Влияние сортности хлопковых волокон на их стойкость к действию микроорганизмов

Е. Л. Пехташева, А. Н. Неверов, Г. Е. Заиков,

С. Ю. Софьина

ВЛИЯНИЕ СОРТНОСТИ ХЛОПКОВЫХ ВОЛОКОН

НА ИХ СТОЙКОСТЬ К ДЕЙСТВИЮ МИКРООРГАНИЗМОВ

Ключевые слова: микроорганизмы, хлопок, волокно, текстильные материалы, структура, свойства, старение,

стабилизация.

Обсуждены проблемы старение хлопковых волокон (ХВ) под действием микроорганизмов. Рассмотрены возможности повышения стойкости ХВ. Приводятся данные по влиянию микроорганизмов на структуру и свойства хлопковых текстильных материалов.

Keywords: microorganisms, cotton, fiber, textile materials, structure, properties, aging, stabilization.

The problems of the aging of cotton fibers (CF) under the influence of microorganisms are discussed. The possibilities of increasing of the resistance of CF are reviewed. The data of the effect of microorganisms on the structure and properties of cotton textile materials are presented.

В качестве объектов исследования по установлению зависимости микробиологической стойкости от качества (сортности) хлопковых волокон был взят средневолокнистый хлопок 1-5 сортов селекции 30-38 6 типа (Казахстан).

Для оценки степени биодеструкции волокон использовали метод профессора Ермиловой И. А. [1, 2], основанный на количественной оценке видов повреждений волокон с помощью свето-оптической микроскопии. Результаты опыта представлены в таблицах 1-5.

Таблица 1 - Степень биодеструкции средневолокнистого хлопка 1 сорта (Казахстан) на разных сроках воздействия микроорганизмов

Воздейст- вующая микрофло- ра Время воздей- ствия, сутки Число повреждений класса, ед. Показатель био-деструкции, К, ед.

А; "1 В; "2 С; "з

Исходный образец G 54 б G G,34

Bac. subtilis 7 SG 51 б 2,99

14 139 SG 14 5,S7

2S 154 94 19 7,59

Ps. herbicola 7 111 54 5 2,S9

14 11S 79 12 5,14

2S 144 93 14 б,21

Спонтанная микрофлора 7 214 47 4 2,49

14 241 59 7 3,7S

2S 2бб 71 1G 4,SS

Asp. niger 7 22S бЗ б 3,59

14 245 SG S 4,6G

2S 2б5 9G 13 6,1s

Pen. funicu-losum 7 224 55 5 3,GS

14 2б4 б9 S 4,27

2S 2S2 S1 12 5,73

Таблица 2 - Степень биодеструкции средневолокнистого хлопка 2 сорта (Казахстан) на разных сроках воздействия микроорганизмов

Воздейст- вующая микрофло- ра Время воздействия, сутки Число повреждений класса, ед. Показатель био-деструкции, К, ед.

А; "1 В; "2 С; "з

Исходный образец G 62 8 1 G,64

Bac. subtilis 7 114 57 7 3,45

14 117 82 15 6,19

28 168 96 2G 7,75

Ps. herbicola 7 131 57 б 3,29

14 145 SG 12 5,42

28 154 95 15 6,45

Спонтанная микрофлора 7 193 51 4 2,66

14 219 63 8 3,97

28 248 78 11 5,19

Asp. niger 7 244 67 8 4,16

14 27G 82 9 4,91

28 288 91 14 6,4G

Pen.funiculo sum 7 231 58 б 3,35

14 269 74 8 4,49

28 273 84 13 5,93

ЗІЗ

Таблица 3 - Степень биодеструкции средневолокнистого хлопка 3 сорта (Казахстан) на разных сроках воздействия микроорганизмов

Воздейст- вующая микрофлора Время воздействия, сутки Число повреждений класса, ед. Показатель био-деструкции, К, ед.

