Геотекстильні неткані матеріали, їх стійкість до дії біодеструкторів у натурних умовах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Геотекстильні неткані матеріали, їх стійкість до дії біодеструкторів у натурних умовах

Постановка проблеми. Однією зі сфер застосування геотекстильних нетканих матеріалів (ГНМ) є ландшафтна сфера. ГНМ є визнаним матеріалом для ландшафтного облаштування земельних споруд (підпор, терас), укосів, схилів, будівництва та ремонту доріг, спортивних майданчиків, парковок, дренажних систем, декоративних водойм, захисту від проростання бур'янів тощо. При цьому виконує функції розділення, фільтрації, укріплення, дренажу, захисту, засновані на його властивостях.

Широкий діапазон поверхневої густини від 100 до 900 г./м², особливості структури полотна та різна товщина забезпечують, перш за все, перебування їх у постійному контакті з ґрунтовим профілем та одночасне виконання поліфункційності.

Пориста структура ГНМ власне впливає на водопроникність і забезпечує високі показники на рівні 2,55…2,82 дм³/м²с, та одночасно утримує дрібні частки ґрунту, які пересуваються під дією гідродинамічних сил водяних потоків. Це і сприяє транспортуванню як поверхневого стоку, так і ґрунтових вод, під час реалізації дренажної, фільтрувальної функцій і запобігає кольматажу дренажних конструкцій.

Достатня міцність ГНМ 4,6. 11,4 кН/м, стійкість до руйнування забезпечує виконання таких функцій, як розділення (запобігання змішуванню різних шарів матеріалів), підсилення слабких ґрунтів та захист від фізико-механічних пошкоджень гідросистем (водонепроникних мембран, твердих і м'яких дренажів). Завдяки синтетичній природі ГНМ володіють певною біостійкістю [1; 2], яка наразі мало досліджена саме для цих матеріалів. ГНМ постійно працюють у шарах ґрунту. Встановлено, що гумус, як компонент ґрунту, є найсприятливішим середовищем життєдіяльності різноманітних видів мікроорганізмів. Мікрофлора ґрунту надзвичайно різноманітна. У ній зустрічається безліч видів бактерій: гнильні, нітрифікуючі, азотофіксуючі, які розкладають клітковину, сіркобактерії тощо. Серед них можуть бути аероби і анаероби, спороутворюючі та неспороутворюючі. У ґрунті містяться різноманітні гриби, найпростіші, водорості, віруси [2]. Кількість мікроорганізмів у ґрунті значна: від сотень мільйонів до мільярдів особин у 1 г ґрунту. Склад і кількість мікрофлори ґрунту залежать від її вологості, температури, кислотності, характеру і кількості поживних речовин у ньому.

У процесі експлуатації синтетичних ГНМ можливе їх пошкодження різними видами мікроорганізмів: мікроскопічних грибів, бактерій, дріжджів тощо. Тому, дослідження біопошкоджень цих матеріалів з метою виявлення основних біодеструкторів та їх впливу на довговічність є своєчасним, актуальним та доцільним.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Теоретичні уявлення про механізм шкідливої дії мікроорганізмів на матеріали в умовах їх експлуатації поданий у багатьох роботах. Науковцями та практиками [2-9], які вивчали і працювали з полімерними матеріалами, використовуючи їх у побутовій сфері та сфері будівництва і землеустрою, доведено, що в процесі експлуатації під впливом різних чинників, стійкість матеріалів до біопошкоджень знижується. Одночасно закономірності дії мікроорганізмів, вивчені недостатньо, порівняно із фізико-механічними впливами: волога, рН, перепад температури, механічне навантаження (під час розтягування, стискання), світлове опромінювання тощо.

Аналіз виявлених випадків мікробіологічних ушкоджень показує, що їх виникнення, характер та інтенсивність розвитку залежать від властивостей, стану та умов використання матеріалу, агресивності мікроорганізму, тривалості та умов взаємодії пари матеріал-мікроорганізм, а також низки інших факторів, що сприяють цій взаємодії [7].

