Способ определения устойчивости органических полимеров к деградации, индуцируемой различными факторами

Изобретение относится к технике исследования механических свойств материалов. А именно, к способам оценки устойчивости к деградации, индуцируемой различными факторами, органических полимеров, для которых устойчивость к биодеградации является одним из целевых (биодеградируемые материалы) либо нежелательных (биологически устойчивые материалы) параметров.

Известен «Способ оценки и прогнозирования процессов старения (деструкции) полимерных материалов по динамике суммарного газовыделения и токсичности летучих органических соединений (лос), мигрирующих из полимера в процессе старения, детектируемых методом хроматомасс-спектрометрии» (патент RU 2554623, опубликован 27.06.2015), в котором деградацию тестируемых образцов синтетических полимерных материалов оценивали хромато-масс-спектрометрически по изменению общего количества и состава летучих органических соединений, выделяемых образцами до и после проведения с ними ускоренных термовлажностных климатических испытаний. Недостатком этого способа является то, что степень деградации тестируемых образцов с его помощью определяется косвенно - а значит, с достаточно малой объективностью. Кроме того, этот способ весьма дорогостоящ в плане используемого оборудования и сложен в выполнении.

В патенте «Штамм гриба Aspergillus flavus link, как тест-культура для определения грибостойкости сталей, оксидных алюминиевых и магниевых сплавов» (патент RU 1766073, опубликован 19.06.1995) деградацию тестируемых образцов оценивали следующим образом. Сначала тестируемые образцы выдерживали при 30°С в течение 9 месяцев на поверхности газона тест-культуры, выращенной на агаризованной питательной среде, в чашках Петри, помещенных в эксикатор, поддерживающий общую 97% влажность тестируемых образцов. Затем образцы с помощью скальпеля и растворов различных химических реактивов очищали от остатков микроорганизмов, питательной среды и продуктов коррозии, промывали, просушивали и взвешивали (для определения потери массы). После чего, визуально определяли площадь пораженной коррозией поверхности тестируемых образцов наложением на поверхность этих образцов пластины из прозрачного материала с нанесенной на нее сеткой. А кроме того, с помощью оптического микроскопа определяли глубину коррозионных поражений на поверхности тестируемых образцов. Недостатками этого метода является то, что степень деградации тестируемых образцов с его помощью определяется визуально (а следовательно, довольно субъективно); а также то, что этим методом не определяется влияние на степень деградации тестируемых образцов отдельно химических (влага и т.п.) и биохимических факторов.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является «Способ определения гидролитической устойчивости материалов» (патент RU 2043619, опубликован 10.09.1995), в котором предлагается обрабатывать тестируемые образцы текстильных полимерных материалов высокотемпературной газовой смесью, содержащей пары воды и добавки, катализирующие процесс гидролиза. И по изменению механических свойств этих образцов (в виде их разрывной нагрузки) до и после их обработки судить о гидролитической устойчивости испытываемых материалов.

Основным недостатком данного технического решения является то, что с его помощью осуществляется оценка изменения свойств тестируемых образцов вследствие только лишь их химического гидролиза (в то время как биохимический гидролиз тестируемых образцов, осуществляемый в присутствии микроорганизмов, а также действие на эти образцы других возможных деструктурирующих факторов не учитывается). Кроме того, с помощью рассматриваемого технического решения не выявляется механизм действия тестовых факторов (в данном случае, паров воды, высокой температуры и каталитических добавок) на тестируемые материалы. И наконец, с помощью данного технического решения предлагается тестировать только текстильные полимерные материалы.

В связи с ростом производства и потребления человеческим обществом различной продукции утилизация отходов стала в настоящее время одной из основных экологических проблем человечества. Одним из лучших способов решения этой проблемы является создание и как можно более широкое использование материалов, способных достаточно быстро разлагаться под воздействием различных механических, климатических, биологических и иных факторов. С другой стороны, в целом ряде случаев, наоборот, желательно применение материалов, проявляющих возможно большую устойчивость к воздействию на них различных живых организмов и иных потенциально разрушающих факторов. В связи с этим, все более актуальной в настоящее время становится и проблема разработки достаточно экспрессных, объективных, простых, доступных и дешевых способов оценки устойчивости материалов к деградации, индуцируемой различными факторами, из которых живые организмы являются одними из наиболее действенных. Причем среди последних микроорганизмы являются наиболее распространенными. А кроме того, взаимодействие упомянутых микроорганизмов с тестируемыми образцами, в большинстве случаев, может служить наиболее статистически достоверной, экспрессной, простой и дешевой моделью взаимодействия таковых образцов с другими живыми организмами.

