ДЕРЖАТЕЛЬ ОБРАЗЦОВ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ ПЛАСТИКОВ

Область техники
Полезная модель относится к области охраны окружающей среды, а именно к устройствам для определения склонности синтетических пластиков к биодеградации в анаэробной или частично аэробной среде, в частности, к приспособлениям для экспозиции образцов в почве.
Уровень техники
Синтетические пластики, обладая уникальными свойствами и относительно низкой ценой, применяются во многих сферах человеческой жизни. Большинство пластиков обладают высокой стойкостью к физико-химическому и биологическому разложению, что существенным образом затрудняет утилизацию пластиковых отходов и приводит к загрязнению окружающей среды. Проблема утилизации пластиковых отходов может решаться с использованием нескольких взаимодополняющих подходов, в том числе путем биодеградации синтетических пластиков под действием микроорганизмов.
Распространенным способом оценки степени деградирующего воздействия микроорганизмов на пластик является проведение лабораторных или натурных испытаний по оригинальным или стандартизированным методикам. К числу основных методов относят испытание на грибостойкость, оценку газовыделения, имитацию естественных почвенных условий, инкубирование с микроорганизмами, компостирование, тест при закапывании в почву. Принципы проведения испытаний, требования к материалам и образцам зафиксированы рядом национальных и зарубежных стандартов. При проведении испытаний используется лабораторная посуда и устройства для испытаний.
Известно устройство для испытаний полипропиленовых композиций на светостойкость экспресс-методом, содержащее корпус, выполненный в виде перфорированной вентилируемой камеры, в котором установлены источник излучения в виде лампы, регистрирующая аппаратура и средство крепления образцов, состоящее из узла крепления держателей с крестовиной и зажимных элементов, черной пластины с вставленной в нее термопарой для фиксации температуры (RU 29587 U1, G01N 17/00, опуб. 20.05.2003).
Недостатком данного устройства является невозможность одновременной установки нескольких образцов пластика, выполненных в виде пластин или пленок.
Известна лабораторная установка для испытания образцов строительных материалов на биостойкость в модельных средах, включающая в себя испытательную емкость, выполненную из материала, стойкого к воздействию микроорганизмов с установленными в донной части установки образцами, погруженными в модельную среду, при этом испытательная емкость выполнена с теплозащитным кожухом и снабжена кассетой, установленной в ее донной части и выполненной в виде емкости с двойным дном, верхнее из которых имеет отверстия, верхнее и нижнее дно кассеты соединены полосками с образованием меандрообразного канала, в одном углу кассеты установлен поточный нагреватель модельной среды, имеющий патрубок для поступления модельной среды и отверстия, сообщающиеся с каналом кассеты, для подвода в него нагретой модельной среды, в верхней части кассеты закреплена полимерная сетка для фиксации образцов, в испытательной емкости установлены датчик температуры и рН-электрод, погруженные в модельную среду, в нижней части испытательной емкости расположен патрубок, соединенный со сливной емкостью поливинилхлоридным шлангом, проходящим через электромагнитный клапан, установка снабжена насосом, всасывающий патрубок которого соединен с патрубком испытательной емкости, нагнетательный патрубок насоса соединен с патрубком нагревателя, установка снабжена также подпиточной емкостью, расположенной выше испытательной емкости и имеющей электромагнитный клапан на линии подачи модельной среды в испытательную емкость, установка снабжена электронным блоком управления, осуществляющим запись и регулирование основных параметров среды и связанным с датчиком температуры, рН-электродом, электронагревателем модельной среды и электромагнитными клапанами (RU 151772 U1, G01N 33/38, опуб. 20.04.2015).
Недостатком данного устройства является невозможность проведения испытаний в почве.
К недостаткам лабораторных методов относится необходимость применения сложного оборудования, привлечения высококвалифицированного персонала, а также сложность нахождения взаимосвязи между полученными результатами испытаний и микробиологической активностью разных участков почвы. Например, действующие стандарты ГОСТ 32427-2013, ГОСТ 32433-2013 для оценки биоразлагаемости материалов предусматривают использование прибора для определения растворенного кислорода, анализатора углерода, устройство для мембранной фильтрации и т.д.
Натурные испытания в почве позволяют получить достоверные данные о кинетике и механизме биодеградации пластиков в условиях, максимально приближенных к реальным условиям утилизации твердых полимерных отходов. Условия проведения натурных испытаний, форма и размеры образцов не регламентированы действующими стандартами. Для проведения натурных испытаний может использоваться устройство, позволяющее фиксировать образцы полимерных материалов необходимой формы и выполненное из материала, стойкого к воздействию окружающей среды.