А; "1 В; "2 С; "3

Исходный образец 0 102 32 6 2,62

Bac. subtilis 7 118 62 11 4,66

14 146 85 16 6,57

28 190 96 22 8,27

Ps. herbicola 7 136 60 11 4,50

14 150 83 15 6,18

28 163 95 17 7,01

Спонтанная микрофлора 7 217 54 8 3,86

14 239 71 11 5,09

28 260 84 13 5,85

Asp. niger 7 250 75 10 4,94

14 278 83 15 6,54

28 292 95 16 7,10

Pen. funicu-losum 7 236 61 8 4,12

14 272 77 12 5,41

28 285 85 14 6,15

Как следует из полученных данных исходные хлопковые волокна всех сортов имели повреждения классов А, В и С. Однако у волокон более низких сортов количество повреждений каждого класса заметно больше, чем у хлопка-волокна более высоких сортов. При этом у хлопка более низких сортов было заметно больше повреждений класса С, которые непосредственно влияют на свойства волокон. Показатель биодеструкции (К) контрольных волокон 1 сорта составляет 0,34 ед. и соответствует начальным изменениям поверхности волокна, не связанных с повреждением их внутренней структуры. У исходных волокон более низких сортов показатель биодеструкции несколько выше и связан с повреждением не только поверхности, но и внутренних участков волокон, что может сопровождаться начальными изменениями структуры.

Согласно полученным данным уже в исходных образцах (контрольных) показатель биодест-

рукции монотонно возрастает со снижением сортности хлопка. Величина показателя биодеструкции хлопка 5 сорта, в котором более чем в 10 раз превышает аналогичный показатель хлопка 1 сорта. При этом снижении сортности увеличивается число

повреждений всех классов (х1, х2, х3), но в наибольшей степени увеличивается число повреждений класса С (в 20 раз при сравнении одних и тех же сортов хлопка), что связано с повреждением внутренней структуры волокна.

Таблица 4 - Степень биодеструкции средневолокнистого хлопка 4 сорта (Казахстан) на разных сроках воздействия микроорганизмов

Воздей- ствую- щая микро- флора Время воз- дейст- вия, сутки Число повреждений класса, ед. Показатель биоде-струк-ции, К, ед.

А; "1 В; "2 С; "3

Исходный образец 0 110 46 7 3,09

Bac. subtilis 7 135 67 16 5,91

14 159 88 17 6,88

28 197 98 24 8,89

Ps. herbicola 7 149 64 14 5,53

14 169 86 16 6,45

28 169 98 18 7,34

Спонтанная микрофлора 7 237 58 9 4,19

14 255 76 13 5,69

28 266 89 16 6,76

Asp. niger 7 252 78 15 6,15

14 290 86 16 6,83

28 295 97 18 7,59

Pen. funicu-losum 7 264 64 11 4,79

14 269 81 13 6,02

28 307 89 16 6,95

Анализ результатов позволил установить, что степень повреждения хлопковых волокон зависит от их сорта, вида воздействующих микроорганизмов, длительности воздействия. Степень биодеструкции тем выше, чем ниже сорт исходного хлопкового волокна.

Таблица 5 - Степень биодеструкции средневолокнистого хлопка 5 сорта (Казахстан) на разных сроках воздействия микроорганизмов

Воздейст- вующая микрофлора Время воздействия, сутки Число повреждений класса, ед. Показатель био-деструкции, К, ед.

А; "1 В; "2 С; "3

Исходный образец 0 135 52 8 3,52

Bac. subtilis 7 157 75 16 6,33

14 206 91 19 7,46

28 214 99 24 9,09

Ps. herbicola 7 168 68 16 6,13

14 192 88 17 6,99

28 200 101 18 7,59

Спонтанная микрофлора 7 253 61 11 4,77

14 268 79 14 5,96

28 280 93 16 6,99

Asp. niger 7 252 85 16 6,59

14 291 89 17 7,06

28 301 102 20 8,11

Pen. funicu-losum 7 282 68 13 5,51

14 311 86 14 6,31

28 327 94 17 7,19

При воздействии микроорганизмов, включенных в исследование, показатель биодеструкции возрастает у хлопковых волокон всех сортов. Особенно интенсивно растет количество повреждений класса

В, в частности отмечено появление такого вида, как повреждение стенки, что хорошо заметно на волокнах более высоких сортов. У исходных волокон 1 сорта число повреждений класса В составляет 6,3 ед., а через 7 суток воздействия микроорганизмов оно возрастает в более, чем 10 раз.

В целом же волокна более низких сортов повреждаются сильнее при воздействии всех видов микроорганизмов: спонтанной микрофлоры, бактерий и микроскопических грибов.

