Композиционный материал на основе полипропилена с биоцидными свойствами

УДК 677.621.763

А.Л. Чуловская, Е.В. Гарасько, Т.П. Кравченко

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия Ивановская государственная медицинская академия, Иваново, Россия

КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ПОЛИПРОПИЛЕНА С БИОЦИДНЫМИ СВОЙСТВАМИ

Получен материал на основе полипропилена, наполненный наноразмерным медьсодержащим порошком. Методами ИК-спектроскопии и атомно-силовой микроскопии изучены поверхностные свойства композиционного материала. Оценены биоцидные свойства полученного материала.

Material based on polypropylene filled nanosized copper-containing powders were obtained. Surface properties of the composite material were studied by IR spectroscopy and atomic force microscopy. Biocidal properties of the material were estimated.

Последние десятилетия характеризуются интенсивными исследованиями в области получения материалов и изделий из гибкоцепных полимеров на основе углеводородов, к которым относится полипропилен (1111). Полипропилен, обладающий ценным комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств, является одним из наиболее важных промышленных крупнотоннажных полимеров. Он предназначен для производства пленок, пленочных нитей, волокон, лент, нетканых материалов, листов, труб и других изделий бытового, технического и медицинского назначения.

Одним из самых существенных технологических достижений в промышленности полимеров стало их модифицирование наноразмерными наполнителями различной природы: углеродной (фуллерены, нанотрубки), керамической (Al2O3, SiO2, наноглины) и металлической. Высокие значения активной поверхности нанонаполнителей позволяют получать полимерные композиции с ценным комплексом улучшенных и специальных потребительских свойств, что расширяет области их применения, а также повышает конкурентоспособность с другими типами полимеров.

В качестве наиболее перспективных наполнителей полимеров можно рассматривать наноразмерные медьсодержащие порошки (НМП). В ультрадисперсной форме частицы металлов приобретают уникальные свойства, из которых наиболее интересными являются их бактерицидные свойства. Наночастицы металлов электронейтральны, что позволяет им равномерно распределяться в полимерной матрице, обеспечивая надежную защиту от микроорганизмов. Стабильность наночастиц в полимерных системах сохраняется в течение длительного времени.

Существенные преимущества среди различных методов получения полимерных композиционных материалов имеет формование из расплава, которую отличает высокая скорость, санитарно-гигиеническая и экологическая безвредность. Расплав ПП имеет повышенную вязкость даже при температуре, намного превышающей температуру плавления.

Целью настоящей работы является получение наполненных нано-размерными медьсодержащими порошками полипропиленовых материалов, оценка поверхностных и биоцидных свойств нового композиционного материала. В работе использовали изотактический полипропилен. В качестве наполнителя использован НМП, полученный методом электрохимического катодного восстановления из водно-изопропанольных растворов электролитов [1]. НМП обладает устойчивостью при температуре формования, высокой дисперсностью, агрегативной устойчивостью. Перед формованием на гранулы полимера методом вихревого смешения наносили сначала полиэтиленсилоксан или полиэтиленгликоль, затем НМП (1 мас. %). Процесс формования полипропиленового материала, модифицированного НМП, проводили на двушнековом экструдере с целью более равномерного распределения наполнителя.

ИК- спектроскопия выполнена на ИК-Фурье спектрографе «Avatar-360 FT-IR», США. Анализ поверхности полученных исходной и композиционной нитей проводили на атомно-силовом микроскопе Solver-47- Pro. Обработку изображений, полученных методом АСМ, проводили по программе, включающей в себя математическое выравнивание наклона поверхности подложки, построение гистограмм распределения частиц по высотам и анализ формы частиц с помощью диаграмм сечений. Процесс формования композиционного полипропиленового материала (КПМ) протекал стабильно. Сформованный КПМ имеет красно-коричневый оттенок. На рис. 1 приведены ИК-спектры исходного полипропилена, а также КПМ.

1210

1150

1800

1500

1200

900

600

см - '

Рис. 1. ИК-спектры образцов:_исходного; — модифицированного материала

На спектре КПМ появляются интенсивные пики в области 1150 см-1 и 1210 см-1. Наличие этих пиков свидетельствует о том, что введение частиц НМП в изотактический полипропилен оказывает влияние на конформацию молекул полимера и, следовательно, наблюдается изменение его надмолекулярной структуры в поверхностных слоях полипропиленового модифицированного материала. Было установлено, что данные изменения не вызывают ухудшения физико-механических характеристик КПМ. Прочность модифицированного материала находится в пределах погрешности и соответствует прочности немодифицированного полипропиленового материала.

Полученное в режиме фазового контраста АСМ изображение свидетельствует о том, что внедренная в полимерную матрицу частица НМП окружена слоем структурно-модифицированного полимера (рис 2 б).

Рис. 2. Сопоставление топографии поверхности (а) и картины фазового контраста (б) КПМ

Сопоставление изображений поверхностей КПМ в режимах топографии (рис. 2 а) и фазового контраста (рис. 2 б) позволяет выявить зоны различного химического состава. Их появление объясняется наличием вблизи поверхности КПМ частиц наноразмерного медьсодержащего порошка.

Антибактериальное действие исходных и модифицированных материалов изучали на грамположительных прокариотах (фирмикутных бактериях) рода Staphylococcus по методике, включающей испытания образцов на бактерицидность. В качестве тест-микроба использовали типовой вид рода Staphylococcus - Staphylococcus aureus - ассоциированный с кожными покровами и слизистыми оболочками, способный вызывать оппортунистические инфекции. Подготовка штаммов для исследования осуществлялась в соответствии с методическими рекомендациями к контролю питательных сред по биологическим показателям [2].

На рис. 3 а представлены результаты исследования биоактивности исходного ПП материала

после воздействия на бактериальный газон со штаммами Staphylococcus-на плотной питательной среде. Видно, что исходный образец 1 не подавляет рост культуры Staphylococcus. КПМ проявляет сильную противомик-робную активность: зафиксирована полная гибель бактерий Staphylococcus под образцами, содержащими наноразмерные частицы меди. Наблюдалась зона задержки роста тест-культуры вокруг образца более 25 мм и достоверное отсутствие роста в жидкой питательной среде, что подтверждают результаты высева из жидкой питательной среды (рис. 3 б). Следует отметить, что динамика инактивации бактерий сохраняется в течение месяца.

Рис. 3. Снимки исследуемых исходного и наполненного образцов после воздействия на бактериальный газон со штаммами Staphylococcus: на плотной питательной среде

Таким образом, изучены поверхностные свойства композиционного материала на основе полипропилена, модифицированного наноразмерным медьсодержащим порошком. Показано, что на поверхности композита и в приповерхностных слоях полимера присутствуют наноразмерные медьсодержащие частицы. Полученный КПМ обладает антибактериальными свойствами. Результаты проведенных исследований можно рассматривать как путь, для создания материалов медицинского или иного назначения, обладающих антибактериальными свойствами.

Библиографический список

1. Тесакова М. В., Парфенюк В. И. Электрокристаллизация ультрадисперсных медьсодержащих порошков из водно-изопропанольных растворов сульфата меди // Изв. Вузов. Химия и хим. технология. 2008. - Т. 51. - № 2. - С. 54-58.

2. Справочник по микробиологическим и вирусологическим методам исследования / под ред. Биргера М. О., М.: Медицина, 1982. - 464 с.