Например, известна мульчирующая пластина с прорезями, выполненная в виде полосы из устойчивого к ультрафиолету полимерного материала, характеризующаяся тем, что прорези выполнены или круглой, или эллипсообразной, или прямоугольной формы. В качестве устойчивого к ультрафиолету полимерного материала выбирают поликарбонат, оргстекло или поливинилхлорид с защитным покрытием с внешней стороны, либо материал, содержащий в своем составе УФ-абсорбер (RU 151725 U1, A01G 7/00, опуб. 10.04.2015).
Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является держатель фильтра устройства для отбора и сохранения биопроб в экстремальных условиях обитания, выполненный из двух прямоугольных пластин листового винипласта - верхней и нижней, со скругленными краями и отверстием по центру, и снабженный креплением в виде текстильной застежки из номекса, состоящей из крючковой и петельной частей (RU 136887 U1, G01N 1/00, опуб. 20.01.2014).
Недостатком данного устройства является невозможность установки одновременно нескольких образцов, выполненных в виде пластин или пленок.
Раскрытие полезной модели
Технической задачей и техническим результатом заявленной полезной модели является создание держателя образцов для проведения испытаний пластиков, обеспечивающего возможность одновременной установки нескольких образцов пластиков, выполненных в виде дисков или пленок, а также регистрацию температуры и влажности почвы, кроме того, обеспечивающего универсальность, простоту изготовления, простоту сборки и транспортировки, легкость конструкции, причем материал конструкции не должен подвергаться разрушению под действием продуктов метаболизма микроорганизмов, а также не должен оказывать значительного влияния на окружающую микробиологическую среду.
Для достижения поставленного технического результата предложен держатель образцов для проведения испытаний пластиков, содержащий корпус, в котором установлены образцы в форме дисков, причем корпус выполнен в виде набора из трех прямоугольных фиксирующих пластин, соединенных болтовым соединением с гайками, при этом толщина внутренней пластины составляет 3 мм, а толщина наружных пластин составляет 1 мм, для установки образцов в пластинах выполнены соосные сквозные отверстия круглой формы, причем диаметр отверстий наружных пластин меньше диаметра отверстий внутренней пластины, а диаметр отверстий внутренней пластины составляет 50 мм, кроме того в центральной части наружной нижней и внутренней пластины выполнены сквозные отверстия, диаметром, обеспечивающим посадку с натягом, для установки регистратора температуры и влажности таблеточного типа, при этом пластины, болты и гайки выполнены из фторопласта.
Выполнение корпуса в виде набора из трех пластин позволяет реализовать возможность установки образцов пластика по схеме базирования по плоскости и отверстию. Эта схема обеспечивает простоту сборки и постоянное положение образцов в горизонтальной плоскости.
Применение болтового соединения для скрепления пластин обеспечивает простоту сборки, возможность многократной установки образцов и отличается невысокой стоимостью.
В пластинах выполнены соосные сквозные отверстия круглой формы для установки в них образцов в форме дисков. Выбор образцов в форме дисков обусловлен тем, что это позволяет использовать образцы для проведения испытаний по действующим стандартам.
Выполнение в пластинах нескольких сквозных отверстий обеспечивает возможность одновременной установки нескольких образцов пластиков.
Выбор диаметров отверстий наружных пластин меньше диаметра отверстий внутренней пластины и диаметра отверстий внутренней пластины в размере 50 мм обеспечивает простоту установки образцов и одновременно обеспечивает возможность использования образцов для проведения испытаний по наиболее распространенным действующим стандартам ASTM D5988, NF U52-001, ASTM G21, ГОСТ 9.049-91.
Выполнение корпуса в виде набора из трех пластин обеспечивает простоту транспортировки, так как имеется возможность привести размер держателя к стандартному формату А4 и использовать распространенные средства для хранения и транспортировки вещей.
Выполнение пластин, болтов и гаек из фторопласта обеспечивает устойчивость конструкции к разрушению под действием продуктов метаболизма микроорганизмов. Ввиду отсутствия продуктов разрушения заявленный держатель образцов для проведения испытаний пластиков не будет оказывать значительного влияния на окружающую микробиологическую среду.
Выбор регистратора температуры и влажности таблеточного типа обусловлен необходимостью установления корреляции между параметрами окружающей среды и результатами испытания.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1 и фиг. 2.
На Фиг. 1 показан держатель образцов для проведения испытаний пластиков (сечение повернуто, масштаб 4:1), где 1 - пластина наружная верхняя, 2 - пластина наружная нижняя, 3 - пластина внутренняя, 4 - место установки образцов, 5 - регистратор температуры/влажности, 6 - фиксатор для установки образцов в виде пленок.
На Фиг. 2 показан держатель образцов для проведения испытаний пластиков в сборе с установленным образцом в виде пленки, где 7 - болт с шестигранной головкой, 8 - образец в виде пленки.