Следует отметить, что наиболее сильное влияние на степень биодеструкции хлопковых волокон всех сортов оказывают бактерии Вас. биЫШб. Так, показатель биодеструкции волокон 1 сорта через 28 суток воздействия этого штамма бактерий составил 7,59 ед., для 5 сорта - 9,09 ед.

У исходных волокон низших сортов отмечено заметно большее число повреждений класса А (в основном - обрастания), которые не влияют на изменение внутренней структуры, и класса В (вздутия, повреждения стенок), которые уже могут оказывать заметное влияние на прочностные свойства волокон. Повреждения класса А могут постепенно переходить в повреждения класса В, а те, в свою очередь -приводить к распаду волокна, его расслоению, т. е. к повреждениям класса С.

На микрофотографиях (рисунок 1) представлены повреждения класса А хлопковых волокон разных сортов, на рисунках 2, 3 - повреждения класса В и на рисунке 36 - класса С. Виды повреждений и их характер у хлопковых волокон разных сортов одинаковы, однако количество повреждений разных классов различно. Наибольшая повреждаемость характерна для хлопковых волокон более низких сортов.

На рисунке 5 - 7 представлены гистограммы, характеризующие изменение количества микробиологических повреждений разных классов (А, В и С) хлопковых волокон 1 и 5 сортов при воздействии спонтанной микрофлоры.

Одним из практически важных проявлений протекания процессов старения целлюлозы, в том числе и её биодеструкции, является изменение такого важного показателя качества как белизна. Процесс старения обычно сопровождается снижением белизны хлопкового волокна и его «пожелтением». Предполагают [3, 4], что наблюдаемые изменения колористических свойств целлюлозы (в том числе и хлопковой) связаны с процессами биодеструкции и окисления, протекающими под действием микроорганизмов с образованием кислородсодержащих групп (первичных и вторичных спиртовых, эпоксидных и перекисных).

Считают [4, 5], что на скорость процесса биоразрушения и, следовательно, на скорости изменения белизны и желтизны целлюлозосодержащих материалов влияет вид, чистота и степень обработки этих материалов. Существенное влияние на скорость «пожелтения» целлюлозы оказывают следы металлов, особенно металлов переменной валентности, играющих роль катализаторов или ингибиторов протекающих процессов.

В связи с этим представляет большой практический интерес оценка влияния степени чистоты хлопкового волокна, которая характеризуется его сортностью, на такой важный показатель качества как желтизна.

В таблицах 6-8 представлены полученные нами данные по определению желтизны хлопкового волокна различных сортов, подвергнутых воздействию спонтанной микрофлоры, бактерий Bac. subtilis и грибов Asp. niger в течение различных сроков.

Рис. 2 - Повреждения микроорганизмами хлопковых волокон класса В (тип - повреждение стенок) (х 480): а - 1 сорт; б - 2 сорт; в, г - 3 сорт; д - 4 сорт; е - 5 сорт

316

Г

Окончание рис. 2

Рис. 3 - Повреждения микроорганизмами хлопковых волокон класса В (тип - вздутия) (х 480): а - 1 сорт; б, в - 3 сорт; г - 4 сорт; д, е - 5 сорт

д

е

б

г

в

е д

Окончание рис. З

200 -

<5 100 -

I

I I I

7 14

время экспозиции,сутки

28

Рис. 5 - Число повреждений классов А, В, С у хлопковых волокон 1-го и 5-го сортов при воздействии бактерий Bacillus subtilis:^ - 1 сорт; Щ -2 сорт

Рис. 6 - Повреждения классов А, В и С хлопковых волокон 1 сорта под действием спонтанной микрофлоры

время экспозиции, сутки

Рис. 7 - Повреждения классов А, В и С хлопковых волокон 5 сорта под действием спонтанной микрофлоры

Таблица 6 - Желтизна хлопковых волокон различных сортов после разных сроков действия спонтанной микрофлоры

Длительность действия микроорганизмов, сутки Желтизна, %

Сорт хлопкового волокна

1 2 3 4 5

0 20,2 23,7 26,5 29,3 31,6

7 22,2 26,5 30,2 34,3 38,2

14 23,2 27,7 31,5 35,5 40,4

28 24,5 30,3 34,9 40,4 44,6

Таблица 7 - Желтизна хлопковых волокон различных сортов после разных сроков воздействия бактерий Вас. зиМШз