В связи с вышесказанным, целью заявляемого изобретения стало создание способа, позволяющего, по сравнению с прототипом, с большей объективностью оценивать действие большего спектра возможных деструктурирующих факторов (включая физические, химические и микробиологические) на более широкий круг тестируемых материалов.

Цель эта достигается за счет того, что в предлагаемом способе (который включает такие операции как подготовка тестовых сред, инкубирование образцов тестируемых материалов в присутствии этих сред, измерение механических свойств тестируемых образцов до и после их инкубирования и последующая оценка устойчивости тестируемых материалов к деградации, индуцируемой различными факторами) тестовые среды (ТС) представляют собой:

(1) стерильный водный раствор с рН 7,2±0,3, изначально содержащий

16±3 г/л агар-агара + 10±2 г/л сахарозы + 1,6±0,3 г/л NH₄NO₃ + 0,5±0,1 г/л KH₂PO₄ + 0,5±0,1 г/л NaH₂PO₄ + 0,7±0,1 г/л (NH₄)₂SO₄ + 0,2±0,02 г/л Mg(NO₃)₂ + 0,06±0,01 г/л FeCl₃ + 0,02±0,002 г/л CaCl₂,

(2) тот же раствор, но с выращенной на его внешней поверхности сплошной колонией Rhodotorula sp. VKM Y-2993D;

инкубирование тестируемых образцов проводят в течение 1-2 месяцев, при комнатной температуре и 95±5% влажности на поверхности ТС, не контактирующей с дном емкости, в которой она находится,

а оценку устойчивости тестируемых материалов к деградации, индуцируемой механическими, химическими и микробиологическими факторами,

проводят в соответствии со значениями коэффициентов К_МР, К_ХР и К_БР, которые вычисляют по следующим формулам:

К_МР=100×(σ_И-σ_Э)/σ_Э, К_ХР=10×(σ_К-σ_И)/σ_И и К_БР=100×(σ_Б-σ_К)/σ_К,

где σ_Э - прочность эталонных материалов с заранее известной степенью разлагаемости,

σ_И - прочность тестируемых материалов, не подвергавшихся инкубации,

σ_К - прочность тестируемых материалов после инкубации их в 1-й ТС,

σ_Б - прочность тестируемых материалов после инкубации их во 2-й ТС.

При этом выбор состава 1-й ТС (стерильный водный раствор с рН 7,1±0,3, изначально содержащий 16±3 г/л агар-агара, 10±2 г/л сахарозы, 1,6±0,3 г/л NH₄NO₃, 0,5±0,1 г/л KH₂PO₄, 0,5±0,1 г/л NaH₂PO₄, 0,7±0,1 г/л (NH₄)₂SO₄, 0,2±0,02 г/л Mg(NQ₃)₂, 0,06±0,01 г/л FeCl₃ и 0,02±0,002 г/л CaCl₂) связан с необходимостью обеспечения оптимальных условий для развития в этой среде тестовых микроорганизмов (что нужно для увеличения эффективности биодеградации тестируемых образцов и сокращения времени анализа устойчивости таковых образцов к воздействию микроорганизмов).

Дополнительное введение в состав 2-й ТС штамма Rhodotorula sp. VКM Y-2993D дает возможность оценивать устойчивость тестируемых образцов к воздействию не только химических факторов (как это делалось в прототипе), но также биохимических факторов, определяемых жизнедеятельностью тестовых микроорганизмов. При этом выбор Rhodotorula в качестве тестовых микроорганизмов связан с тем, что эти дрожжеподобные грибки, обладая развитой ферментной системой (позволяющей им использовать в процессе своего метаболизма в качестве источника углерода самые различные органические субстраты), широко распространены в естественных условиях. А кроме того, штамм Rhodotorula sp. VКM Y-2993D, предлагаемый к использованию в качестве тестового в описываемом изобретении, способен активно деструктурировать различные высокомолекулярные углеводороды (составляющие основу любого органического полимера), используя их в процессах своего метаболизма (см. патент RU №2526496 от 20.08.2014). При том, что в местах, где те или иные углеводородные материалы присутствуют достаточно долго и в достаточно больших количествах, практически всегда происходит изменение состава природных биоценозов, приводящее к преобладанию в этих биоценозах тех видов и штаммов микроорганизмов, которые способны наиболее эффективно использовать вышеупомянутые углеводородные материалы для своего метаболизма.