Форма и размеры образцов пластиков выбраны таким образом, чтобы иметь возможность сравнивать результаты испытаний с результатами испытаний, выполненных по стандартным методам. В международной практике распространение получили стандарты ASTM D5988, NF U52-001, ASTM G21, в российской практике ГОСТ 9.049-91. Стандарт ASTM G21 предполагает использование образцов размером 50×50 мм. Стандарт ГОСТ 9.049-91 предполагает использование образцов в форме пластин размером 30×30 или 50×50 мм или дисков диаметром 30-50 мм.
Натурные испытания характеризуются сложностью интерпретации результатов, связанной с тем, что в естественной среде происходит непрерывное изменение ее химического и микробиологического состава, температуры, влажности, кислотности, условий аэрирования и т.п., поэтому заявленный держатель образцов для проведения испытаний пластиков имеет в составе регистратор температуры и влажности, позволяющий фиксировать изменения параметров окружающей среды.
Наиболее простая принципиальная схема держателя образцов для проведения испытаний пластиков, обеспечивающая достижение поставленного технического результата - универсальность, простота изготовления, простота сборки, возможность установки нескольких образцов - должна представлять собой две пластины, между которыми зажимаются образцы. Для ограничения перемещения установленных образцов в плоскости между данными пластинами устанавливается третья пластина.
Размеры пластин определяются количеством видов пластика, выставляемого на экспозицию. При экспозиции шести видов пластиков, наиболее часто используемых в промышленности (полиэтилен низкого давления, полиэтилен высокого давления, полипропилен, полиэтилентерефталат, поливинилхлорид, полистирол), размеры пластин не превышают 210×300 мм. Прямоугольная форма фиксирующих пластин и размер, соответствующий формату А4, обеспечивают удобство транспортировки и установки. Для установки образцов на внутренней пластине выполняются сквозные отверстия диаметром 50 мм. Это позволяет использовать образцы, подготовленные для проведения испытаний по ГОСТ 9.049-91. Образцы изготавливают прессованием, вырубкой или другим доступным способом, не вызывающим изменения структуры и химического состава.
Толщина внутренней пластины для облегчения конструкции опытным путем принимается равной 3 мм. Для крепления образцов на наружной пластине выполняются сквозные отверстия меньшего диаметра. Расстояние между отверстиями принимается равным не менее 20 мм, аналогично требованиям к размещению образцов для испытаний по ГОСТ 9.048.
Толщина наружных пластин для облегчения конструкции опытным путем принимается равной 1 мм. Для установки регистратора температуры/влажности во внутренней пластине и наружной нижней пластине выполняется сквозное отверстие диаметром, обеспечивающим посадку с натягом. В верхней наружной пластине отверстие не выполняется. Такое расположение регистратора предотвращает прямое попадание влаги на рабочую поверхность регистратора и обеспечивает его безопасную эксплуатацию. Для установки образцов пленок используются фиксаторы, выполненные в виде дисков диаметром 50 мм и толщиной 3 мм. Пленки предлагается изготавливать размером не менее 50×50 мм. Пластины и фиксаторы выполнены из фторопласта - материала, не подверженного разрушению под действием продуктов метаболизма микроорганизмов. Для скрепления фиксирующих элементов применяются болты и гайки, изготовленные из полимерного материала, например, фторопласта или полиамида.
Заявленный держатель образцов работает следующим образом. Образцы пластиков, отобранных для испытаний, устанавливаются на соответствующие позиции пластины наружной верхней, в соответствующее отверстие пластины внутренней устанавливается регистратор температуры/влажности (например, регистратор температуры и относительной влажности TR-2V), три пластины собираются в пакет и фиксируются болтами и гайками. Для испытания пленок на место соответствующих образцов устанавливается фиксатор, пленка располагается между фиксатором и наружной пластиной. Производится программирование регистратора, задаются необходимые параметры регистрации: интервал между измерениями, точность измерения, пороговые значения температуры и влажности, цикличность записи, дата начала регистрации и др. Держатель в сборе устанавливается в почву для проведения испытаний на заранее определенную глубину, преимущественно не более 15 см.
Использование предлагаемой полезной модели позволяет проводить испытания пластиков для определения общей картины воздействия продуктов метаболизма микроорганизмов, находящихся в почве. Испытания возможно проводить путем одновременного размещения образцов на большой территории, содержащей различные типы почвы. Заявленное техническое решение целесообразно использовать для проведения испытаний в условиях тропического климата с характеристиками почвы, близкими к характеристикам испытательной среды, предложенной стандартом ASTMG21 (28-30 С, влажность >85%). Простота изготовления и сборки конструкции облегчает использование заявленного держателя, а фиксированное положение образцов обеспечивает сходимость и воспроизводимость получаемых результатов.
Следует отметить, что предлагаемая полезная модель позволяет реализовать способ испытания в естественных условиях без специального разрешения органов санитарно-эпидемиологического надзора и без вреда для здоровья человека, ввиду отсутствия контакта с патогенными микроорганизмами.