Резистивный датчик биодеградации

Полезная модель относится к области применения биоразлагаемых (биодеградируемых) материалов в растениеводстве, экологии, промышленной биотехнологии, медицине, и предназначено для оценки скорости биодеградации используемых биоразлагаемых полимерных композиций. Скорость биодеградации полимерных материалов и композиций зависит не только от их собственных физико-химических свойств, обусловленных составом и строением, но и параметрами окружающей среды. Учесть с достаточной достоверностью все особенности взаимодействия разнообразных биоразлагаемых полимерных композиций с различными по свойствам и составу средами весьма непросто, что стимулировало разработку ряда датчиков различных конструкций, для получения информации о скорости разрушения полимеров в конкретных условиях (Coronado М., Montero G., Valdez В., Stoytcheva М., Eliezer A., García С., Campbell Н., Pérez А. Degradation of nitrile rubber fuel hose by biodiesel use. Energy 2014. 68.15. P. 364-369). Известные конструкции датчиков, однако, не отвечают требованиям удобства использования. В ряде случаев, авторы публикаций ограничиваются лишь утверждением о способности используемого материала деградировать в почве иди других биологических средах (Shaffer С.А., Mishek D.G. Biodegradable horticulture container. Patent US 10470378, 2019., Ichiro Sugimoto. Biodegradable plastic product made from coconut husk fiber powder mixture, Patent US6083621 A, 1998., Оллис Г.Д., Вверсон Мл Д.-С, Белл Л.Н., Уисе Ж.О., Ченг И Вей, Райт Р.А., Расселл А. Биоразлагаемая рыболовная приманка и материал. Патент РФ 2333668, 2002., Пантюхов П.В., Колесникова Н.Н., Попов А.А. Биоразлагаемая термопластичная композиция. Патент RU2473578, 2013., Бастиоли К., Беллотти В., Дель Гудиче Л., Ломби Р., Раллис А. Биоразлагаемые формованные изделия и способ их получения. Патент РФ 2066332. 1990., Ardisson G.В., Tosin М., Barbale М., Degli-Innocenti F. Biodegradation of plastics in soil and effects on nitrification activity. A laboratory approach. Front Microbiol. 2014. 5. 710-728).
Поставленная задача решается применением датчика в корпусе произвольной формы, с кольцевой крышкой для герметичного соединения исследуемого материала известной толщины с корпусом датчика, в котором размещены электроды, последовательно включенные в цепь, содержащую источник питания и индикатор, вместо которого может быть установлено, например, реле, управляющее таймером.
Известны многочисленные способы контроля процесса биоразложения, связанные с периодическим изъятием помещенного в биоразлагающую среду образца, для измерения изменений его параметров - биообрастания, массы, деформационно-прочностных показателей, степени деградации макро-, микро- и молекулярной структуры образцов, молекулярно-массового распределения полимерного связующего и других, либо состава и свойств биологической системы, в которой протекает биодеструкция (дыхательной активности, кислотности, химического и микробиологического состава биологической среды и т.п. (Крутько Э.Т., Прокопчук Н.Р., Глоба А.И. Технология биоразлагаемых полимерных материалов. Минск. БГТУ, 2014. 105 с., Yabannavar А.V., Bartha R. Methods for Assessment of Biodegradability of Plastic Films in Soil. Applied environmental microbiology, 1994, 60. 10, pp. 3608-3614., Yasuo Imashiro, Ikuo Takahashi, Naofumi Horie, Shigekazu Suzuki Method for control of biodegradation rate of biodegradable plastic, patent US5973024A, 1998., Tashiro Hironori, Ito Shinji. Method of measuring a biodegradation rate of unnatural organic compound. Patent EP1574852, 2003., Ji-Guang Gu, Ji-Dong Gu Methods Currently Used in Testing Microbiological Degradation and Deterioration of a Wide Range of Polymeric Materials with Various Degree of Degradability: A Review Journal of Polymers and the Environment. 2005, V. 13, 1, p. 65-74., Chinaglia S., Tosin M., Degli-Innocenti F. Biodegradation rate of biodegradable plastics at molecular level. Polymer Degradation and Stability. 2018. 147. pp. 237-244., Велик E.С, Рудакова Л. В. Оценка эффективности деструкции биоразлагаемых полимерных материалов. Вестник ПНИПУ. Урбанистика. Пермь, 2012. 5. С. 78-88). Так, например, при исследовании зависимости изменений полиолефинов от времени в естественных условиях, за счет фототермического и термического окисления накапливаются карбоксильные группы, которое можно определить с использованием инфракрасной Фурье-спектроскопии.
