Биоповреждение промышленных материалов

3

Содержание

1 Биоповреждения и защита лубяных волокон

2 Биоповреждения и защита искусственных и синтетических кож

3 Задача

Список литературы

1 Биоповреждения и защита лубяных волокон

Волокна, получаемые из стеблей, листьев или оболочек плодов растений, называются лубяными. Из стеблей конопли вырабатывают прочные грубые волокна - пеньку, которая используется для тарных тканей и веревочно-канатных изделий. Грубые технические волокна джут, кенаф, рами и другие получают из стеблей одноименных растений. Из всех лубяных волокон наибольшее применение получило льняное.

Льняное комплексное волокно, из которого изготавливают пряжу и ткани, представляет собой пучок склеенных элементарных волокон (растительных клеток), вытянутых в длину и заостренных к концам. Элементарное волокно льна представляет собой растительную клетку с толстыми стенками, узким каналом и коленообразными утолщениями, называемыми сдвигами. Сдвиги являются следами изломов или изгибов волокна в период роста растения и в особенности при его механической обработке. Концы волокон заостренные, канал замкнут. Поперечный срез - неправильный многоугольник с пятью - шестью гранями и каналом в центре. У более грубых волокон поперечное сечение почти овальной формы, с более широким и слегка сплюснутым каналом.

Комплексные волокна состоят из пучков элементарных волокон (15 - 30 шт. в пучке), соединенных срединными пластинками. Срединные пластинки состоят из различных веществ: пектиновых, лигнина, гемицеллюлозы и др.

Лубяные волокна содержат несколько меньше целлюлозы, чем хлопковые - около 70 %. Кроме того, они содержат такие компоненты, как лигнин (10 %), воск и микроколичества антибиотиков, некоторые из которых повышают биостойкость волокна. Наличие лигниновых веществ вызывает огрубление (одревеснение)  растительных клеток, что обусловливает потерю мягкости, гибкости, эластичности, повышенную ломкость волокон.

Основным способом выделения волокна из льносоломы является микробиологический способ, при котором в результате жизнедеятельности пектинразлагающих микроорганизмов разрушаются пектиновые вещества, соединяющие лубяные пучки с тканями стебля, после чего волокно легко отделяется при дальнейшей механической обработке.

Воздействие микроорганизмов на солому осуществляется либо при ее расстиле непосредственно в хозяйствах и длится 20 - 30 сут., либо при ее мочке в условиях льнозаводов, где процесс мочки заканчивается через 2 - 4 сут.

В условиях расстила, при увлажнении разостланной соломы атмосферными осадками и выпадающей росой в аэробных условиях основная роль принадлежит микроскопическим грибам. По данным зарубежных исследователей, при расстиле соломы наиболее распространены грибы следующих родов: Pullularia (прорастает в коре стебля); Cladosporium (образовывает на стеблях бархатистый налет от оливкового до темно-зеленого цвета); Alternaria (прорастает в кору гибкой бесцветной цепочкой и, несомненно, играет важную роль при росяном расстиле).

Исследованиями было выявлено, что наиболее активно разрушает пектиновые вещества льносоломы при расстилах гриб Cladosporium.

При мочке льна на льнозаводах для микрофлоры создаются иные условия, чем при расстиле. Здесь солома погружается в жидкость, а также среда обедняется кислородом, благодаря его вытеснению из стеблей жидкостью и потреблению аэробными бактериями, размножающимися за счет легкодоступных питательных веществ, экстрагирующихся из соломы.

Такие условия благоприятны для размножения анаэробных пектинразлагающих клостридий, относящихся к группе почвенных споровых бактерий, включающей сравнительно небольшое число видов. Большинство из них относятся к теплолюбивым организмам, поэтому в подогретой жидкости процесс проходит за 2 - 4 сут., при более низкой температуре +(15...20 °С) процесс длится 10 - 15 сут.

Любопытные факты

В России и Чехии самым распространенным способом переработки льносоломы является расстил. В Польше, Румынии, Венгрии льносолому перерабатывают на льнозаводах тепловой мочкой, в Нидерландах - мочкой и частично расстилом.

Льняное волокно, полученное различными способами (стланец, моченец), обладает различными прядильными свойствами.