Виділення невирішених раніше частин загальної проблеми. Незважаючи на достатній обсяг виконаних наукових робіт щодо мікробіологічних пошкоджень текстилю, недостатньо вивчені матеріалознавчі аспекти подібних пошкоджень для ГНМ. Під час перебування у ґрунті на ці матеріали активно впливають умови середовища: вода, зміни температури, рН ґрунту, розміри фракцій ґрунту, рослини, тварини, мікроорганізми. Наявна інформація мало підтверджується натурними дослідженнями, тому дослідження ГНМ на стійкість у природних натурних умовах є доцільним і сприятиме отриманню доказових фактів для прогнозування їх довговічності.

Мета статті. Метою цієї роботи є виявлення біо - пошкоджень ГНМ ландшафтної сфери використання, виготовлених з поліефіру та поліпропілену, та доведення їх стійкості до дії біодеструкторів.

Виклад основного матеріалу. Мінімізація мікробіологічного впливу на ГНМ під час їх експлуатації, на нашу думку, пов'язана з природою волок - ноутворюючого полімеру, структурою полотна, його показниками: стійкістю до дії води, кислот, лугів, перепаду температури, УФ-опромінення. Тобто дослідження, цього аспекту проблеми, вимагає системного підходу з врахуванням повного життєвого циклу матеріалів, починаючи з проектування, включаючи виробництво та відповідне використання.

Необхідність аналізу і виявлення структурних характеристик, які пов'язані з технологією виробництва, є важливими вихідними умовами як з накопичення, так і активізації дії мікроорганізмів. Потрібно враховувати матеріалоємність матеріалу за поверхневою густиною. Важливо з'ясовувати товщину, яка забезпечує розміщення та утримання мікроорганізмів, крім цього, необхідно зважати на особливості технологічної обробки (голкопробивні, термічно скріплені, гідроскріплені, клейові), які також впливають на мікробіологічну стійкість ГНМ.

Аналіз умов експлуатації ГНМ передбачає окреслення чинників середовища, в якому можливе їх використання, а саме, типу ґрунту, глибини розташування та строку перебування у ґрунті.

Визначення можливих родів мікроорганізмів базується на результатах досліджень [2; 3; 4], де встановлено, що серед бактерій, які розмножуються на текстильних матеріалах і пошкоджують їх, є: Achromobacter sp., Cellulomonus sp., Celluloba - cillus myxogenes, Bac. apor - choeus, Cellvibrio fulvus, Corinebacterium fimi, Bact. cellulolyticum flavum, Bacillus cellulose disalvens, Cytophaga rubra, Sporocytophaga myxo - coccoides тощо.

Серед грибів найчастіше на текстильних матеріалах зустрічаються такі: Aspergillus, Penicillium, Alternaria kikuchiana, Chaetomium, Cladosporium herbatum, Fusarium oxysporum, Macrosporium con - sortiale, Trichoderma, Verticillium alboatrum тощо.

З'ясування чинників, що стимулюють процеси мікробіологічного пошкодження, необхідне для їх врахування під час експлуатації в реальних умовах (росту і життєдіяльності мікроорганізмів, їх харчування, дихання, вологості, температури та рН середовища).

Показником, що характеризує мікробіологічну стійкість, є втрата граничної міцності за певний період мікробіологічного навантаження, відповідно до EN 12225:2000 «Geotextiles and geotextile-related products. Method for determining the microbiological resistance by a soil burial test». Крім того, визначали чисельність мезофільних аеробних та факультативно-анаеробних мікроорганізмів (МАФАнМ), пліснявих грибів, дріжджів. Цей показник виражають кількістю колонієутворюючих одиниць (КУО у 1 г чи 1 см³ продукту). Для оцінювання та прогнозування довговічності ГНМ критеріями слугували ймовірні пошкодження у натурних умовах.

Для дослідження, що проводилося в натурних умовах селища Яківці Полтавського р-ну, Полтавської обл., було обрано ГНМ із поліефірних (зразки 3, 6, 7) та поліпропіленових (зразок 8) волокон різної поверхневої густини.Дослідження полягало в тому, що зразки розміщували в мікробіологічно активному ґрунті шляхом закопування, тобто піддавали мікробіологічному навантаженню протягом 12 та 24 місяців. Ґрунт - опідзолений чорнозем, вміст гумусу до 1,6-4,0%. Після закінчення терміну перебування під навантаженням досліджувані зразки аналізували методом візуального огляду зовнішнього вигляду полотна (як до, так і після чистки), виявляли зміни, що помітні у структурі полотна, фіксували ознаки пошкодження полотна та окремих волокон під час мікроскопії, проводили мікробіологічне дослідження. Одночасно досліджували показники фізико-механічних властивостей зразків (граничну міцність, відносне подовження за найбільшого навантажування). Результати дослідження порівнювали з характеристиками зразків, які не піддавалися мікробіологічному навантаженню.

