INCD URBAN-INCERC: Solutii inovatoare sustenabile favorabile implementarii tehnologiilor emergente cu impact transversal asupra industriilor locale prin dezvoltarea de materiale compozite avansate, eco-inteligente, in contextul dezvoltarii durabile a mediului construit (IV)

(continuare din nr. 220 – decembrie 2024)

Eficienta efectului antibacterial (EEA), indusa de fotoactivarea nano-TiO₂ a fost calculata ca crestere procentuala a diametrului haloului de inhibitie, in raport cu proba martor (0% TiO₂).

EEA = [(φ_%TiO2 – φ_martor) / φ_martor)] _*100 (%)

unde:

φ_%TiO2 = diametrul haloului de inhibitie masurat pentru proba cu % TiO₂ (mm);

φ_martor = diametrul haloului de inhibitie masurat pentru proba martor cu 0% TiO₂ (mm).

Tabel 1: Cuantificarea incarcaturii biologice conform STAS 12718/1989

Fig. 8: Cuantificarea incarcaturii biologice conform specificatiilor MicroKount

Rezultatele obtinute experimental privind comportarea compozitelor cementoase cu adaos de TiO₂ in mediu contaminat cu bacterii Escherichia Coli sunt prezentate in Tabelele 2 si 3 si in fig.9.

Tabel 2: Cuantificarea incarcaturii microbiologice a sistemului, conform STAS 12718/1989

Tabel 3: Cuantificarea incarcaturii microbiologice a sistemului, conform specificatiilor MicroKount

Fig. 9: Examinare vizuala privind comportarea matricilor compozite cementoase expuse in mediu contaminat cu bacterii Escherichia Coli, dupa expunere in mediu contaminat ‒ identificarea halourilor de inhibitie

Rezultatele obtinute experimental privind comportarea compozitelor cementoase cu adaos de TiO₂ in mediu contaminat cu bacterii Staphylococus Aureus sunt prezentate in Tabelele 4 si 5 si in fig. 10.

Tabel 4: Cuantificarea incarcaturii microbiologice a sistemului, conform STAS 12718/1989

Tabel 5: Cuantificarea incarcaturii microbiologice a sistemului, conform specificatiilor MicroKount

Fig. 10: Examinare vizuala privind comportarea matricilor compozite cementoase expuse in mediu contaminat cu bacterii Staphylococus Aureus, dupa expunere in mediu contaminat ‒ identificarea halourilor de inhibitie

Dezvoltarea biofilmelor de microorganisme pe suprafata constructiilor, pe langa impactul negativ si riscul indus asupra sanatatii populatiei, determina degradarea acestora si nevoia continuata de efectuare a operatiunilor de igienizare. Inducerea performantei de superhidrofilitate si autocuratare a suprafetelor cementoase cu ajutorul adaosului de nanoparticule de TiO₂ in matricea compozita, ca urmare a reactiilor care au loc prin fotoactivare, poate deveni o metoda eficienta de crestere a durabilitatii constructiilor, dar si a gradului de igiena, datorita capacitatii de inhibare a dezvoltatii microorganismelor. Rezultatele experimentale au aratat ca, in caz de contaminare cu doua tipuri de mucegai (Aspergillus niger, Penicillium notatum), respectiv doua tipuri de bacterii (Escherichia Coli, si Staphylococus Aureus), dezvoltarea biofilmului daunator este inhibata. Aceasta performanta a fost urmarita utilizand ca indicator cuantificabil dezvoltarea dimensionala a haloului de inhibitie specific. Se poate spune ca acesta este influentat de tipul de contaminant si de cotinutul de nanoparticule din matricea compozita cementoasa, dar se manifesta in cazul tuturor compozitelor cementoase cu continut de nanoparticule de TiO₂ fotoactivate in conditii de laborator.