Наилучшим в настоящее время считается стланцевое волокно, полученное способом расстила, где основную роль при разрушении пектиновых веществ стеблей играют плесневые грибы. При получении моченцового волокна эту роль выполняют пектинразлагающие бактерии, причем отдельные штаммы могут образовывать фермент (целлюлазу), разрушающий и саму целлюлозу. Такое воздействие может служить одним из повреждающих факторов в процессах биологической мочки льна. Таким образом, биостойкость льняного волокна зависит от способа получения самого волокна.

Проведенные исследования показывают, что в процессе всех видов биологической обработки увеличивается число разнообразных микробных повреждений волокна. При этом волокно, полученное способом расстила, имело меньшее суммарное число различных микроскопических повреждений, чем приготовленное любым другим из промышленных способов.

Существуют и другие способы получения льняного волокна, например, пропарка (паренец). Исследованиями установлено, что наибольшей биостойкостью обладает льняное паренцовое волокно. Возможными причинами более высокой биостойкости этого волокна по сравнению с другими видами являются его высокая структурная упорядоченность и содержание большого количества видоизмененного лигнина. Кроме того, в процессе мочки и расстила волокно обогащается микроорганизмами, способными при благоприятных условиях разрушать целлюлозу, а пропарка, наоборот, стерилизует волокно.

При воздействии микроорганизмов на льняное волокно количество пектиновых веществ уменьшается на 38 %, а содержание целлюлозы только на 1,2 %. Количество воскообразных веществ и зольность волокна при действии микроорганизмов практически не меняются.

У целлюлозы льна доля упорядоченной области составляет 83,6 %, малоупорядоченной - 5,1 %, неупорядоченной - 15,7 %. При микробиологическом разрушении доля неупорядоченных областей в целлюлозе льна уменьшается до 7,8 %, доля упорядоченных областей возрастает до 86,9 %. Соотношение малоупорядоченных областей в целлюлозе льна изменяется незначительно.

Микробиологические повреждения льняных, джутовых и других лубяных волокон и тканей из них проявляются в виде отдельных прокрашиваний (появления цветных пятен либо потемнения волокон) и сопровождаются появлением гнилостного запаха. На пораженных лубяных волокнах обнаружены микроскопические поперечные трещины и сколы, микроотверстия и раковины в стенках волокна.

Исследования относительной биостойкости лубяных волокон показали, что наиболее стойкими являются волокна манильской  пеньки и джута, наименее стойкими - волокна льна и конопли.

Естественная биостойкость натуральных лубяных волокон в целом невысока и в условиях повышенной влажности и температуры под влиянием микроорганизмов наступает быстрое понижение физико-химических и прочностных показателей как самих волокон, так и изделий из них. В целом, считается, что по биостойкости лубяные волокна находятся примерно на одном уровне с хлопковыми.

На биостойкость целлюлозных волокон большое влияние оказывает последующая обработка их отделочными растворами - шлихтой и аппретами, - содержащими в своем составе крахмал, муку, смолы и другие вещества, придающие текстильным материалам износостойкость, несминаемость, огнестойкость и т.д. Многие из этих веществ представляют хорошую питательную среду для микроорганизмов, поэтому на стадии шлихтования и аппретирования пряжи и тканей обращается особое внимание на строгое соблюдение санитарно-гигиенических и технологических мер, предотвращающих опасность инфицирования тканей микроорганизмами и биоповреждения их в дальнейшем.

2 Биоповреждения и защита искусственных и синтетических кож

К искусственным (ИК) и синтетическим кожам (СК) относят кожеподобные материалы, имитирующие натуральные кожи и обладающие необходимыми потребительскими свойствами. Они имеют, как правило, текстильную основу (подложка эта может быть тканевой, трикотажной и нетканой), пропитанную или покрытую полимерным материалом (пленкой).

В зависимости от вида связующего вещества, входящего в состав полимерного покрытия или пропитки, различают эластокожи (с каучуковым покрытием), винилискожи (с ПВХ), нитронекожи (с нитроцеллюлозным), амидискожи (с полиамидным), уретанискожи (с полиэфируретановым покрытием).

Искусственные и синтетические кожи и изделия из них в процессе хранения и эксплуатации подвергаются воздействию микроорганизмов окружающей среды. Биостойкость искусственных и синтетических кож зависит от многих факторов: структуры кож - взаимного расположения основы, пленкообразующего вещества и структуры лицевой пленки, химического состава структурных элементов кож, вида и состава воздействующих микроорганизмов.