Фотографічне зображення мікроскопічного дослідження волокнистого матеріалу контрольних полотен засвідчують, що волокна мають гладку поверхню без дефектів.

Фотографічне зображення поздовжнього вигляду волокон до мікробіологічного навантаження (збільшення 200х)

Фотографічне зображення стану ГНМ після натурних випробувань протягом 24 місяців (збільшення 500х)

Після виймання ГНМ із ґрунту було зафіксовано різний ступінь закольматованості зразків, що випробовувалися протягом 12 і 24 місяців, та пошкодження внаслідок проростання коріння рослин.

Під час мікроскопічного дослідження виявили, що як на поліефірних, так і поліпропіленових, волокнах наявні сліди мікробіологічної деструкції. Пошкодження характеризуються потовщенням окремих ділянок волокон, розтріскуванням у місцях найбільшого набухання, появою поздовжніх тріщин різної довжини.

Виявлені пошкодження поліефірних волокон характеризуються потовщенням окремих ділянок, які, на нашу думку, пов'язані з локальним закріпленням мікроорганізмів завдяки адгезії і наступної адсорбції поживним середовищем волокна. У місцях потовщення помітні улоговини (рис. 4, а). Окремі потовщення в результаті набухання виглядають надутими ділянками (здуттям) (рис. 4, б). Найбільш поширена зміна в макроструктурі поліефір-них волокон спостерігається у вигляді локального потовщення в результаті набухання, що пов'язане з розмноженням мікроорганізмів на окремій ділянці.

Фотографічне зображення пошкоджень поліефірних волокон після мікробіологічного навантаження (збільшення 200х)

Пошкодження поліпропіленових волокон відрізняються як формою, так і розмірами. Виявлені пошкодження мають вигляд тріщин різної довжини і ширини.

Фотографічне зображення пошкоджень поліпропіленових волокон після мікробіологічного навантаження (збільшення 200х): а - тріщина; б - локальне потовщення з улоговинами; в - початкові руйнування у місцях деформування

Крім цього, помітні локальні потовщення без улоговин та з явними глибокими улоговинами (рис. 5, б). Поздовжні потовщення у місцях їх деформування (згину) мають початкові поперечні руйнування (рис. 5, в), що можна пояснити накопиченням перерозподіленого силового навантаження у структурі волокна.

Порівняно з мікробіологічною деструкцією целюлозовмісних волокон, які піддаються повному руйнуванню протягом 14-17 днів [3], поліефірні і поліпропіленові волокна помітно пошкоджуються в активному ґрунтовому середовищі через 24 місяці.

Поживним середовищем для активного росту та розмноження мікробіологічних деструкторів синтетичних волокон можуть виступати барвники, замаслювачі, просочки тощо. Наявність даних речовин сприяє поверхневим пошкодженням, тому що мікроорганізми частково розрихлюють поверхню, але не руйнують цілісність волокна.

Мікробіологічне дослідження включало три етапи:

- посів поверхневим методом змиву з досліджуваного матеріалу на щільне поживне середовище (м'ясо-пептонний агар та сусло-агар);

- вирощування мікроорганізмів у термостаті при постійній температурі 3б±1°С протягом 48 год.; - аналіз результатів мікробіологічного посіву.

Підрахунок чисельності мікроорганізмів (бактерій, грибів, дріжджів) проводили за загальноприй - нятними в мікробіологічній практиці методами [10].

У контрольних зразках загальна кількість МАФАнМ становила 3,8-8,2 тис. мікробних клітин у 1 г матеріалу, після перебування у ґрунті протягом 12 та 24 місяців ступінь мікробіологічного зараження ГНМ значно зріс (табл. 2, 3). це пояснюється тим, що ґрунт, а особливо гумусовий шар, є сприятливим середовищем для активного розмноження та життєдіяльності мікроорганізмів.