Utilizarea nanoparticulelor de TiO₂ in mortarele cementoase poate aduce diverse beneficii, inclusiv imbunatatirea proprietatilor fizico-mecanice si de durabilitate. Este important de subliniat faptul ca cercetarile si studiile in acest domeniu pot varia, iar rezultatele pot depinde de mai multi factori, cum ar fi procentul de nanoparticule utilizate, tipul de ciment, procedura de preparare a amestecului, conditiile de incercare si alti factori specifici.

Comportarea materialelor compozite cu nanoparticule de TiO₂ in prezenta microorganismelor, denumita si solicitare biologica, este un domeniu de cercetare important in contextul dezvoltarii de materiale avansate pentru diverse aplicatii. Acest subiect implica evaluarea impactului interactiunilor dintre materialele compozite si microorganismele din mediu. Pe baza studierii literaturii de specialitate si in baza rezultatelor preliminare obtinute privind producerea de materiale compozite cu adaos de TiO₂, s-au constatat cateva aspecte-cheie legate de acest subiect:

• Proprietati antimicrobiene: nanoparticulele de TiO₂ au fost recunoscute pentru proprietatile lor antimicrobiene. Acestea pot inhiba cresterea bacteriilor, fungilor si altor microorganisme. Adaugarea de TiO₂ la materialele compozite poate contribui la cresterea rezistentei acestora la atacurile microbiene.
• Rezistenta la biodeteriorare: materialele expuse in medii umede pot fi supuse biodeteriorarii cauzate de microorganisme precum bacterii, alge sau fungi. Adaugarea de nanoparticule de TiO₂ poate proteja materialul impotriva acestei biodeteriorari, pastrandu-i astfel proprietatile fizice si mecanice pe termen lung.
• Autocuratare: nanoparticulele de TiO₂ pot contribui la functionalitatea de autocuratare a materialelor, datorita proprietatilor lor fotocatalitice. Sub actiunea luminii ultraviolete, aceste particule pot descompune substantele organice si pot ajuta la mentinerea suprafetelor curate si libere de microorganisme.
• Stabilitatea in timp: studiile privind comportamentul materialelor compozite cu nanoparticule de TiO₂ in prezenta microorganismelor ar trebui sa includa evaluarea stabilitatii pe termen lung a acestora. Este important sa se evalueze rezistenta la degradare biologica si sa se identifice modalitati de optimizare a durabilitatii materialelor.
• Impactul asupra mediului: in timpul evaluarii solicitarii biologice, este esential sa se evalueze impactul materialelor asupra mediului inconjurator si asupra sanatatii umane. Aceasta include analiza eliberarii de nanoparticule si a posibilelor efecte adverse.

Studiile de acest gen reprezinta un domeniu interdisciplinar, implicand cercetatori din domeniul stiintelor materialelor, biologiei, ingineriei si al altor discipline conexe. Evaluarea interactiunilor complexe dintre materialele compozite si mediul biologic contribuie la dezvoltarea materialelor avansate si durabile pentru diferite aplicatii.

Rezistenta la mucegaiuri a materialelor compozite cu adaos de TiO₂ utilizate in constructii este cruciala:

• Inhibarea cresterii mucegaiurilor: nanoparticulele de TiO₂ pot inhiba cresterea mucegaiurilor si a altor fungi prin mecanismul lor de fotocataliza. In prezenta luminii ultraviolete, TiO₂ genereaza radicali liberi de oxigen care distrug membranele celulare ale mucegaiurilor si impiedica procesele metabolice.
• Prevenirea formarii sporilor: TiO₂ poate contribui la prevenirea formarii sporilor de mucegai, limitand astfel raspandirea si persistenta acestora. Acest aspect este deosebit de important in aplicatii unde exista riscul contaminarii cu sporii de mucegai, cum ar fi in ambalajele alimentare sau in cladirile cu conditii de umiditate ridicate.
• Durabilitatea efectului biocid: este important sa se evalueze durabilitatea efectului biocid in timp. Studiile arata ca materialele compozite cu TiO₂ isi pot pastra proprietatile biocide pe o perioada semnificativa, dar durabilitatea poate varia in functie de compozitia materialului si de conditiile de mediu.

