С.А. Семенов, К.З. Гумаргалиева, Г.Е. Заиков
«Горение, деструкция и стабилизация полимеров»
Надежность изделий техники во многом определяется их стойкостью к воздействию внешней среды, естественной составляющей которой являются микроорганизмы (микроскопические грибы, бактерии, дрожжи и др.). Микроорганизмы деструкторы (биофактор, биодеструкторы), воздействуя на объекты техники, вызывают повреждения последних (биоповреждение, микробиологическое повреждение): изменение структурных и функциональных характеристик вплоть до разрушения.
Биодеструкторы способны быстро адаптироваться к различным материалам как к источникам питания, условиям внешней среды и к средствам защиты. Кроме того, в процессе эксплуатации при воздействии различных факторов первоначальная, заложенная при изготовлении, стойкость материалов к биофактору может значительно снижаться. В связи с этим практически все известные материалы подвержены биоповреждению. Ущерб от него оценивается в 2-3% объема промышленной продукции.
Вместе с тем особенности и закономерности воздействия биофактора изучены гораздо в меньшей степени, чем влияние на объекты техники небиологических факторов, таких как температура, механические напряжения, световое излучение, агрессивные среды и др. В настоящее время основное внимание исследователей сосредоточено на эколого-биологической составляющей проблемы. Изучаются видовой состав, особенности свойств, способность микроорганизмов заселять материалы, а подбор средств защиты в большинстве случаев производится эмпирически. Несмотря на большой объем выполненных в этом направлении работ, используемые средства часто не обеспечивают достаточной стойкости изделий к воздействию микроорганизмов. В условиях эксплуатации отмечаются обусловленные микробиологическим повреждением материалов, случаи отказов и неисправностей самолетов, кораблей, автомобилей, инженерных машин и средств, стрелкового оружия и других изделий техники.
Низкая эффективность защиты во много связана с недостаточной изученностью материаловедческих аспектов повреждающего воздействия микроорганизмов. Отсутствуют количественные данные о процессах биоповреждения техники в реальных условиях эксплуатации. Имеющаяся информация носит описательный характер, нередко не имеет достаточного экспериментального подтверждения. К настоящему времени не разработаны достоверные методы диагностики и прогнозирования.
Успешное решение проблемы может быть достигнуто исследованиями природы и кинетических закономерностей взаимодействий материалов с биодеструкторами.
Эти исследования позволят обосновать научно-методические подходы к объективной, достоверной оценке и прогнозированию микробиологической стойкости изделий техники, будет способствовать разработке биостойких материалов, конструкций, эффективных средств и методов защиты.
Цель обзора заключается в том, чтобы показать развитие теоретических представлений о механизме повреждающего воздействия микроорганизмов на материалы в условиях эксплуатации и разработать рекомендации по защите изделий техники.
Биоповреждение (биологическое повреждение) — это любое изменение (нарушение) структурных и функциональных характеристик объекта, вызываемое биологическим фактором. Под биологическим фактором подразумевают организмы или их сообщества, воздействие которых на объект техники нарушает его исправное или работоспособное состояние. Наиболее агрессивны по отношению к материалам и изделиям микроорганизмы (микроорганизмы-деструкторы, биодеструкторы): микроскопические грибы, бактерии, дрожжи. Являясь составной частью окружающей среды, биодеструкторы в силу специфики своей жизнедеятельности способны быстро адаптироваться к самым различным материалам и постоянно изменяющимся условиям. Практически все используемые в изделиях техники материала подвержены повреждающему воздействию микроорганизмов — микробиологическому повреждению.
Наличие и интенсивность микробиологического повреждения характеризуют стойкость объекта техники к микробиологическому фактору (микробиологическую стойкость) — свойство объекта (материала, детали, изделия) сохранять значение показателей в пределах, установленных нормативно-технической документацией в течение заданного времени в процессе или после воздействия микробиологического фактора.
Значимость проблемы биоповреждений подчеркивается многими специалистами. Так, мировой ущерб от биоповреждений в 1950-х гг. оценивался в 2% от объема промышленной продукции, а в 1970-х он превысил 5%. Что составляет десятки млрд. долларов. Около половины общего объема приходится на микробиологические повреждения.
