Методы оценки биостойкости материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Методы оценки биостойкости материалов

Испытания материалов на стойкость к воздействию микроорганизмов проводят как в лабораторных, так и в натурных условиях.

Длительные натурные испытания позволяют получить наиболее достоверные данные о биостойкости материалов. Исследования проводят в естественных условиях (на климатических станциях), как на открытых стендах, так и в специальных помещениях без доступа прямых солнечных лучей при ограниченной аэрации и повышенной влажности. Образцы материалов и изделий расставляют на стенды под углом 45 - 75 ° для обеспечения оседания на их поверхности атмосферной пыли, растительных остатков и т.д.

Существует также множество лабораторных методов оценки биостойкости промышленных материалов и товаров, классификация которых может быть проведена по различным признакам.

Методы различаются:

по применяемым биофакторам (почвенная микрофлора, спонтанная микрофлора, микроскопические грибы, бактерии, насекомые, грызуны);

по условиям экспонирования (влажность, температура, эксикаторы, климатические камеры, чашки Петри, колбы, сроки экспонирования);

по способу оценки результатов (потеря механической прочности, потеря массы образцов, изменение структуры материалов, по типу оценки (визуальная четырех- или пятибалльная), численности микрофлоры на материалах, приросту биомассы и другим физико-химическими методам).

В табл. 6 приведены основные стандартные методы оценки биостойкости.

Одним из наиболее распространенных способов исследования биостойкости текстильных материалов, пластиков, резин и других неметаллических материалов является почвенный метод (ГОСТ 9.060-75). Готовят почву следующего состава: конский навоз, садовая земля, песок в соотношении 1:1:1 с рН 6 - 7,5. На образец испытуемого материала наносят слой приготовленной почвы толщиной 25 см с влажностью 28 % и помещают во влажную камеру на определенный промежуток времени, где выдерживают при температуре +(24... 26) °С. Затем определяют прочность на разрыв. Результаты имеют большой разброс и плохую воспроизводимость.

Другим примером могут служить испытания на стойкость к плесневым грибам (ГОСТ 9.048-75). В стерильные чашки Петри наливают питательную среду, после ее застывания на поверхность помещают испытуемый образец, который обрабатывают (инокулируют) суспензией спор набора тест-культур, выдерживают в термостате при температуре (29 ± 1) °С в течение 14 сут. Образцы осматривают визуально и оценивают грибостойкость в баллах по степени обрастания

Нормативные документы на методы оценки биостойкости

Критерием оценки биостойкости в стандартных методах чаще всего является визуальный осмотр образцов (балльная оценка).

Так, степень обрастания микроскопическими грибами выражается в баллах следующим образом:

0 - при осмотре под микроскопом рост плесневых грибов не виден;

1 - при осмотре под микроскопом видны проросшие споры и незначительно развитый мицелий в виде неветвящихся гиф;

2 - при осмотре под микроскопом виден мицелий в виде ветвящихся гиф возможно спороношение;

3 - при осмотре невооруженным глазом рост грибов едва виден, но отчетливо виден под микроскопом;

4 - при осмотре невооруженным глазом отчетливо виден рост грибов, покрывающих менее 25 % испытываемой поверхности;

5 - при осмотре невооруженным глазом отчетливо виден рост грибов, покрывающих более 25 % испытываемой поверхности.

Степень повреждения молью тканей также может оцениваться в баллах:

0 - повреждения не обнаружены;

1 - незначительные повреждения поверхности ткани, малозаметное повреждение ворса;

2 - выгрызы с краев, борозды на поверхности, заметное уничтожение ворса;

3 - сквозные отверстия.

Степень повреждения материалов грызунами в баллах:

0 - образец не поврежден;

1 - на поверхности образца имеются следы зубов (неглубокие царапины);

2 - повреждено покрытие или поверхность образца (по краю образца на поверхности имеются погрызы);

3 - образец значительно поврежден, но не прогрызен;

4 - образец прогрызен.