Длительность действия мик-роорга-низмов, сутки Желтизна, %

Сорт хлопкового волокна

1 2 3 4 5

0 20,2 23,7 26,5 29,3 31,6

7 24,4 29,4 33,4 37,8 41,4

14 28,1 33,4 38,9 44,2 48,9

28 30,5 36,7 41,9 46,9 51,2

Таблица 8 - Желтизна хлопковых волокон различных сортов после разных сроков воздействия микроскопических грибов Asp. niger

Длительность действия мик-роорга-низмов, сутки Желтизна, %

Сорт хлопкового волокна

1 2 3 4 5

0 20,2 23,7 26,5 29,3 31,6

7 24,8 30,1 34,2 38,4 42,3

14 26,3 31,5 36,3 41,0 44,6

28 28,5 33,9 38,9 43,9 48,3

По полученным данным были построены графические зависимости изменения желтизны хлопкового волокна от длительности действия исследуемых микроорганизмов (рисунок 8).

На начальном участке полученных кривых зависимость носит линейный характер, что позволило рассчитать начальные скорости изменения показателя желтизны исследуемых волокон и оценить скорость изменения этого важнейшего параметра под действием микроорганизмов.

20 -----------------1----------------.---------------1---------------.

0 7 14 21 28

время экспозиции, сутки

Рис. 8 - Зависимость желтизны хлопковых волокон различных сортов от времени действия бактерий Вас. 8иМШз

В таблице 9 представлены результаты расчета скорости нарастания желтизны хлопковых волокон разных сортов под действием различных микроорганизмов.

Как следует из полученных данных снижение сортности хлопкового волокна приводит к ускорению процесса его биоразрушения, оцениваемого по степени пожелтения материала.

Полученные данные о расчетных скоростях изменения показателя желтизны показывают и «агрессивность» тех или иных воздействующих микроорганизмов. Так, наиболее опасными, по нашему мнению, биодеструкторами по отношению к хлопковому волокну всех сортов следует считать бактерии Вас. биЫШб, лишь немного уступают им грибы

Asp. niger и меньшей агрессивностью характеризуется спонтанная микрофлора.

Таблица 9 - Скорость изменения (роста) показателя желтизна (абс. %/сутки) хлопковых волокон различных сортов под действием различных микроорганизмов

Воздейст- вующие микроор- ганизмы Скорость роста «желтизны», абс. %/сутки

Сорт хлопкового волокна

1 2 3 4 5

Bac. subtilis 0,58 0,69 0,89 1,09 1,23

Asp. niger 0,49 0,63 0,82 0,98 1,10

Спонтанная микрофлора 0,21 0,32 0,52 0,59 0,72

Весьма важным с точки зрения выявления механизма процессов, протекающих при биодеструкции и приводящим к тем или иным изменениям свойств материалов, является установление связи между изменением свойств материала и изменением его структуры.

Рис. 9 - Скорость изменения показателя желтизны хлопковых волокон разных сортов под действием микроорганизмов

Нами была предпринята попытка найти взаимосвязь между степенью изменения «желтизны» материала и изменением его структуры, определяемой как показатель биодеструкции.

На рисунке 10-12 графически в системе координат 0=1^) построены зависимости изменения желтизны (О) от показателя биодеструкции для хлопковых волокон различных сортов при воздействии бактерий, спонтанной микрофлоры и микроскопических грибов.

Представленные на рисунке 10-12 графические данные свидетельствуют о том, что между желтизной материала и степенью его стойкости существует линейная зависимость, определяемая формулой:

О = а • к + А,

где О - показатель желтизны;

к - показатель биодеструкции; а и А - коэффициенты.

При этом коэффициент а характеризует чувствительность контролируемого показателя свойства (О) к изменениям структуры материала.

20 4-^------------------------------------------------------

0 2 4 6 8 10

Показатель биодвструкции, лд

Рис. 10 - Зависимость желтизны образцов хлопковых волокон разных сортов от показателя биодеструкции при воздействии бактерий Вас. зиМШз

В таблице 10 представлены рассчитанные нами значения коэффициентов а и А для хлопковых волокон разных сортов и различных воздействующих на хлопковые волокна микроорганизмов.