А выбор режима инкубирования тестируемых образцов (1-2 месяца с обеспечением доступа воздуха при комнатной температуре и 95±5% влажности) связан с необходимостью обеспечения наименьшего времени анализа при достижении степени химической и биодеградации образцов, достаточной для ее надежного и достоверного определения предлагаемым методом.

Достижение цели заявляемого способа анализа обеспечивается тем, что в ходе него осуществляется точная, инструментальная, количественная оценка изменения прочностных свойств тестируемых образцов вследствие воздействия на них влаги, тестовых микроорганизмов, а также различных механических нагрузок.

Реализация предлагаемого способа определения устойчивости органических полимеров к деградации, индуцируемой различными факторами, включая микроорганизмы, осуществляется следующим образом:

Этап 1. В чашки Петри разливается плотная питательная среда (ППС), представляющая собой стерильный водный раствор с рН 7,1±0,3, содержащий 16±3 г/л агар-агара + 10±2 г/л сахарозы + 1,6±0,3 г/л NH₄NO₃ + 0,5±0,1 г/л KH₂PO₄ + 0,5±0,1 г/л NaH₂PO₄ + 0,7±0,1 г/л (NH₄)₂SO₄ + 0,2±0,02 г/л Mg(NO₃)₂ + 0,06±0,01 г/л FeCl₃ + 0,02±0,002 г/л CaCl₂.

Затем, ППС в чашках Петри остужается до комнатной температуры и в 1/2 от общего количества чашек стерильно поверхностно засевается тестовыми микроорганизмами (ТМ), в качестве которых в данном случае используется Rhodotorula sp. VКM Y-2993D. После этого упомянутые чашки Петри закрываются крышками и выдерживаются при комнатной температуре до тех пор, пока на поверхности находящейся в них ППС не вырастет сплошная колония ТМ (что, как правило, происходит в течение от 3-х до 7-и суток).

Этап 2. У образцов тестируемых материалов, а также у эталонных образцов (степень устойчивости которых к различным деструктурирующим факторам известна заранее) определяется исходная механическая прочность (σ_И и σ_Э соответственно).

Этап 3. Образцы тестируемых материалов помещаются на поверхность колоний ТМ, выращенных на этапе 1 (биоразлагаемые образцы), а также на поверхность стерильной ППС, находящейся в контрольных чашках Петри (контрольные образцы). После чего все чашки Петри инкубируют в течение 1-2 месяцев при комнатной температуре и 95±5% влажности.

Этап 4. После окончания инкубации биоразлагаемые и контрольные образцы отделяются от поверхности ППС, на которой они инкубировались, и отмываются от остатков ППС и ТМ. Затем у всех образцов определяется конечная механическая прочность (σ_Б и σ_К соответственно).

Этап 5. Далее, вычисляются значения коэффициентов деградации тестируемых образцов, обусловленной механическими нагрузками, а также химическими и микробиологическими факторами:

К_МР=100×(σ_И-σ_Э)/σ_Э, К_ХР=100×(σ_К-σ_И)/σ_И и К_БР=100×(σ_Б-σ_К)/σ_К,

где σ_Э - прочность эталонных материалов,

σ_И - прочность тестируемых материалов, не подвергавшихся инкубации,

σ_К - прочность тестируемых материалов после инкубации их на ППС с ТМ,

σ_Б - прочность тестируемых материалов после инкубации их на стерильной ППС.

Этап 6. На основании полученных значений К_МР, К_ХР и К_БР делается вывод о причинах и степени устойчивости тестируемых образцов к различным видам деградации.

Упомянутый способ может быть реализован с применением текстуромера «ТА.ХТ+» (или иного прибора, позволяющего с достаточной точностью измерять прочность тестируемых образцов на прокалывание, разрыв, растяжение, сжатие, изгиб или кручение).

Более детально настоящее изобретение описывается следующим конкретным примером. Для анализа были взяты образцы размером 20×20 мм и толщиной 0,3 мм, содержащие 4-е тестируемых материала, синтезированных на основе поливинилхлорида (ПВХ) с пластификатором, с добавлением различных количеств природного бентонита (ПБ) и различным временем его перемешивания с ПВХ-основой, а также эталонный материал (в качестве которого была взята ПВХ-основа без ПБ) - по 15 образцов на каждый материал (включая тестируемые и эталонный). Затем исходная совокупность упомянутых образцов делилась на две выборки - «контрольную» и «тестовую». После чего у всех образцов из «контрольной» выборки (куда входило по 5 образцов каждого материала) определялась прочность на прокалывание (с помощью текстуромера «ТА.ХТ+»).

