Композиция для антимикробного материала, получаемого с использованием галогенирования Российский патент 2023 года по МПК C08K5/34 A01N33/04 A01N33/14 C08K5/3435 

Заявляемое изобретение относится к химической промышленности и может применяться в производстве различных антимикробных материалов, получаемых с использованием галогенирования.

В последнее время актуальной проблемой становится производство антимикробных материалов с усиленной антимикробной активностью и пролонгированным антимикробным эффектом.

Известна композиция для придания антимикробных свойств волокнисто-сетчатым материалам на основе гидрозоля серебра, стабилизированного защитным высокомолекулярным соединением, воды, причем в качестве высокомолекулярного соединения включает сополимер акриловой кислоты и акриламида «Полинап СМ» с соотношением мономеров, соответственно, 1:1,5-3, а также борную кислоту, нитрат натрия и буру (патент РФ №2405557, 2010 г.).

Недостатком указанной композиции является использование солей серебра, оказывающих неблагоприятное воздействие на кожу, и сравнительно низкая антимикробная активность.

Также известна композиция для антимикробного полимера, которая содержит пространственно затрудненный N-гало-амин с молекулярной массой более 350 г/моль, включающий часть структуры 2,2,6,6-тетраметил-N-хлор-4-пиперидинила (патент США 7541398, 2009 г.). Данная композиция принята за ближайший аналог.

Недостатком указанной композиции является сравнительно низкие показатели фотостабильности, антимикробного эффекта и срока его действия у материалов, в которые эта композиция вносится.

Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в создании композиции для антимикробного материала, получаемого с использованием галогенирования, обладающей усиленным антимикробным эффектом, имеющим пролонгированное действие, а также в расширении ассортимента композиций для антимикробных материалов.

Технический результат, обеспечиваемый заявляемым изобретением, заключается в реализации композицией своего назначения.

Указанный технический результат достигается за счет того, что композиция для антимикробного материала, получаемого с использованием галогенирования, которая содержит пространственно-затрудненный амин, включающий часть структуры 2,2,6,6-тетраметил-N-Н-4-пиперидинила, также содержит пространственно-затрудненный амин, включающий часть структуры 2,2,6,6-тетраметил-N-R-4-пиперидинила, где R - углеводородный алифатический радикал, или циклический радикал, или гетероатомный радикал.

Кроме того, композиция для антимикробного материала, получаемого с использованием галогенирования, может содержать квенчер.

Указанная композиция может быть в твердом или жидком состоянии.

Содержание в композиции пространственно-затрудненного амина, включающего часть структуры 2,2,6,6-тетраметил-N-Н-4-пиперидинила (компонента с N-H связью), может составлять 5%-95% по массе. Содержание в композиции пространственно-затрудненного амина, включающего часть структуры 2,2,6,6-тетраметил-N-R-4-пиперидинила (компонента с N-R связью), может составлять 5%-95% по массе. Выбранные пределы соотношений компонентов обусловлены физико-химическими свойствами веществ. Ниже минимального предела происходит потеря антимикробной активности материала.

Компонент с N-H связью представляет собой химическое соединение, содержащее аминную функциональную группу, и является производным пиперидина с ковалентной связью между атомом азота и водорода. Общая формула компонента с N-H связью приведена на Фиг. 1. Компонент с N-H связью может быть твердым кристаллическим или порошковым веществом, а также жидкостью белого, бледно-желтого и желтого цвета.

Компонент с N-R связью представляет собой химическое соединение, содержащее аминную функциональную группу, и является производным пиперидина с ковалентной связью между атомом азота и радикалом R, где R

- углеводородный алифатический радикал, например, метил-, этил-, изопропил-, третбутил-, аллил- и т.д., или

- циклический радикал, например, циклогексилокси-, циклогексил-, пентил-, октанил-, 1,3,5-триазинил- и т.д., или

-гетероатомный радикал, например, алкокси-, метокси-, ацетил-, формил-, метилендиокси-, 1-окси-4-оксопропанонил- и т.д.

Общая формула компонента с N-R связью приведена на Фиг. 2. Компонент с N-R связью может быть твердым кристаллическим или порошковым веществом, а также жидкостью белого, бледно-желтого и желтого цвета.

Для получения композиции в твердом состоянии компонент с N-H связью и компонент с N-R связью помещают в одну емкость и механически перемешивают вручную или с помощью перемешивающего устройства до однородной консистенции при температуре выше 0°С.