У искусственных кож наиболее сильно повреждается их основа, так как в большинстве случаев она выполнена из хлопка или искусственных целлюлозных волокон. В условиях эксплуатации обуви из таких кож на подкладке начинают активно развиваться микроорганизмы, специфичные для хлопкового волокна, постоянно на нем присутствующие и повреждающие волокно в условиях повышенной относительной влажности и температуры. В основном это бактерии Вас. sublilis, Вас. mesentericus, Ps. fluorescens, E. herbicola, развивающиеся на элементах хлопкового волокна и по-разному разрушающие его. Установлено также, что повреждение основы влияет на изменение свойств искусственной кожи в целом и является одной из основных причин преждевременного износа деталей обуви.

У искусственных кож, изготовленных на основе поливинилхлорида и используемых в качестве тентовых материалов для автомобилей и в автотракторной промышленности, обнаружены повреждения микроорганизмами лицевого слоя при эксплуатации в условиях повышенной влажности и температуры. Повреждения проявились в виде вздутий пленочного покрытия, образования белых и пигментных пятен на поверхности. Из поврежденных участков выделены микроскопические грибы, относящиеся к родам Penicillium и Aspergillus, и бактерии из родов Pseudomonas и Streptococcus.

Основным способом защиты искусственных кож является подбор ингредиентов рецептуры, максимально стойких к воздействию микроорганизмов, а также введение в ее состав биоцидных веществ.

В производстве искусственных кож используют биостойкую тканевую основу. Биоциды вводят в тканевую основу, из которой они диффундируют по объему материала. Биоцид можно вводить также во внутренние слои пластиката, и этого оказывается достаточно для обеспечения эффективной защиты материала от плесневых грибов.

Искусственные кожи, предназначенные для обивки сидений автомобиля "Жигули", обработанные биоцидами, при эксплуатации в тропиках сохранили исходную прочность и внешний вид, тогда как кожи без такой обработки имели неустранимые дефекты лицевой поверхности и поврежденную структуру трикотажной основы, а потеря прочности составила 57 %. Биоцидом в данном случае послужил трилан в сочетании с трибутилоловоацетатом, вводимый в состав пленочного покрытия и пропиточного состава трикотажной основы.

Синтетические кожи выпускаются на основе полиуретанов различных марок.

Выявлено, что пропитка различными видами полиэфируретана значительно снижает обсемененность синтетической кожи микроорганизмами, при этом различные виды полиэфируретана избирательно подавляют жизнедеятельность различных физиологических групп микроорганизмов.

В результате воздействия микроскопических грибов обнаружено изменение лицевой поверхности и нетканой основы кож. Лицевая поверхность кож повреждалась через больший промежуток времени, чем нетканая основа.

При биопоражении лицевая поверхность синтетических кож зарастает покровом белого и зеленого цвета. После удаления мицелия грибов на поверхности образца остаются пятна, исчезает блеск. Нетканая основа изменяется сильнее, обнаруживается серая и желтая пигментация субстрата. У подвергнутых микробиологическому воздействию материалов резко уменьшается прочность сцепления пленки с волокнистой основой.

Наибольшую активность в поражении синтетических кож проявили грибы родов Aspergillus, Penicillium, Trichoderma и др.

Выбор биоцидов осуществляют с учетом технологических особенностей производства искусственной кожи, способности их совмещаться с другими компонентами рецептуры, токсичности и стойкости при хранении и эксплуатации в различных климатических условиях. Из нескольких тысяч испытанных биоцидов положительно зарекомендовали себя цимид, пентахлорфенилацетат, трилан, три-, тетра-, и пентахлорфенолы, их натриевые, медные и цинковые соли, хлорфеноксарин и др.

Выявлено, например, что наиболее эффективно повышает биостойкость полиэфируретановых синтетических кож салициланилид.

3 Задача

Рассчитайте показатель деструкции (К) волокон, если общее число повреждений N=100, х1 (число повреждений класса А) =40, х2 (класс Б) =20, х3 (класс С) =40, коэффициент весомости повреждений α1(А)=0,02, α2 (В)=0,025, α3(С)=0,255.

По показателю деструкции К определите состояние волокон, пользуясь следующими данными:

К=0-0,3 – начальные изменения, не затрачивающие структуру;

К=0,3-3,55  - деструкция начальная внутренних участков волокон;

К=3,55-42,25 – глубокая деструкция волокон на всех уровнях.

Для текстильных волокон используют метод оценки степени деструкции, основанный на изучении макроструктуры волокон с помощью оптической микроскопии и количественном учете всех видов повреждений волокна, вызываемых микроорганизмами.