Далее, «тестовая» выборка образцов делилась еще на две равные части -«хеморазлагаемую» и «биоразлагаемую» (в каждую из которых входило по 5 образцов каждого материала). Затем, все образцы из «хеморазлагаемой» выборки помещались на внешнюю поверхность ППС (представлявшей собой стерильный водный раствор с рН 7,2, содержащий 16 г/л агар-агара, 10 г/л сахарозы, 1,6 г/л NH₄NO₃, 0,5 г/л KH₂PO₄, 0,5 г/л NaH₂PO₄, 0,7 г/л (NH₄)₂SO₄, 0,2 г/л Mg(NO₃)₂, 0,06 г/л FeCl₃ и 0,02 г/л CaCl₂), налитой в чашки Петри и остуженной до комнатной температуры. А все образцы из «биоразлагаемой» выборки помещались на внешнюю поверхность колоний Rhodotorula sp. VКM Y-2993D, выращенных на аналогичной ППС, налитой в другие чашки Петри.

После этого чашки Петри с «хеморазлагаемыми» и «биоразлагаемыми» образцами помещались на решетки двух разных эксикаторов, на дно которых была предварительно налита дистиллированная вода {для обеспечения уровня влажности, достаточного для нормальной жизнедеятельности тестовых микроорганизмов, а также моделирования условий химического гидролиза «контрольных» образцов).

Далее, оба эксикатора герметично закрывались и оставлялись при комнатной температуре на 1,5 месяца. После чего, все образцы из «биоразлагаемой» и «хеморазлагаемой» выборок отделялись от поверхности ППС, на которой они инкубировались, и отмывались от остатков ППС и ТМ (последовательно, водой, 1М КОН, 1М HCl и снова водой).

Далее, у каждого из упомянутых образцов определялась прочность на прокалывание (с помощью текстуромера «ТА.ХТ+»).

После чего, для каждого из тестируемых материалов вычислялись значения коэффициентов деградации, обусловленной механическими нагрузками, а также химическими и микробиологическими факторами:

К_МР=100×(σ_И-σ_Э)/σ_Э, К_ХР=100×(σ_К-σ_И)/σ_И и К_БР=100×(σ_Б-σ_К)/σ_К,

где σ_Э - прочность на прокалывание, усредненная по всем образцам «контрольной» выборки, содержащим эталонный материал,

σ_И - прочность на прокалывание, усредненная по всем образцам «контрольной» выборки, содержащим тестируемый материал,

σ_К - прочность на прокалывание, усредненная по всем образцам «хеморазлагаемой» выборки, содержащим тестируемый материал,

σ_Б - прочность на прокалывание, усредненная по всем образцам «биоразлагаемой» выборки, содержащим тестируемый материал.

Результаты описанного анализа приведены в таблице 1.

Условные обозначения: ПВХ+ПФ - ПВХ-основа (включающая ПВХ и пластификатор) без ПБ; ПБ-5-2 и ПБ-5-10 - ПВХ-основа с 5 масс. % ПБ, размешиваемая перед отвердеванием в течение, соответственно, 2 и 10 минут; ПБ-15-2 и ПБ-15-10 - ПВХ-основа с 15 масс. % ПБ, размешиваемая перед отвердеванием в течение, соответственно, 2 и 10 минут.

На основании приведенных данных были сделаны следующие выводы.

Для всех тестируемых материалов была характерна достаточно высокая устойчивость к обычным химическим разрушающим факторам (таким например, как влага; см. значения К_ХР в табл. 1).

В то же время, для всех тестируемых материалов была характерна устойчивость к механическим воздействиям и воздействию микроорганизмов, существенно меньшая, чем у «чистой» ПВХ-основы (см. значения К_МР и К_БР в табл. 1). Причем эта устойчивость уменьшалась с увеличением в тестируемых материалах % количества бентонита и увеличивалась с увеличением времени размешивания ПВХ-основы с бентонитом перед их совместным затвердеванием.

Таким образом, мы видим, что заявляемый способ может обеспечить достаточно объективную и информативную оценку устойчивости органических полимеров к деградации, индуцируемой различными факторами (включая физические, химические и микробиологические) и может найти применение как при оценке свойств уже существующих, так и при разработке новых изделий и материалов, для которых желательна повышенная либо пониженная устойчивость к воздействию механических нагрузок, влаги, а также жизнеспособных микроорганизмов.