Повреждаемые материалы и микроорганизмы-деструкторы
Микробиологические повреждения полимеров, применяемых в конструкциях машин и оборудования, встречаются достаточно часто. Подсчитано, что из числа повреждений, вызываемых микроорганизмами, на детали из пластмасс приходится около 25% [60]. Свыше 60% используемых в технике полимерных материалов не обладают достаточной микробиологической стойкостью. Чаще всего их микробиологические повреждения возникают под воздействием микроскопических грибов, изменяющих цвет, структуру полимера. А в тонких пленках — герметичность и прочность.
Следует отметить существующую противоречивость сообщений о грибостойкости различного вида полимеров. Достаточно стойкими считают авторы ПЭ, ПВХ, фторопласты, пенопласты, поливинилацетат. В то же время сообщается, что под действием грибов происходит повреждение найлона и неопрена, ПЭ и ПВХ, также наблюдалось обрастание ПЭ грибом Neurospora sitophila, хотя некоторые авторы считают этот материал наиболее устойчивым, так как нанесенные на него споры грибов вообще не развивались в течение длительного времени.
К наиболее характерным микроорганизмам-деструкторам полимеров относятся следующие виды грибов: Aspergillus wamori, Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Trichoderma sp., Aspergillus amstelodami, Aspergillus flavus, Chaetomim globosum, Trichoderma lignorum, Cephalosporum aeremonium, Penicillium sp., Rhizopus nigricans, Fusarium roseum.
Микробиологическая стойкость резинотехнических изделий (РТИ) во многом зависит от их компонентного состава. Росту микроорганизмов способствуют компоненты (стеарин, дибутилфталат). Грибостойкость также связана с технологией изготовления РТИ и зависит от процесса вулканизации.
Многие исследователи связывают интенсивность роста микроорганизмов на РТИ с процессами их старения под воздействием внешних факторов (свет, температура, давление, озон, влага и др.). Под их воздействием происходит разрыв макромолекулярных цепей, изменение состава отдельных звеньев, разрушение поверхностного слоя резины. Все это создает благоприятные условия для развития микроорганизмов.
Исследованиями, проведенными на объектах речного и морского флота, эксплуатирующихся (хранящихся) в различных климатических районах, установлено, что основными очагами распространения плесневых грибов на радиоэлектронном оборудовании являются следующие материалы: х/б нити, дерматин, резина, керамика, фибра, пластмассы, войлок, фетр, лакоткань и др. На пластмассовых платах приборов под воздействием микроорганизмов образуются раковины, вспучивания и трещины. Выявлены случаи разрушения изоляционных материалов (лакотканей, ЛКП, трубок ПВХ), пробоя изоляции электропроводов и плат, выхода из строя трансформаторов и др.
Повышение микробиологической стойкости материалов и изделий
Повышение микробиологической стойкости изделий представляет собой комплекс мероприятий, направленных на предотвращение или снижение интенсивности повреждающих процессов взаимодействия микроорганизмов с объектами техники.
Наибольший эффект достигается при увязывании этих мероприятий в единую систему, охватывающую все этапы жизненного цикла изделий (проектирование, производство и эксплуатацию). Необходимые работы проводят на основании общего системного подхода, предложенного для решения проблем защиты конструкций машин от воздействующих факторов среды. Составляющие такого подхода приведены на рис.1.
Рис.1 Схема системного подхода к повышению микробиологической стойкости изделий техники
Они предусматривают проведение анализа конструкционно-технологических и эксплуатационных особенностей изделия, влияющих на его микробиологическую стойкость. При этом рассматривается информация о микробиологической стойкости изделия, применяемых в нем материалов, рабочих сред, деталей, агрегатов, систем, средств защиты и режимов их использования, а также микроорганизмах-деструкторах. Анализируются данные о влиянии на процессы микробиологического повреждения применяемых в конструкции геометрических форм, имеющихся компоновок, застойных зон, герметичных объемов, а также сведения о факторах внешней среды в условиях эксплуатации.
В настоящее время эти данные носят фрагментарный характер и представляют результаты стандартных испытаний устойчивости материалов к воздействию микроорганизмов. Сведения о микробиологических повреждениях материалов и изделий в условиях эксплуатации имеют субъективный характер. Заключение о микробиологическом характере повреждения базируется, в основном, на результатах определения наличия на поврежденном материале клеток микроорганизмов-деструкторов и их агрессивности.