Таблица 10 - Значения коэффициентов а и А для хлопковых волокон разных сортов при воздействии различных микроорганизмов

Воздейст- вующие микроорга- низмы Ко- эффи- циен- ты Сорт хлопковых волокон

1 2 3 4 5

Bac. subtilis а 1,39 1,83 2,96 3,45 3,62

А 20,0 22,2 18,0 20,0 20,0

Asp. niger а 1,36 1,76 2,14 3,11 3,55

А 20,0 22,5 19,0 20,0 19,0

Спонтанная микрофлора а 0,96 1,43 2,63 3,0 3,61

А 20,0 22,5 20,0 20,5 20,0

Наличие обнаруженной зависимости между показателем «желтизны» хлопкового волокна и степенью биодеструкции для всех сортов хлопка, позволяет использовать достаточно просто определяемый показатель «желтизны» для оценки биостойкости хлопкового волокна [6-15].

Литература

1. Ермилова И.А. Теоретические и практические основы микробиологической деструкции химических волокон. - М.: Наука, 1991. - 248 с.

2. Ермилова И. А. Теоретические и практические основы микробиологической деструкции текстильных волокон и способов их защиты от воздействия микроорганизмов: Дисс. ... д-ра техн. наук // Л.: ЛИТЛП им.

С.М.Кирова, 1982. - 470 с.

3. Gascoigne J.A., Gaxoigne M.M. Biological degradation of cellulose / L.: Butterworths. - 1960. - 246 p.

4. Kaplan A.M., Mandels M., Greenberger N. Mode of action of regins in preventing microbial degradation of cellulosic textiles. - In: Biodeterioration of materials. L. -1972. - v.2. - p. 268-278.

5. Пехташева Е.Л. Биостойкость природоокрашенных хлопковых волокон / Пехташева Е.Л., Нестеров А.Н.,

Заиков Г.Е., Софьина С.Ю// - Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - № 5. - с. ПО-113.

6. N.M. Emanuel, A.L. Buchachenko “Chemical physics of degradation and stabilization of polymers”, VSP International Science Publ., Utrecht, 1982, 354 pp.

7. G.E. Zaikov, A.L. Buchachenko, V.B. Ivanov “Aging of polymers, polymer blends and polymer composites”, New York, Nova Science Publ., 2002, Vol. 1, 258 pp.

8. G.E. Zaikov, A.L. Buchachenko, V.B. Ivanov “Aging of polymers, polymer blends and polymer composites”, New York, Nova Science Publ., 2002, Vol. 2, 253 pp.

9. G.E. Zaikov, A.L. Buchachenko, V.B. Ivanov “Polymer aging at the cutting adge”, New York, Nova Science Publ.,

2002, 176 pp.

10. K.Z. Gumargalieva, G.E. Zaikov “Biodegradation and biodeterioration of polymers. Kinetical aspects”, New York,

Nova Science Publ., 1998, 210 pp.

11. S.A. Semenov, K.Z. Gumargalieva, G.E. Zaikov “Biodegradation and durability of materials under the effect of microorganisms”, Utrecht, VSP International Science Publ.,

2003, 199 pp.

12. A.Ya. Polishchuk, G.E. Zaikov “Multicomponent transport in polymer systems”, New York, Gordon & Breach, 1996, 231 pp.

13. Yu. V. Moiseev, G.E. Zaikov “Chemical resistance of polymers in reactive media”, New York, Plenum Press,

1987, 586 pp.

14. N.M. Emanuel, G.E. Zaikov, Z.K. Maizus “Oxidation of organic compounds. Medium effects in radical reactions”, Oxford, Pergamon Press, 1984, 628 pp.

15. A. Jimenez, G.E. Zaikov “Polymer analysis and degradation”, New York, Nova Science Publ., 2000, 287 pp.

© Е. Л. Пехташева - Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова, г.Москва, pekhtashevael@mail.ru; А. Н. Неверов - Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова, г.Москва, pekhtashevael@mail.ru;Г. Е. Заиков -д-р хим. наук, проф. Института биохимической физики РАН, chembio@sky.chph.ras.ru; С. Ю. Софьина - канд. хим. наук, доц. каф. технологии пластических масс КНИТУ, stoyanov@mаil.ru.