Для получения композиции в жидком состоянии компоненты поочередно растворяют в емкости с помощью органического растворителя, например, орто-ксилола, и перемешивают до полного растворения при температуре выше 0°С. Возможен также вариант, когда каждый из компонентов растворяют в отдельной емкости, где происходит растворение до достижения гомогенной массы, а затем каждый из приготовленных растворов смешивают в одной емкости. Количество растворителя составляет от 5% до 90% по массе.

Полученную композицию в количестве от 0,1 до 99,9% по массе добавляют в полимерную основу физическим или химическим способом. В качестве физического способа используют экструзию, литьевое прессование, горячее прессование или их комбинации для композиций в твердом состоянии и покрытие, опрыскивание, нанесение, формование окунанием или их комбинации для композиций в жидком состоянии. В качестве химического способа используют метод прививки и радикальной сополимеризации. В качестве полимерной основы могут быть использованы полипропилен, полиэтилен, термополиуретан, полиуретан и другие полимеры. Температурный режим при добавлении композиции в полимерную основу находится в пределах 0-500°С, давление - не меньше 0 Па и не выше 100 Мпа.

Полимерная основа с внесенной в нее композицией может являться как конечным изделием, так и промежуточным материалом, т.е. материалом, который используется для внесения композиции в те материалы, в которые напрямую добавить композицию невозможно, например, текстиль, керамику, металлы, древесину и т.д.

Промежуточный материал может иметь как твердое, так и жидкое состояние, и его используют для внесения в другие материалы с помощью смешивания, окунания, опрыскивания, нанесения краской, напыления и т.д.

Для получения антимикробного материала используют галогенирование с помощью разбавленного (от 0,01 до 16% по массе) раствора источника активного галогена в течение от 0,1 сек до 72 часов при температуре выше 0°С. В качестве источника активного галогена могут быть использованы дихлоризоцианурат натрия, дибром-5,5-диметилгидантоина, N-йодосахарин, гипохлорит натрия и другие. Галогенирование может происходить как до смешения композиции с полимерной основой, так и после, а также после изготовления конечного изделия.

В заявляемой композиции компонент с N-H связью обладает большей реакционной способностью, чем компонент с N-R связью, поскольку атом водорода в N-H связи более подвижен, реакционноспособен и может вступать в реакции замещения. При этом компонент с N-R связью обладает меньшей реакционной способностью и более эффективно поглощает ультрафиолетовое излучение (УФ-излучение) за счет большего значения константы скорости тушения УФ-излучения.

На Фиг. 3 показано взаимодействие компонентов композиции при галогенировании.

При галогенировании связь N-H у компонента с N-H связью (А1 на Фиг. 3) превращается в N-Hal, где Hal - галоген, например, хлор. При этом компонент с N-R связью (А2 на Фиг. 3), обладая большей константой скорости тушения УФ-излучения (hv на Фиг. 3), значительно замедляет реакцию необратимого окисления и преобразования связи N-Hal в связь N-O*, тем самым в композиции остается больше связей N-Hal. Таким образом, увеличивается содержание активного галогена, вследствие чего многократно возрастает антимикробная активность как композиции, так и материалов, полученных с ее добавлением. Кроме того, усиленная антимикробная активность имеет пролонгированное действие, поскольку количество N-Hal связей сохраняется с течением времени за счет снижения воздействия УФ-излучения. Такой результат обеспечивается синергетическим эффектом от действия компонентов, входящих в заявляемую композицию.

Композиция для антимикробного материала, получаемого с использованием галогенирования, также может содержать квенчер. Квенчер представляет собой фотостабилизатор, способный забирать энергию из полимера в процессе ультрафиолетового облучения полимера и эффективно расходовать ее, предотвращая деструкцию полимера. Тем самым квенчер также способствует усилению антимикробного эффекта и его пролонгированному действию в материалах, полученных с добавлением композиции. Энергия, поглощенная квенчером, может рассеиваться либо в виде тепла, либо в виде излучения. Квенчеры являются органическими производными металлов с переменной валентностью, например, никеля, железа, цинка. При этом металл может присутствовать в органическом соединении или в виде обычного иона, или в виде комплексообразующего иона в комплексных органических соединениях. Общая формула квенчера - Meⁿ⁺[L]_n, где Me - металл с переменной валентностью, L - лиганды.

