PL225007B1 - Kompozyt polipropylenu o właściwościach bakteriobójczych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest kompozyt polietylenu o właściwościach bakteriobójczych. Osnowę polimerową kompozytu stanowi polietylen, a czynnik bakteriobójczy stanowi krzemian miedzi.

Jednym z celów modyfikacji fizycznej polimerów jest otrzymanie produktu o ściśle określonych i pożądanych właściwościach. Modyfikacja wpływa na polepszenie właściwości mechanicznych, cieplnych, przetwórczych itp. Wiele ośrodków badawczych zajmuje się poszukiwaniem materiałów polimerowych o właściwościach bakteriobójczych, które są przedmiotem zainteresowania w wielu gałęziach przemysłu np. spożywczym i opakowaniowym, farmaceutycznym oraz samochodowym (środki transportu publicznego).

W literaturze światowej brak jest doniesień na temat kompozytów poliolefin, w których czynnikiem bakteriobójczym jest krzemian miedzi (CuO-SiO₂).

Najczęściej stosowanym napełniaczem polimerowym o właściwościach bakteriobójczych jest obecnie nanosrebro, jednak cena tego typu napełniacza oraz wytworzonego przy jego użyciu komp ozytu jest bardzo wysoka. W literaturze światowej opisywany jest dodatek srebra w postaci nanosrebra do produkcji nanokompozytów polimerowych. W publikacji z 2011 roku, w czasopiśmie European Polymer Journal P. A. Zapata i inni, w artykule pod tytułem „Nanocomposites based on polyethylene and nanosilver particles produced by metallocenic „in situ polymerization: synthesis, characterization, and antimicrobial behavior dowiedli, że nanosrebro dodawane do kompozytów polimerowych, zabija do 99,9% bakterii (E. Coli) w ciągu 24 h, zauważyli natomiast że wraz z upływającym czasem wzrasta ilość wypłukiwanych jonów srebra z próbek. Wiadomym jest że jony srebra zatruwają ludzki organizm odkładających się w tkankach miękkich.

W literaturze jako napełniacz o właściwościach bakterio- oraz grzybobójczych często opisywany jest tlenek miedzi. Tak na przykład w 2005 roku w czasopiśmie Chemistry of Materials, N. Cioffi i inni w artykule pod tytułem „Copper nanoparticle/polymer composites with antifungal and bacteriostatic properties” opisał zalety kompozytu miedzi z polimerem, który charakteryzował się bardzo dobrymi właściwościami antybakteryjnymi w stosunku do bakterii E. Coli oraz Staphylococcus aureus. Minusem stosowania czystego tlenku miedzi, opisanego w/w publikacji, jest wysoki koszt otrzymywania czystego napełniacza.

Właściwości antybakteryjne kompozytu polimerowego z zastosowaniem krzemianu miedzi jako napełniacza opisane zostały po raz pierwszy w 2012 w czasopiśmie Bioelectrochemistry przez M. Nowacką i innych. Autorzy w artykule pod tytułem „Electrokinetic and bioactive properties of CuO-SiO₂ oxide composites” opisali właściwości kompozytów wytworzonych z żywic poliestrowych i krzemianu miedzi. Do badań bakteriobójczych użyli szczepu Pseudomonas aeruginosa. Wytworzone kompozyty odznaczały się właściwościami bakteriobójczymi w każdym zakresie zastosowanej ilości napełniacza.

Istotą wynalazku jest kompozyt polipropylenu o właściwościach bakteriobójczych, charakteryzujący się tym, że kompozyt stanowi osnowa i wypełnienie, przy czym osnowa jest korzystnie z polipr opylenu, a wypełnienie stanowi czynnik bakteriobójczy krzemian miedzi (CuO-SiO₂), którego zawartość stanowi od 0,1 do 40% wagowych, korzystnie od 2 do 8% wagowych.

Korzystnym jest, gdy osnowę polipropylenową stanowią homopolimery lub kopolimery propylenu i/lub ich mieszaniny.

Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano następujące efekty techniczno-użytkowe:

- wytworzone kompozyty można przetwarzać standardowymi technikami stosowanymi obecnie w przetwórstwie tworzyw sztucznych (wytłaczanie, wtryskiwanie itp.);

- kompozyty charakteryzują się właściwościami bakteriobójczymi w stosunku do bakterii gram ujemnych np. Pseudomonas aeruginosa;

- wytworzone kompozyty wykazują poprawę właściwości mechanicznych w stosunku do wejściowego materiału polimerowego (polipropylen), między innymi: moduł Younga, wytrzymałość, twardość Shore'a;

- możliwość wielokrotnego przetwarzania - recykling materiałowy;

- utylizacja na drodze recyklingu energetycznego;

- bezodpadowa produkcja - wszystkie powstające w trakcie wytwarzania końcowego produktu braki można bowiem zawracać do procesu technologicznego;

PL 225 007 B1

- bezpośrednio do układu zasypowego wytłaczarki i poddać ponownemu przetwórstwu,

- szerokie możliwości zastosowań:

przemysł opakowaniowy, przemysł spożywczy, przemysł samochodowy, przemysł medyczny.

Wynalazek w przykładowym wykonaniu został zilustrowany na rysunkach, gdzie fig. 1 prze dstawia zależność modułu Younga, kompozytów o właściwościach bakteriobójczych powstałych na osnowie iPP, od % wag. zawartości napełniacza (CuO-SiO₂), fig. 2 przedstawia zależność wytrzymałości, kompozytów o właściwościach bakteriobójczych powstałych na osnowie iPP, od % wag. zawartości napełniacza (CuO-SiO₂), fig. 3 przedstawia zależność twardości Shore'a, kompozytów o właściwościach bakteriobójczych powstałych na osnowie iPP, od % wag. zawartości napełniacza (CuO-SiO₂), a tabela 1 przedstawia właściwości bakteriobójcze próbek referencyjnych i kompozytów próby przeprowadzone dla bakterii Pseudomonas Aeruginosa.

Kompozyt polipropylenowy o właściwościach bakteriobójczych wytworzony może zostać w procesie technologicznym zapewniającym wysoki stopień homogenizacji krzemianu miedzi w osnowie polimeru. Proces homogenizacji, w stanie uplastycznionym polimeru, przeprowadzony może zostać przy użyciu wytłaczarki jedno- lub dwuślimakowej, mieszalnika okresowego itp. Proces homogenizacji należy prowadzić w temperaturach charakterystycznych dla przetwórstwa polipropylenu (od 210 do 280°C).

Sposób przygotowania napełniacza (krzemianu miedzi) opisany został w 2012 w czasopiśmie Bioelectrochemistry przez M. Nowacką i innych. Autorzy w artykule pod tytułem „Electrokinetic and bioactive properties of CuO-SiO₂ oxide composites” oraz wcześniejszym polskim zgłoszeniu patentowym Teofila Jesionowskiego i innych nr P.390326 „Sposób otrzymywania kompozytów tlenkowych CuO-SiO₂ z odpadowych roztworów pogalwanicznych siarczanu(VI) miedzi(II) i krzemian sodu”.

Wynalazek obejmuje kompozyt polimerowy o właściwościach bakteriobójczych, charakteryzujący się tym, że osnową kompozytu jest polipropylen, a napełnienie stanowi krzemian miedzi (czynnik bakteriobójczy), którego zawartość stanowi od 0,1 do 40% wagowych, korzystnie od 2 do 8% wagowych. Jako osnowa polimerowa zastosowane mogą zostać homopolimery i kopolimery propylen u oraz ich mieszaniny.

Wynalazek ilustrują poniższe przykłady.