Примерами оценки изменений структуры материалов могут быть следующие:

стандартная градация структурной повреждаемости и бактериальной зараженности меховых невыделанных шкурок,

метод количественной оценки повреждаемости текстильных волокон, предложенный проф. И.А. Ермиловой.

Для меховых шкурок установлено 4 градации поврежденности (по исследованию под микроскопом окрашенных гистологических срезов кожевой ткани):

1. Нормальные шкурки (структурная поврежденность и бактериальная зараженность отсутствуют):

полная сохранность микроструктуры с четким выявлением ядер клеток;

коллагеновые пучки с четкими контурами и равномерной окраской;

плотный контакт эпидермиса с дермой;

корневое влагалище волосяного фолликула интенсивно окрашено в сине-фиолетовый цвет со слабым выявлением границ составляющих его веретенообразных клеток;

кожевая ткань не содержит бактерий (или они только на мездровой поверхности шкуры).

2. Слабая степень поврежденности и бактериальной зараженности:

окраска ядер клеточных структур несколько ослаблена;

коллагеновые пучки с четкими контурами и равномерной окраской;

плотный контакт эпидермиса с дермой;

в отдельных волосяных фолликулах появляются первые признаки повреждения внутреннего корневого влагалища, выражающиеся в появлении промежутков между составляющими его веретенообразными клетками, т.е. в нарушении их спаянности;

в нижней части сетчатого слоя кожевой ткани - единичные бактерии.

3. Средняя степень повреждености и бактериальной зараженности:

окраска ядер клеточных структур резко ослаблена;

эпидермис отслаивается (потеря связи его с дермой);

в отдельных волосяных фолликулах четко выражены повреждения: нарушение луковицы, распад оболочки внутреннего корневого влагалища на веретенообразные клетки;

в сетчатом слое - набухшие коллагеновые пучки с нечеткими размытыми контурами (первые признаки желатинизации);

бактерии проникают глубоко в сосочковый и сетчатый слой кожевой ткани, образуя скопления.

4. Сильная степень поврежденности и бактериальной зараженности:

окраска ядер клеточных структур практически отсутствует; подавляющее число волосяных фолликул с глубокими разрушениями (распад оболочек и луковиц); эпидермис отслоен или полностью отсутствует; сильная желатинизация пучков, возможно окрашивание отдельных участков в сине-фиолетовый цвет; коллагеновые пучки могут быть сплавлены в специфические образования неправильной формы; кожевая ткань пронизана бактериями; теклость волосяного покрова; расслоение и распад кожевой ткани.

Для текстильных волокон может быть использован метод оценки степени деструкции, основанный на изучении макроструктуры волокон с помощью оптической микроскопии и количественном учете всех видов повреждений волокна, вызываемых микроорганизмами (рис. 22).

Все типы повреждений делятся на три класса:

Класс А - характеризуется совокупностью начальных изменений поверхности волокон: обрастания микроорганизмами и продуктами их обмена;

Класс В - объединяет более сильные проявления деструкции: вздутия, утонения, повреждения стенки;

Класс С - включает сильные и глубокие повреждения микроорганизмами волокон: расслоение, распад волокна до отдельных конгломератов.

Повреждения класса А не влияют на изменение внутренней структуры и свойств волокон. Однако появление этих начальных стадий деструкции позволяет судить о возникновении процесса повреждения волокна, который в определенных условиях может прогрессировать.

Появление повреждений класса В сопровождается деструкцией не только поверхности, но и внутренних участков волокна. Подобные повреждения влияют на изменение свойств волокон (снижается, например, их прочность).

Появление повреждений класса С свидетельствует о глубокой биологической деструкции структуры волокон. Механические свойства волокон, у которых преобладают повреждения подобного рода, резко снижаются.

Для оценки поврежденности волокон используют следующие показатели:

N - общее число повреждений;

x₁ - число повреждений класса А;

х₂ - число повреждений класса В;

х₃ - число повреждений класса С.