После того, как изделие израсходует свой запас антимикробной активности, она может быть полностью восстановлена путем обработки раствором, содержащим в своем составе активный галоген, например, хлор. Антимикробная активность может восстанавливаться многократно.

Изобретение может быть проиллюстрировано, но не исчерпано следующими примерами его конкретного осуществления.

Пример 1.

Для композиции берут компонент с N-H связью (А1) - 2,2,6,6-тетраметил-4-пиперидинилстеарат, и компонент с N-R связью (А2) - 2,4-бис[н-бутил-н-(1-циклогексилокси-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-4-ил)амино]-6(2-гидроксиэтилметилпиперидин)-1,3,5-триазина, где R - циклический радикал, а именно, циклогексилокси-.

Композиция состоит из компонентов А1 и А2 и растворителя орто-ксилола (D), где A1:A2:D = 6%:3%:91%. Изначально компоненты А1 и А2 смешивают между собой с помощью дозирующего устройства и засыпают в емкость, где механически измельчают с помощью верхнеприводной мешалки. Далее к полученной порошкообразной смеси в емкость добавляют орто-ксилол и смесь перемешивают до полного растворения при температуре 30°С. После этого жидкую композицию добавляют в полиолсодержащий сшиватель при постоянном перемешивании со скоростью 2 об/сек в течение 20 минут при 40°С. Полученный полиол с внесенной в него композицией смешивают с изоцианатом, предварительно нагретым до 40°С, и затем полученную смесь заливают в пресс-форму, где формируют промежуточный слой обуви, который далее скрепляют с ходовым слоем, образуя подошву. Полученную подошву помещают в чан с 7% раствором дихлоризоцианурата натрия и хлорируют в течение 1 часа, а затем тщательно промывают водой. В результате подошва обладала антимикробным эффектом в течение 3 месяцев, а после перезарядки водным раствором гипохлорита натрия изделие снова обладало антимикробным эффектом. После 7 раз перезарядки водным раствором гипохлорита натрия изделие полностью сохранило свой антимикробный эффект (количество хлора, которое может в себя взять изделие, за два года уменьшилось всего на 5%).

Пример 2.

Для композиции берут компонент с N-H связью (А1) - поли [[6-[(1,1,3,3-тетраметилбутил) амино]-1,3,5-триазин-2,4-диил][(2,2,6,6-тетраметил-4-пиперидинил) имино]], и компонент с N-R связью (А2) - сополимер бутандиовой кислоты, диметилового эфира с полимером 4-гидрокси-2,2,6,6-тетраметил-1-пиперидином этанола, где R - гетероатомные радикалы, а именно, 1-окси-4-оксопропанонил и алкоксил.

Композиция состоит из компонентов A1, А2 и квенчера (С), где А1:А2:С = 45%:45%:10%. В качестве квенчера берут никелевую соль 4-деканоил-5-метил-2-фенил-1Н-пиразол-3-она.

Компоненты A1, А2 и С смешивают в емкости при комнатной температуре и измельчают с помощью верхнеприводной мешалки. Затем полученную смесь в количестве 1,1% (относительно суммы массы полипропилена и массы полученной смеси) по массе добавляют в пустой полипропилен с показателем текучести расплава 25 г/10 мин при температуре 180-220°С в экструдере, на выходе из которого производят спанбонд. Из произведенного спанбонда изготавливают медицинские маски и помещают их на ленточный конвейер. Проходящие по конвейеру маски хлорируют путем распыления водного 0,6% раствора гипохлорита натрия в течение 3 сек с расходом 100 г/мин. Затем маски вакуумируют в темных пакетах. В результате данные маски сохраняли в 6 раз больше хлора (см. Фиг. 4), то есть были в 6 раз эффективнее, чем маски, с использованием только компонента А1 по массе относительно конечного изделия при прочих равных условиях.

Пример 3.

Для композиции берут компонент с N-H связью (А1) - 2,2,6,6-тетраметил-4-пиперидинилстеарат, и компонент с N-R связью (А2) - сополимер 1,6-гександиамина, N, N'-бис (2,2,6,6-тетраметил-4-пиперидинила), морфолин-1,3,5-триазина, где R - алифатический радикал, а именно, метил.