P r z y k ł a d I

Izotaktyczny polipropylen (iPP) poddano procesowi homogenizacji z 40% wagowymi krzemianu miedzi w mieszalniku okresowym, w temperaturze 210 °C, przy prędkości obrotowej rotorów mieszalnika wynoszącej 20 obr/min. Proces mieszania prowadzono do ustalenia się stałego momentu obrotowego mieszalnika - około 15 minut. Krzemian miedzi przed homogenizacją poddano proc esowi suszenia w suszarce z obiegiem wymuszonym, w temperaturze 110°C. Wytworzony kompozyt rozdrobniono przy użyciu młynka wolnoobrotowego. Następnie koncentrat o zawartości 40% wag. krzemianu rozcieńczono do stężenia 2% wag. CuO-SiO₂ w procesie wytłaczania dwuślimakowego z granulacją na zimno - temperatura głowicy wynosiła 230°C. Kompozyt, w postaci granulatu, o zawartości 2% wag. CuO-SiO₂ poddano przetwórstwu w procesie wtryskiwania. Wytworzono wiosełka pomiarowe zgodne z obowiązującą normą (typ 1A), które posłużyły do oceny podstawowych parametrów wytrzymałościowych. Stwierdzono, że moduł sprężystości wzdłużnej kompozytu wynosi 1296 ± 21 MPa, co stanowi około 4,1% wzrostu jego wartości, w stosunku do wyjściowego polipr opylenu - 1243 ± 21 MPa. Dodatek 2% napełniacza nie spowodował wyraźnego wzrostu wytrzym ałości kompozytu oraz jego twardości, w stosunku do iPP. Uzyskane wielkości utrzymywały się w granicach błędu pomiarowego. Wytrzymałość kompozytu wynosiła 30,63 ± 0,40 MPa, dla iPP wy trzymałość wynosiła 30,19 ± 0,28 MPa; natomiast twardość Shore'a kompozytu wynosiła odpowiednio 58,20 ± 1,03°, a polipropylenu 58,00 ± 0,47°. Graficzne zestawienie wyznaczonych podstawowych parametrów wytrzymałościowych kompozytu oraz polipropylenu (osnowa kompozytu) przedstawiono na poniższych rysunkach: 1) Moduł sprężystości wzdłużnej (E); 2) Wytrzymałość (a_m); 3) Twardość Shore'a (Sh°). Otrzymane układy podano badaniom bakteriostatycznym z wykorzystaniem oportun istycznej bakterii gram ujemnej Pseudomonas aeruginosa, metodą opisaną w 2001 roku w czasopiśmie Methods in Enzymology przez L. Thi i innych w artykule pod tytułem „First stages of biofilm characterization and quantification of bacterial functions involved in colonization process”, wyniki zebrano w tabeli nr 1. Zaobserwowano znaczącą redukcję adhezji bakterii Pseudomonas aeruginosa do po4

PL 225 007 B1 wierzchni polipropylenu modyfikowanego krzemianem miedzi. Dodatek ten redukował powstawanie biofilmu na powierzchni kompozytu z licznych kolonii do pojedynczych komórek. Świadczy to o silnym działaniu bakteriostatycznym opisywanego kompozytu.