В результате выполнения этого этапа определяются объекты микробиологических повреждений (материалы, детали и др.), видовой состав микроорганизмов-деструкторов, основные факторы внешней среды, способствующие протеканию процессов взаимодействия микроорганизмов с материалами.
Следующим важным этапом работы является выбор значений показателей микробиологической стойкости и их допустимых значений, основывающийся на результатах специальных исследований с учетом функционального назначения изделия (его элементов) и некоторого известного (задаваемого) интервала времени τ (срока службы, межремонтного периода, периодичности проведения технического обслуживания и т. п.).
В качестве показателей микробиологической стойкости обычно используют характеристики процессов роста микроорганизмов на поверхности (или объеме) материалов (биомассу-m) и (или) изменения свойств последних (показатель свойств — П), а также скорости (интенсивности) протекания этих процессов. Как правило, рост микроорганизмов оценивают визуально в баллах, учитывающих морфологические признаки колонии на материале после некоторого времени инкубирования заселенного микробными клетками образца.
Допустимые значения биомассы (тдоп) и изменения свойств (Пдоп) устанавливают, исходя из величин этих показателей, превышение которых приводит к нежелательному изменению состояния объекта. Для изделий, работающих под электрической нагрузкой, допустимым показателем грибостойкости является рост грибов, оцениваемый баллом 3. Для оптических деталей — баллом 2.
Этап моделирования и прогнозирования микробиологических повреждений изделия (или его элементов) проводят, учитывая его конструктивно-технологические особенности и эксплуатационные факторы, оказывающие определяющее влияние на взаимодействие микроорганизмов с материалами.
Исходя из объема и характера имеющейся информации, возможно использование различных подходов к моделированию и прогнозированию результатов указанного взаимодействия (экспертная оценка, физическое или математическое моделирование и др.). В настоящее время в связи с отсутствием достоверных количественных данных о процессах микробиологического повреждения применение математических методов затруднено. Используются, как правило, эвристические подходы: метод ранжирования, парных сравнений, Дельфа. С их помощью были получены сравнительные характеристики биоцидной активности некоторых химических соединений, определены пути подавления развития микроорганизмов.
Оценка микробиологической стойкости изделия проводится путем сравнения величин показателей, полученных на основании моделирования (прогнозирования) с их допустимыми значениями. Не выполнение условий т(τ) < тдоп или П(т) < Пдоп свидетельствует о недостаточной микробиологической стойкости объекта (его элемента) и является основанием для принятия решения о необходимости совершенствования методов и средств защиты.
Разработка мероприятий по повышению микробиологической стойкости проводится на основании анализа информации о существующих средствах и методах защиты и базируется на технической или экономической целесообразности их применения. Сведения о существующих средствах и методах защиты обобщены в ряде монографий.
В общем случае ингибирование процессов микробиологического повреждения может осуществляться с помощью следующих 4-х групп воздействия:
• на среду — изменение состава и характеристик среды, в том числе содержания в ней благоприятных для микроорганизмов примесей и возможных загрязнений, температуры и влажности;
• на микроорганизмы — изменение их видового состава и количественного содержания в среде, введение в среду веществ, ингибирующих процессы жизнедеятельности микробных клеток, удаление или уничтожение микроорганизмов-деструкторов, находящихся на поверхностях (в объеме) материалов, деталей;
• на объект техники — рациональное конструирование, препятствующее возникновению и развитию микробиологических повреждений, очистка объекта от способствующих развитию микроорганизмов загрязнений;
• комплексное — различное сочетание приведенных выше групп.
Существующие средства и методы защиты могут быть классифицированы с учетом их воздействия на процессы взаимодействия микроорганизмов с материалом, приводящие к повреждению последнего. Защита может производиться на каждом из приведенных в разделе 2-х этапов этого процесса.
На этапе распространения и переноса микроорганизмов защиту можно осуществлять: выбором районов эксплуатации, минимизирующих возможность заражения объекта микроорганизмами-деструкторами; стерилизацией воздушных потоков; изоляцией (частичной или полной) объекта от заражения микроорганизмами.
Адгезия может регулироваться: изменением гидрофильно-гидрофобного баланса и водопоглощения; ингибированием клеточных процессов продуцирования метаболитов-адгезивов; изменением шероховатости поверхности и условий внешней среды, минимизирующим силы адгезии.