Композиция состоит из компонентов А1 и А2, где А1:А2 = 75%:25%. Компоненты смешивают между собой в одной емкости и измельчают с помощью верхнеприводной мешалки. Далее полученную смесь в количестве 2% по массе добавляют к гранулам полиэтилена (с насыпным весом до 550 г/л и показателем текучести расплава 2 г/10 мин) и перемешивают в барабане в течение 10-15 минут при комнатной температуре. Затем полученную смесь загружают в экструдер и осуществляют экструзию при температуре 110-130°С. На выходе из экструдера расплав раздувают и получают полиэтиленовую пленку. После этого полученную пленку хлорируют 1% раствором дихлоризоцианурата натрия путем опрыскивания через форсунку компрессора в течение 3 сек с расходом 90 г/мин и затем сушат на открытом воздухе в течение суток. Полученная пленка обладала антимикробным эффектом в течение 28 дней.

Пример 4.

Для композиции берут компонент с N-H связью (А1) - поли [(6-морфолино-втор-триазин-2,4-диил) [2,2,6,6-тетраметил-4-пиперидил) имино] гексаметилен [(2,2,6,6-тетраметил-4-пиперидил)имино]], и компонент с N-R связью (А2) - бис (1,2,2,6,6-пентаметил-4-пиперидинил)-[[3,5-бис (1,1-диметилэтил)-4-гидроксифенил]метил]бутилмалонат, где R - алифатический радикал, а именно, метил.

Композиция состоит из компонентов А1 и А2, где А1:А2 = 50%:50%. Компоненты смешивают между собой вручную в одной емкости при комнатной температуре. Далее полученную смесь также вручную смешивают с гранулами термополиуретана (ТПУ) с общей массовой долей компонентов в ТПУ около 2% по массе. После этого полученную смесь сушат в сушильном аппарате для удаления влаги при температуре 80°С в течение 5 мин, а затем высушенную смесь экструдируют при температуре приблизительно 200°С, получая на выходе накладку для обуви. Полученную накладку скрепляют с промежуточным полиуретановым слоем, образуя подошву. Затем подошву хлорируют 6% раствором гипохлорита натрия в течение 1 часа в емкости с раствором, а затем тщательно промывают водой. Полученная подошва обладала антимикробным эффектом в течение 28 дней.

Пример 5.

Для композиции берут компонент с N-H связью (А1) - поли [[6-[(1,1,3,3-тетраметилбутил) амино]-1,3,5-триазин-2,4-диил] [(2,2,6,6-тетраметил-4-пиперидинил) имино]], и компонент с N-R связью (А2) - сополимер бутандиовой кислоты, диметилового эфира с полимером 4-гидрокси-2,2,6,6-тетраметил-1-пиперидином этанола, где R -гетероатомные радикалы, а именно, 1-окси-4-оксопропанонил и алкоксил.

Композиция состоит из компонентов А1 и А2, где А1:А2 = 25%:75%. Компоненты смешивают между собой в пластиковой емкости и измельчают механическим способом с помощью верхнеприводной мешалки. Затем полученную смесь смешивают с гранулами этилен вин и лацетата (ЭВА) с массовой долей композиции около 0,5% по массе и загружают в экструдер с температурой 180-210°С. Полученные гранулы с равномерно распределенной композицией помещают в термопресс для формования и дублирования стелек. Сформированным стелькам дают остынуть до комнатной температуры, после чего помещают в чан с 1% раствором N-йодосахарина. Извлеченные из раствора стельки сушат путем прохождения их по ленточному конвейеру с непрерывным обдувом теплого сухого воздуха. Полученные стельки обладали антимикробным эффектом в течение 14 дней.

Пример 6.

Для композиции берут компонент с N-H связью (А1) - 2,2,6,6-тетраметил-4-пиперидинилстеарат, и компонент с N-R связью (А2) - сополимер 1,6-гександиамина, N, N'-бис (2,2,6,6-тетраметил-4-пиперидинила), морфолин-1,3,5-триазина, где R - алифатический радикал, а именно, метил.

Композиция состоит из компонентов А1 и А2, где А1:А2 = 95%:5%. Компоненты смешивают между собой в одной емкости и измельчают с помощью верхнеприводной мешалки до однородной консистенции. Затем полученную смесь добавляют к смеси полиэтилена, модифицированного крахмала и поликапролактона с массовой долей композиции 1% по массе и загружают в экструдер с температурой 120-150°С для получения пленки. Полученную методом экструзии пленку погружают на 10 минут в 1% раствор 1,3-дибром-5,5-диметилгидантоина. Полученная пленка обладала антимикробным эффектом в течение 7 дней.