Показатель деструкции волокна рассчитывают по формуле:

К(х₁, х₂, х₃) = К₁ + К₂+ К₃; K₁ = б₁x₁; K₂ = б₂x₂; K₃ = б₃x₃; К(х₁, х₂, х₃) = б₁x₁ + б₂x₂ + б₃x₃

где К - показатель биодеструкции; б₁, б₂, б₃ - коэффициенты весомости повреждений классов А, В и С соответственно. б₁ = 0,002; б₂ = 0,025; б₃ = 0,255.

Изменения показателя деструкции волокна в интервале 0 - 0,3 соответствуют начальным изменениям поверхности волокна, не затрагивая его внутренней структуры. В интервале 0,3 - 3,55 наблюдается деструкция не только поверхности, но и внутренних участков волокон, сопровождающихся начальными изменениями, и в интервале 3,55 - 42,25 - глубокая биологическая деструкция структуры волокна на всех его уровнях.

2. Биоповреждения синтетических волокон

Синтетические волокна по структуре принципиально отличаются от натуральных и искусственных волокон и, будучи для микроорганизмов инородным субстратом, повреждаются ими труднее. После появления синтетических тканей примерно в 1950-е гг. предполагали, что они "вечные" и не подвергаются утилизации микроорганизмами. Однако со временем было установлено, что, во-первых, микроорганизмы, хотя и медленнее, но все же способны заселять синтетические ткани и утилизировать их углерод в процессе развития (т.е. вызывать биоповреждения), и, во-вторых, среди синтетических тканей есть и более, и менее стойкие к воздействию микроорганизмов.

Среди микроорганизмов, повреждающих синтетические волокна, идентифицированы грибы рода Trichoderma, которые на начальных стадиях развиваются за счет замасливателей и аппретов, не повреждая волокна, а затем опутывают их мицелием, разрыхляют нити и тем самым снижают прочность тканей.

При изучении биостойкости тканей из нитрона, лавсана, капрона было установлено, что почвенные грибы и бактерии оказывают примерно одинаковое влияние на характеристики этих тканей, вызывая повышение степени набухания волокон на 20 - 25 %, снижение прочности на 10 - 15 % и уменьшение относительного разрывного удлинения на 15 - 20 %.

Синтетические волокна - потенциальный источник энергии и питания микроорганизмов. Способность микроорганизмов прикрепляться к поверхности нерастворимых твердых тел, используя их в дальнейшем в качестве питательного субстрата, достаточно известна. Живые клетки микроорганизмов имеют сложное строение, только на поверхности бактериальных клеток обнаружены комплексы белков, липидов, полисахаридов; она содержит гидрофильные и гидрофобные участки, разнообразные функциональные группы, мозаичный электрический заряд (при суммарном отрицательном заряде клеток).

Первый этап процесса взаимодействия микроорганизмов с синтетическими волокнами правомерно рассматривать с позиций теории адгезии с учетом особенностей структуры и свойств микроорганизмов как биологической системы.

Весь процесс воздействия микроорганизмов на волокно можно условно разделить на несколько этапов: прикрепление к волокну, рост и размножение на волокне, использование его в качестве источника питания и энергии.

Ферменты, выделяемые бактериями, действуют только в непосредственной близости от оболочки бактерий. Адсорбируясь на волокне, жизнеспособные клетки закрепляются на поверхности и адаптируются к новым условиям существования. Способность адсорбироваться на поверхности синтетических волокон обусловлена:

особенностями химической структуры волокон. Так, к адсорбирующим микроорганизмы волокнам относятся полиамидные и поливинилспиртовые; к волокнам, практически не адсорбирующим микроорганизмы, относится, например, волокно фторин;

физической структурой волокна. Например, волокна с меньшей линейной плотностью, с замасливателем на поверхности поглощают большее количество микроорганизмов;

наличием на поверхности волокна электрического заряда, его величиной и знаком. Химические волокна, заряженные положительно, адсорбируют практически все бактерии, а волокна, не имеющие электрического заряда, адсорбируют большинство бактерий, волокна с отрицательным зарядом бактерии практически не адсорбируют.