Интенсивность микробиологического ростового процесса снижается: уменьшением содержания в материале компонентов, используемых микроорганизмами в качестве источника питания, уменьшением влагопоглощения и гидрофильности материала, введением в состав материалов веществ, ингибирующих процессы обмена веществ в клетке (биоцидов), созданием неблагоприятных для роста микроорганизмов условий внешней среды.
Эффект изменения свойств материала под воздействием микроорганизмов регулируется: изменением структуры материала (увеличением степени кристалличности и ориентации полимеров, сшиванием макромолекул с образованием сетчатых структур), изменением химического строения (введением в макромолекулы полимеров заместителей, стерически затрудняющих подход агрессивных метаболитов к химически нестойким связям, изменением состава материала (введением минеральных наполнителей, способных диффундировать к поверхности и создавать на границе раздела защитный слой, модификацией поверхности материала формированием на ней изолирующего слоя (слоев) с другими физико-химическими свойствами, стойкого к метаболитам, изменением характера напряженного состояния поверхностных слоев материала, детали, изделия, например, созданием остаточных напряжений сжатия, препятствующих облегчению растрескивания материала в присутствии метаболитов, изменением условий внешней среды в целях минимизации скоростей протекания сорбционных, химических (электрохимических) процессов.
Указанные общие направления защиты могут быть реализованы путем создания и использования микробиологически стойких материалов и конструкций, специальных средств и методов защиты, а также корректировкой условий эксплуатации и технического обслуживания изделий, препятствующей процессам микробиологического повреждения.
Оценка эффективности разработанных мероприятий осуществляется путем моделирования и прогнозирования их влияния на микробиологическую стойкость объекта. О достаточности какого либо мероприятия свидетельствует выполнение условий т(τ) < тдоп или П(т) < Пдоп.
Следует подчеркнуть, что проведение рассмотренных выше этапов исследований основывается на поступающих данных о микробиологической стойкости материалов, изделий, средств и методов защиты и прогнозе ее изменения в условиях эксплуатации объекта техники. В случае отсутствия указанных данных их получают путем выполнения комплекса испытаний в лабораторных и (или) натурных условиях.
Таким образом, имеющиеся в литературе данные свидетельствуют о том, что состав, биосинтетические свойства микроорганизмов-деструкторов, их способность развиваться на материалах техники и вызывать повреждения изделий изучены достаточно полно. Вместе с тем используемые средства и методы защиты, а также общий подход к их разработке не редко оказываются малоэффективными. Успешное решение проблемы во многом связано с развитием представлений о природе реального процесса микробиологического повреждения материалов и наличием объективной количественной информации о закономерностях его возникновения и протекания.
Однако в настоящее время механизм биоповреждения рассматривается, как правило, с позиции биохимических превращений материала, вызываемых биодеструктором и обеспечивающих возможность его (материала) ассимиляции этим биодеструктором в качестве источника питательных веществ. Количественные данные об этом процессе практически отсутствуют. Не исследованы начальные, предшествующие собственно повреждению, взаимодействия материала с присутствующими во внешней среде микроорганизмами. Невыясненным остается вопрос о причинах изменения свойств материалов под воздействием биодеструкторов, роль в этих изменениях продуцируемых микроорганизмами соединений (метаболитов) и других (не биологических) факторов внешней среды.
Проведенный анализ современного состояния работ по проблеме позволяет сделать вывод о перспективности применения в исследованиях реального процесса микробиологического повреждения материалов формально-кинетических представлений о его механизме. Такие представления предполагают рассмотрение изучаемого процесса как совокупности ряда этапов, протекание каждого из которых подчиняется отражающими его механизм кинетическому закону и аналитической модели.
Имеющиеся в литературе сведения позволяют предполагать, что процесс биоповреждения может быть представлен состоящим из трех основных этапов — взаимодействий материала с микроорганизмом: 1 — закрепления (адгезии), 2 — роста биодеструктора на материале и 3 — изменения свойств последнего. При этом исследования природы и количественных закономерностей каждого из этих этапов целесообразно проводить с помощью хорошо разработанных представлений и методических подходов, используемых при изучении соответствующих взаимодействий такими научными дисциплинами, как атмосферная, почвенная, медицинская микробиология, адгезия мелкодисперсных частиц, химическая стойкость материалов.
Такие исследования позволят обосновать научно-методические подходы к решению всего комплекса практически важных задач повышения микробиологической стойкости изделий техники.
Источник: «Горение, деструкция и стабилизация полимеров», издательство НОТ