Для долгосрочного прогнозирования поведения полимерного материала, находящегося в окружающей среде, необходимо создать соответствующие лабораторные условия, в том числе и условия для ускоренных испытаний. (Метод оценки оксо-биодеградации полимерных пленок в описании к ГОСТу 34281- 2017 - Оксо-биоразлагаемая упаковка).
Известен, используемый до настоящего времени, разработанный еще в 18 веке метод Метта (E.L.P. Меи), предназначенный для определения переваривающей активности желудочного сока по скорости биодеградации термоденатурированного яичного белка в стеклянных трубках, помещенных в желудочный сок. Скорость биодеградации белка определяют по длине трубочек у их концов, освободившихся от введенного содержимого (Riggs В.С, Stadie W.С. A photoelectric method for the determination of peptic activity in gastric juice. J. Biol. Chem. 1943, 150, p. 463-470).
Известны биоразлагаемые (биологически рассасывающиеся) волокна - нити (Glaubitt W., Thierauf A., Kursawe М. Fibres with controllable rate of biodegradation, resorbability and toxicity. Patent DE19609551C1, 1996.) и полимерные композиции (Andrews M.,. Padwa A.R., Scarlett D.R. Polymer blends with controllable biodegradation rates. US20180334564A1, 2016) no степени разрушения которых можно оценить скорость процесса биодеградации.
Известны разнообразные полимерные, в том числе и биоразлагаемые композиции с различными электрическими свойствами: проводники, изоляторы, полупроводники (Vivian R., Feig Н.Т., Zhenan Bao Biodegradable Polymeric Materials in Degradable Electronic Devices. American Chemical Society (ACS Cent. Sci). 2018, V. 4, 3, p. 337-348), а также многочисленные, отличающиеся химическим составом токопроводящие лаки и клеи (Nakamura Т., Shimizu S., Takeuchi K. Conducting varnish composition. EP0340421B1,1989., Hiroyoshi N., Hitoshi N., Akira N., Takuji N. Organic conductive material and conductive varnish. EP1477993A1, 2003., Ворончихин В.Д., Свередюк В.В. Основные принципы создания углерод со держащих, токопроводящих клеевых композиций. Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов. Решетневские чтения, 2018. С. 95-102. https://cyberleninka.ru/article/n/osnovnye-printsipy-sozdaniya-uglerodsoderzhaschih-tokoprovodyaschih-kleevyh-kompozitsiy/viewer) которые могут быть использованы для построения резистивных датчиков биодеградации.
Заявленное устройство (Фиг. 1а) представляет собой датчик (Фиг 1а, 1б в корпусе произвольной формы, с кольцевой крышкой для герметичного соединения исследуемого материала (Фиг. 2) известной толщины с корпусом датчика, в котором размещены электроды, последовательно включенные в цепь (Фиг. 2), содержащую источник питания (4) и индикатор (5), вместо которого может быть установлено, например, реле, с отдельным источником питания (6), управляющее таймером (7).
Заявленное устройство функционирует следующим образом: При помещении датчика (1), в биоразлагающую среду, исследуемый материал в виде пленки (2) известной толщины, деградирует. При этом, биодеградирующая среда попадает внутрь датчика (1) и замыкает электроды (3) в цепи, содержащей источник питания (4) и индикатор замыкания, или реле (5). Контакты реле используя энергию источника питания (6), управляют таймером (7), измеряющим время биоразложения исследуемого материала в виде пленки (2) известной толщины.
Очевидно, что отношение толщины пленки к длительности измеряемого таймером периода, в конце которого сработал датчик изменения тока в цепи датчик - реле, отражает скорость биодеградации исследуемого материала в данных конкретных условиях.
Заявленная полезная модель представляет собой лишь отражение принципиальной возможности конструирования различных устройств, предназначенных для измерения скорости биодеградации искусственных и естественных полимерных материалов, без необходимости периодического извлечения датчика для измерения изменений в его параметрах.