Надмолекулярная структура также обуславливает возможность микроорганизмов и их метаболитов диффундировать во внутренние участки волокна. Освоение волокна микроорганизмами начинается с его поверхности, однако дальнейшее протекание процессов деструкции и их скорость определяется микрофизическим состоянием волокна. Проникновение продуктов жизнедеятельности микроорганизмов во внутренние участки волокон и в глубинные слои кристаллического материала возможно лишь при наличии капилляров.

Повреждению химического волокна, протеканию процессов деструкции, начинающихся с поверхности, во многом способствуют дефекты в виде трещин, сколов, вмятин, которые могут возникнуть в процессе получения и отделки волокон. биостойкость синтетический микроорганизм

Не только физическая, но и химическая неоднородность может способствовать процессу биодеструкции синтетических волокон. Химическая неоднородность возникает при производстве полимера и его тепловых обработках и проявляется в различном содержании в материале мономеров, тех или иных концевых групп. Возможность проникновения продуктов обмена микроорганизмов в структуру синтетических волокон зависит от количества и доступности функциональных концевых групп полимера, которые в большом количестве содержаться в олигомерах.

Способность синтетических волокон к набуханию также облегчает проникновение биологических агентов во внутренние малоупорядоченные участки волокон и приводит к ослаблению межмолекулярных взаимодействий, разориентации макромолекул, деструкции в аморфной и кристаллической областях. Следствием структурных изменений является снижение прочностных свойств волокон.

Экспериментально удалось подтвердить теоретические положения, что полиамидные волокна с менее упорядоченной структурой (невытянутые капрон и анид; капрон и анид разных режимов термообработки), а также полиамидные волокна с большим содержанием олигомеров отличаются меньшей устойчивостью к воздействию микроорганизмов, чем волокна с хорошо организованной структурой и меньшим содержанием низкомолекулярных соединений.

Таким образом, наиболее быстрому возникновению и протеканию процесса биодеструкции синтетических волокон способствуют слабая упорядоченность и малая степень ориентации макромолекул волокон, их низкая плотность, невысокая кристалличность, а также наличие дефектов в макро- и микроструктуре волокон, поры и пустоты в их внутренних участках.

Более стойкими к микробиологическим повреждениям являются волокна на основе карбоцепных полимеров - полиолефинов, полихлорвинила, полифторвинила, полиакрилонитрила, поливинилового спирта. Менее биостойки волокна на основе гетероцепных полимеров - полиамидные, полиэфирные, полиуретановые и др.

При сравнительных почвенных испытаниях на биостойкость искусственных и синтетических волокон было показано, что вискозное волокно полностью разрушается на 17-е сут. испытаний, на лавсане колонии бактерий и грибов появляются на 20-е сут., капрон обрастает мицелием грибов на 30-е сут. Наиболее биостойкими оказались хлорин и фторлон, начальные признаки биоповреждений которых проявлялись только через 3 мес. после начала испытаний.

При изучении биостойкости тканей из нитрона, лавсана и капрона было установлено, что почвенные грибы и бактерии оказывают примерно одинаковое влияние на характеристики этих тканей, вызывая увеличение степени набухания волокон на 20 - 25 %, снижение прочности на 10 - 15 % и уменьшение относительного разрывного удлинения на 15 - 20 %. При этом в целом нитрон показал лучшие значения биостойкости, чем лавсан и капрон.

Установлено, что многие виды бактерий могут использовать полимерные волокна как единственный источник углерода и азота. Например, из е-капролактам выделено до 15 видов таких бактерий. Доказано, например, что капроновые волокна могут служить единственным источником углерода и азота для бактерий штамма Bacillus subtilis К1, при этом происходит выделение е-аминокапроновой кислоты, которая затем также утилизируется этой бактерией.

При воздействии микроскопических грибов Aspergillus niger на капроновые волокна увеличивается количество концевых карбоксильных и аминогрупп, что также свидетельствует о химическом воздействии микроскопических грибов на синтетические волокна.

Размещено на Allbest.ru