, nimmt mit abnehmendem Molekulargewicht von Chitosan zu. - Hydrophile Cellulosegewebe vorbehandelt mit ZnO-haltigen Hybridpolymeren wurden superhydrophob gemacht nach Oberflächenhydrophobierung mit Stearinsäure. Tropfeneindringzeit (TEGEWA Test) und Kontaktwinkel für Baumwolle und Baumwolle / Polyester-Gewebe vor und nach der Behandlung mit Stearinsäure als hydrophobes Additiv wurden untersucht. Nur für die Cellulosegewebe behandelt mit Stearinsäure blieb der Wasserkontaktwinkel auf der Gewebeoberfläche niedriger als 50 °, die Behandlung nur mit ZnO-Nanopartikeln änderte nichts an der hydrophilen Oberfläche der verwendeten Cellulosegewebe. Hingegen konnte für sowohl mit anorganischen als auch organischen, mit ZnO-Nanoteilchen und Stearinsäure befüllten Hybridpolymeren (GPTMS) behandelte Stoffe ein Kontaktwinkel größer als 150 ° erreicht werden. - Photokatalytischer Abbau von Methylen blau durch verschiedene ZnO-Nanopartikelkonzentrationen wurde ebenfalls untersucht. Selbstreinigende Eigenschaften verschiedener Konzentrationen ZnO / GPTMS-beschichteter Gewebe wurde ebenfalls untersucht. Die photokatalytische Wirkung von ZnO-Nanopartikeln wurde in normaler Laborumgebung bewertet, in Dunkelheit und nach UV-Bestrahlung. Die photokatalytische Wirkung von Geweben mit unterschiedlichen ZnO-Konzentrationen innerhalb der Beschichtung wurde ausgewertet. - Färbeverfahren wurden durchgeführt durch die Kombination der ZnO-Hybridpolymeren mit einem beispielhaft gewählten Reaktivfarbstoff (Intracron rot BF-3RM 150%). Das Ergebnis des Färbeprozesses wurde durch die Erhöhung der Menge von ZnO-Nanopartikeln oder Verringerung der Partikelgröße verbessert. Die Farbstärke (K / S) und die UV-Schutz-Eigenschaft der gefärbten Stoffe wurden ebenfalls untersucht. Der Einsatz von mit ZnO modifizierten Hybrid-Polymeren ist daher ein vielversprechender Ansatz für die Entwicklung von stark UV-abschirmenden Textilien. Der anorganische UV-Absorber ZnO ist sehr stabil gegenüber Degradierung und er ist ungiftig. In der Literatur werden verschiedene (aktiv) Substanzen und Prozesse als Urheber der antibakteriellen Wirkung von ZnO diskutiert. Daher wird besondere Aufmerksamkeit der Untersuchung aktiver in den beschriebenen Systemen enthaltener Spezies sowie der Beobachtung möglicher Interaktion zwischen den Nanopartikeln und Bakterien gewidmet. Der hier für die Herstellung der Beschichtungsmaterialien verwendete Sol-Gel-Ansatz garantiert eine einfache Verarbeitung und ist leicht in die Textilindustrie zu übertragen. Darüber hinaus ermöglicht das Prinzip der Sol-Gel-Technik die Kombination von zusätzlichen Eigenschaften in einem einzigen Beschichtungsmaterial, z.B. UV-Schutz, Abriebfestigkeit, antibakterielle Wirkung, hydrophobe und sogar selbstreinigende Eigenschaften.

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Saleh, Asmaa Farouk: Using Nanotechnology in the Finishing of Cellulosic Fabrics. 2011.

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