P r z y k ł ad II

Izotaktyczny polipropylen (iPP) poddano procesowi homogenizacji z 40% wagowymi krzemianu miedzi w warunkach jw. Wytworzony kompozyt rozdrobniono przy użyciu młynka wolnoobrotowego. Następnie koncentrat o zawartości 40% wag. krzemianu rozcieńczono do stężenia 4% wag. CuO-SiO₂ w procesie wytłaczania dwuślimakowego z granulacją na zimno - temperatura głowicy wynosiła 230°C. Kompozyt, w postaci granulatu, o zawartości 4% wag. CuO-SiO₂ poddano przetwórstwu w procesie wtryskiwania. Wytworzono wiosełka pomiarowe zgodne z obowiązującą normą (typ 1A), które posłużyły do oceny podstawowych parametrów wytrzymałościowych. Stwierdzono, że moduł sprężystości wzdłużnej kompozytu wynosi 1320 ± 23 MPa, co stanowi około 5,83% wzrostu jego wartości, w stosunku do wyjściowego polipropylenu - 1243 ± 21 MPa. Dodatek 4% napełniacza nie spowodował wyraźnego wzrostu wytrzymałości kompozytu oraz jego twardości, w stosunku do iPP. Uzyskane wielkości utrzymywały się w granicach błędu pomiarowego. Wytrzymałość kompozytu wynosiła 30,83 ± 0,32 MPa, dla iPP wytrzymałość wynosiła 30,19 ± 0,28 MPa; natomiast twardość Shore'a kompozytu wynosiła odpowiednio 58,90 ± 0,74°, a polipropylenu 58,00 ± 0,47°. Graficzne zestawienie wyznaczonych podstawowych parametrów wytrzymałościowych kompozytu oraz polipropylenu (osnowa kompozytu) przedstawiono na poniższych rysunkach: 1) Moduł sprężystości wzdłużnej (E); 2) Wytrzymałość (c_m); 3) Twardość Shore'a (Sh°). Tak jak w przypadku próbek z przykładu I, próbki z przykładu II odznaczają się podobnymi właściwościami bakteriostatycznymi, wyniki przedstawione zostały w tabeli 1.

P r z y k ł a d III

Izotaktyczny polipropylen (iPP) poddano procesowi homogenizacji z 40% wagowymi krzemianu miedzi w warunkach jakie opisano w przykładzie I. Wytworzony kompozyt rozdrobniono przy użyciu młynka wolnoobrotowego. Następnie koncentrat o zawartości 40% wag. krzemianu rozcieńczono do stężenia 8% wag. CuO-SiO₂ w procesie wytłaczania dwuślimakowego z granulacją na zimno - temperatura głowicy wynosiła 230°C. Kompozyt, w postaci granulatu, o zawartości 8% wag. CuO-SiO₂ poddano przetwórstwu w procesie wtryskiwania. Wytworzono wiosełka pomiarowe zgodne z obowiązującą normą (typ 1A), które posłużyły do oceny podstawowych parametrów wytrzymałościowych. Stwierdzono, że moduł sprężystości wzdłużnej kompozytu wynosi 1426 ± 31 MPa, co stanowi około 12,83% wzrostu jego wartości, w stosunku do wyjściowego polipropylenu - 1243 ± 21 MPa. Dodatek 8% napełniacza nie spowodował wyraźnego wzrostu wytrzymałości kompozytu - wartości w granicach błędu pomiarowego. Spowodował natomiast wzrost twardości kompozytu, w stosunku do iPP. Twardość Shore'a kompozytu wzrosła około 2 Sh°, w stosunku do twardości wejściowego polipropylenu. Graficzne zestawienie wyznaczonych podstawowych parametrów wytrzymałościowych kompozytu oraz polipropylenu (osnowa kompozytu) przedstawiono na poniższych rysunkach: 1) Moduł sprężystości wzdłużnej (E); 2) Wytrzymałość (c_m); 3) Twardość Shore'a (Sh°). Tak jak w przypadku próbek z przykładów I i II próbki z przykładu III odznaczają się podobnymi właściwościami bakteriostatycznymi, wyniki przedstawione zostały w tabeli 1.

Zastrzeżenia patentowe

1. Kompozyt polipropylenu o właściwościach bakteriobójczych, znamienny tym, że kompozyt

Claims (2)

1. Kompozyt polipropylenu o właściwościach bakteriobójczych, znamienny tym, że kompozyt stanowi osnowa i wypełnienie, przy czym osnowa jest korzystnie z polipropylenu, a wypełnienie st anowi czynnik bakteriobójczy krzemian miedzi (CuO-SiO₂), którego zawartość stanowi od 0,1 do 40% wagowych, korzystnie od 2 do 8% wagowych.

2. Kompozyt według zastrz. 1, znamienny tym, że osnowę polipropylenową stanowią homopolimery lub kopolimery propylenu i/lub ich mieszaniny.