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 (3.1):

К(х1, х2, х3) = К1 + К2+ К3;                                                                    (3.1)

K1 = α1x1;                                                                                               (3.2)

K2 = α2x2;                                                                                              (3.3)

K3 = α3x3;                                                                                               (3.4)

К(х1, х2, х3) = α1x1 + α2x2 + α3x3;                                                           (3.5)

где К - показатель биодеструкции;

α1, α2, α3 - коэффициенты весомости повреждений классов А, В и С соответственно.

Согласно формуле (3.5) рассчитаем показатель деструкции:

К(х1, х2, х3) = 0,02∙40+0,025∙20+0,255∙40=11,5      

В результате подсчетов выявлено, что показатель деструкции К волокна равен 11,5. Это значение соответствует глубокой биологической деструкции структуры волокна    на всех его уровнях.                  

Это говорит о том, что такое волокно имеет сильные и глубокие повреждения микроорганизмами волокон: расслоение, распад волокна до отдельных конгломератов. В нем резко снижена стойкость к механическим повреждениям. 

Для предотвращения таких повреждений волокон, повышения биостойкости текстильных материалов примененяют антимикробныхе препараты. К биоциду предъявляют следующие требования:

                  эффективность воздействия против наиболее распространенных микроорганизмов при минимальной концентрации и максимальном сроке действия;

                  нетоксичность применяемых концентраций для людей;

                  отсутствие цвета и запаха;

                  низкая стоимость и удобство употребления;

                  отсутствие ухудшения физико-механических, гигиенических и других свойств изделия;

                  сочетаемость с другими отделочными препаратами и текстильно-вспомогательными веществами;

                  светостойкость, атмосферостойкость.

Наиболее эффективными способами придания текстильным материалам биоцидных свойств являются те, которые обеспечивают образование химической связи, т.е. способы химической модификации. К методам химической модификации волокнистых материалов относятся обработки, приводящие к возникновению соединений включения, как, например, введение биологически активных препаратов в прядильные расплавы или растворы.

В патентной литературе имеются данные о придании антимикробных свойств синтетическим волокнам в процессе замасливания. Перед вытягиванием волокна обрабатывают соединениями на основе производных оксихинолина, ароматическими аминами или нитрофурановыми производными. Такие волокна обладают длительным антимикробным действием.

Физическая модификация волокон или нитей - это направленное изменение их состава (без новых химических образований и превращений), структуры (надмолекулярной и текстильной), свойств, технологии производства и переработки. Совершенствование структуры и повышение степени кристалличности волокна  приводит к повышению биостойкости. Однако физическая модификация, в отличие от химической, антимикробных свойств волокнам не придает, но может повышать биостойкость.

На биостойкость волокнистых материалов может оказать большое влияние выбор красителя. Известны красители, обладающие антимикробной активностью на волокне - производные салициловой кислоты, способные фиксировать медь, трифенилметановые, акридиновые, тиазоновые и т.д. Хромсодержащие красители, например, обладают антибактериальным действием, но устойчивости к действию плесневых грибов они волокнам не придают.

Обработка текстильных материалов силиконами также сообщает этим полотнам антимикробный эффект. Применение дезинфицирующих веществ, например, при стирке изделий, возможно непосредственно самим потребителем. Известен метод применения санирующих веществ для ковровых изделий - опрыскивание или распыление дезинфицирующего вещества на поверхности напольных покрытий в процессе эксплуатации. Приемлемые уровни обеззараживания могут быть достигнуты при стирке текстильных изделий такими стиральными средствами, которые могут создавать остаточную фунги- и бактериостатическую активность.

Список литературы

1.        Дзахмишева И.Ш. Товароведение и экспертиза швейных, трикотажных и текстильных товаров / И. Ш. Дзахмишева, С. И. Балаева, М. В. Блиева. –  М.: Дашков и Ко, 2007. - 346 с.

2.        Ермилова И.А. Биоповреждения промышленного сырья и материалов и их защита / И.А. Ермилова. –Л.: ЛИСТ им Ф. Энгельса, 1984.

3.        Ильичев В.Д., Бочаров Б.В., Анисимов А.А. Биоповреждения / В.Д. Ильичев – М.: Высшая школа, 1987.

4.        Каневская И.Г. Биологические повреждения промышленных материалов / И.Г. Каневская. – Л: Наука, 1984.

5.        Пехташова И.А. Биоповреждения и защита непродовольственных товаров /  И.А. Пехташева. – М.: Мастерство, 2002.