В примерах 1-6 количество активного галогена (хлора, брома, йода) проверяли с помощью метода йодометрического титрования. Суть метода: при добавлении к каждому из образцов в примерах 50 мл воды, 0,2 г йодида калия, 10 мл крахмала образовывался сине-фиолетовый цвет раствора, который титровался до обесцвечивания раствора. На титрование образцов до обесцвечивания раствора ушел определенный объем (мл) тиосульфата натрия с концентрацией 0,005 н. Массовую долю активного галогена вычисляли по формуле (1):

где ω(Hal⁺) - массовая доля активного галогена, М(Hal⁺) - молярная масса галогена, C(Na₂S₂O₃) - концентрация тиосульфата натрия, 0,005 н, m - масса образца, 10 г, Vтитр. - объем израсходованного тиосульфата натрия, мл.

Результат определения активного галогена (хлора) в образце из Примера 2 представлен на Фиг. 4.

Для проверки антимикробной активности использовали следующие штаммы микроорганизмов: Staphylococcus aureus 906, Pseudomonas aeruginosa АТСС 27853, Escherichia coli 1257, Candida albicans 15, S. Typhimurium 5715, Aspergillus brasiliensis ATCC 16404, Trichophyton mentagrophytes ATCC 9533, Mycobacterium terrae DSM 43227, споры бацилл (B.cereus. B.subtilis, B.anthracis).

Рабочие культуры выращивали на питательных средах, соответствующих их культуральным свойствам (стафилококк-агар, гидролизат рыбной муки, Сабуро производства Федерального бюджетного учреждения науки Государственного научного центра прикладной микробиологии и биотехнологии), в течение 24/48 часов при температуре 37°С.

Для получения бактериальной взвеси культуру бактерий смывали с поверхности питательных сред и разводили в физрастворе до концентрации по стандарту мутности, соответствующей двум миллиардам микробных тел в 1 мл.

Перед началом исследований тест-объекты погружали в 0,6-2% раствор гипохлорита натрия (в зависимости от образца) на 40 минут, затем вынимали из раствора, промывали, просушивали и использовали в дальнейших испытаниях. Для оценки обеззараживающей активности на поверхность тест-объекта, изготовленного из испытуемого материала, наносили 0,1 мл суспензии с концентрацией (2,2±1,0) × (10³, 10⁵, 10⁷), 10⁹ КОЕ/мл. Далее объект инкубировали в боксе микробиологической безопасности в течение 4-5 часов при температуре (20±2)°С.

После завершения инкубации с поверхности брали смыв стерильной марлевой салфеткой, смоченной стерильным физраствором. Салфетки помещали в пробирки с бусами, содержащие 10 мл физраствора, и в течение 5 мин встряхивали. Затем проводили посевы смывной жидкости на плотные питательные среды в соответствии с тест-культурой с последующей инкубацией в термостате при 37°С в течение 24-48 часов. Подсчет бактерий производили с помощью серийных разведений, посеянных в чашки Петри.

В качестве контроля использовали тест-объекты из пластика, не обладающего антимикробным действием, аналогичного размера.

Результаты испытаний приведены в таблице на Фиг. 5.

Таким образом, заявляемая композиция для антимикробного материала, получаемого с использованием галогенирования, обладает усиленным антимикробным эффектом, имеющим пролонгированное действие.

Изобретение относится к химической промышленности, конкретно к композиции для антимикробного материала, получаемого с использованием галогенирования. Композиция содержит пространственно-затрудненный амин, включающий часть структуры 2,2,6,6-тетраметил-N-Н-4-пиперидинила, характеризуется тем, что также содержит пространственно-затрудненный амин, включающий часть структуры 2,2,6,6-тетраметил-N-R-4-пиперидинила, где R представляет углеводородный алифатический радикал, формил или ацетил. Техническим результатом изобретения является предоставление композиции с антимикробной активностью. 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 6 пр.

1. Композиция для антимикробного материала, получаемого с использованием галогенирования, которая содержит пространственно-затрудненный амин, включающий часть структуры 2,2,6,6-тетраметил-N-Н-4-пиперидинила, отличающаяся тем, что также содержит пространственно-затрудненный амин, включающий часть структуры 2,2,6,6-тетраметил-N-R-4-пиперидинила, где R - углеводородный алифатический радикал или формил или ацетил.

2. Композиция для антимикробного материала, получаемого с использованием галогенирования, по п. 1, отличающаяся тем, что содержит квенчер в виде органического производного металлов с переменной валентностью, таких как никель, железо, цинк.