За морфологічними ознаками (наявністю багатоклітинного міцелію та конідіальних органів спо - роношення) гриби було ідентифіковано до родів Aspergillus, Penicillium, Cladosporium.

Облік загального мікробіологічного забруднення виявив, що, у середньому, у контрольних зразках на бактерії припадає 96,5%, гриби та дріжджі - 3,5%, після витримування досліджуваних зразків у ґрунті співвідношення дещо змінилося і становило 99,9% і 0,1% відповідно, що можна пояснити превалюванням бактерій у біоценозі ґрунтів.

Як видно з даних таблиць 2, 3, після 12 місяців випробування зразків у ґрунті кількість грибів та дріжджів зросла у 15 разів, а після 24 місяців - у 41 раз. На зразку 8 розвиток грибів та дріжджів збільшився на 33% у другому періоді випробувань, що свідчить про тенденцію до збільшення цієї групи мікроорганізмів. Крім цього, волокна зразка 8 є пофарбованими, що також може слугувати однією із причин найчисельнішої загальної мікробіологічної забрудненості. На зразку 7 зростання у 45 разів чисельності грибів і дріжджів можна пояснити застосуванням просочувальної композиції під час виготовлення нетканого полотна. Також за результатами мікробіологічних досліджень можна зробити висновок, що загальна мікробіологічна забрудненість не залежить від виду волокна матеріалу.

Отримані після мікробіологічного навантаження значення показників фізико-механічних властивостей свідчать про те, що навіть при наявних слідах мікробіологічної деструкції, втрата міцності ГНМ незначна. Після мікробіологічного навантаження відбувається як зростання, так і зниження значень фізико-механічних показників (табл. 4).

Після 12 місяців експлуатації полотен спостерігається зростання показника граничної міцності зразка 3 із 6,12 кН/м до 6,30 кН/м по довжині та із 4,66 кН/м до 5,60 кН/м по ширині. Гранична міцність зразка 8 також збільшилася по ширині до 6,79 кН/м і мінімально зменшилася по довжині до 4,53 кН/м. Значення показника відносного подовження обох зразків зменшилися.

Ступінь мікробіологічного зараження ГНМ після перебування у ґрунті протягом 12 місяців

Список літератури

геотекстильний біопошкодження мікробіологічний поліефірний

1. Биоразрушения материалов и изделий техники / С.А. Семенов, К.З. Гумаргалиева, И.К. Калинина, Г.Е. Заиков // Вестник МИТХТ. - 2007. - Т. 2. - №6. - С. 3-26.

2. Биоповреждения / Под ред. проф. В.Д. Ильичева. - М.: Высшая школа, 1987. - 352 с.

3. Кожевин П.А. Микробные популяции в природе / П.А. Кожевин. - М.: Изд-во ун-та, 1989. - 173 с.

4. Калонтаров И.Я. Придание текстильным материалам биоцыдных свойств и устойчивости к микроорганизмам / И.Я. Калонтаров, В.Л. Ливерант. - Душанбе: Дониш, 1981. - 202 с.

5. Галик І.С. Екологічна безпека та біостійкість текстильних матеріалів / І.С. Галик, О.В. Концевич, Б.Д. Семак. - Львів: Видавництво ЛКА, 2006. - 231 с.

6. Галик І. С. Шляхи ефективного захисту текстилю від біопошкоджень / І. С. Галик, Б.Д. Семак // Вісник Київського національного університету технологій та дизайну. - 2012. - №3. - С. 111-117.

7. Варченко Е.А. Особенности оценки биоповреждений и биокоррозии материалов в природных средах / Е.А. Варченко // Научный журнал КубГАУ. - 2014. - №104 (10). - С. 1948-1965.

8. К решению вопроса о создании строительных композиционных материалов с высокой активной защитой от микробиологического воздействия [Електронний ресурс] / Ю.Е. Токач, Ю.К. Рубанов, М.И. Василенко, Е.Н. Гончарова // Симпозиум 115 «Наука XXI века и вызовы современности». - 2015. - Режим доступу до ресурсу: http://www.sworld.com.ua/index.php/ru/c115-18/24525-115-131.

Размещено на Allbest.ru