Rezistenta la actiunea bacteriilor a materialelor compozite cu nanoparticule de TiO₂ este una dintre caracteristicile-cheie care fac aceste materiale atractive pentru diverse aplicatii. Proprietatile antibacteriene ale TiO₂ se datoreaza, in principal, capacitatii sale de a produce radicali liberi de oxigen in prezenta luminii ultraviolete. Studiile au aratat ca materialele compozite cu TiO₂ pot influenta rezistenta la actiunea bacteriilor astfel:

• Inhibarea cresterii bacteriilor: nanoparticulele de TiO₂ au fost demonstrate a avea capacitatea de a inhiba cresterea bacteriilor prin generarea de radicali liberi si alte specii reactive de oxigen. Acest efect poate impiedica multiplicarea si supravietuirea bacteriilor.
• Mecanismul de fotocataliza: in prezenta luminii ultraviolete, nanoparticulele de TiO₂ devin active si incep procesul de fotocataliza. Acesta implica generarea de electroni si gauri electronice care contribuie la producerea de radicali liberi. Radicalii liberi pot distruge membranele celulare ale bacteriilor si pot avea un impact negativ asupra structurii lor interne.
• Reducerea formarii biofilmelor: TiO₂ poate ajuta la reducerea formarii biofilmelor bacteriene pe suprafete. Biofilmele reprezinta grupari de bacterii care se ataseaza de suprafete si sunt adesea rezistente la actiunile agentilor antibacterieni conventionali. Proprietatile de fotocataliza ale TiO₂ pot impiedica formarea si cresterea acestor biofilme.
• Prevenirea rezistentei la antibiotice: datorita modului sau de actiune diferit fata de antibioticele traditionale, TiO₂ poate ajuta la prevenirea dezvoltarii rezistentei bacteriene la anumite substante chimice antimicrobiene.

In concluzie, materialele compozite cementoase cu nanoparticule de TiO₂ prezinta proprietati biocide semnificative in diverse studii si aplicatii. Efectul biocid al TiO₂ in compozitele cementoase poate fi rezultatul capacitatii sale de fotocataliza, generand radicali liberi in prezenta luminii ultraviolete si inhiband astfel dezvoltarea microorganismelor. Nanoparticulele de TiO₂ in compozitele cementoase au demonstrat capacitatea de a inhiba cresterea bacteriilor, a mucegaiurilor si a altor microorganisme. Acest efect poate contribui semnificativ la mentinerea integritatii si durabilitatii structurilor cimentare in medii expuse la umiditate si contaminare microbiologica.

De asemenea, materialele compozite cu TiO₂ isi pot pastra proprietatile antimicrobiene pe termen lung, asigurand o protectie durabila impotriva contaminarii microbiene. Durabilitatea acestor proprietati este cruciala pentru aplicatii in constructii, unde materialele trebuie sa reziste factorilor de mediu pe o perioada extinsa. TiO₂ poate contribui la autocuratarea suprafetelor compozitelor cementoase si la reducerea formarii biofilmelor bacteriene. Aceste caracteristici sunt esentiale pentru mentinerea curateniei si igienei pe suprafetele expuse. Pentru a obtine insa cel mai bun efect biocid, este crucial sa se optimizeze compozitia materialului, inclusiv continutul de TiO₂ si alte componente ale compozitului. Ajustarile la nivelul procesului de fabricatie si al altor factori influentatori pot fi necesare pentru a obtine rezultatele dorite.

Autor:

dr. ing. Adrian-Victor LAZARESCU – CS II, INCD URBAN-INCERC, Sucursala Cluj-Napoca

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 222 – martie 2025, pag. 56-58