Москва — 2001

СЕМЕНОВ СЕРГЕИ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРУШЕНИЕ И ЗАЩИТА ПОЛИМЕРНЫХ

МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ

МИКРООРГАНИЗМОВ

Специальность: 02.00. 06 - Высокомолекулярные

соединения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва — 2001

Актуальность проблемы. Надежность изделий техники во многом определяется их стойкостью к воздействию внешней среды, естественной составляющей которой являются микроорганизмы (микроскопические грибы, бактерии, дрожжи и др.). Воздействуя на объекты техники микроорганизмы - деструкторы (биофактор, биодеструкторы), вызывают их повреждения (бноповреждение, микробиологическое повреждение): изменение структурных, функциональных характеристик, вплоть до разрушения.

Биодеструкторы способны быстро адаптироваться к различным условиям внешней среды, к материалам (как к источникам питания) и к средствам защиты. Кроме того, первоначальная, заложенная при изготовлении, стойкость материалов к биофактору в процессе эксплуатации может значительно снижаться. В связи с этим, практически все известные материалы подвержены биоповреждению, ущерб от которого оценивается в 2...3% объема промышленной продукции)

Вместе с тем особенности и закономерности воздействия биофактора изучены гораздо в меньшей степени, чем влияние на материалы и изделия 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 биоповреждений техники. Изучаются видовой состав, особенности способность микроорганизмов заселять материалы, а подбор средств защиты в большинстве случаев производится эмпирически. Несмотря на большой объем работ, выполненных в этом направлении, используемые средства часто не обеспечивают достаточной стойкости изделий к воздействию микроорганизмов. В условиях эксплуатации отмечаются. вызванные микробиологическим повреждением материалов отказы и неисправности отдельных агрегатов и систем самолетов, кораблей, автомобилей и других изделий техники.

Низкая эффективность зашиты, связана с недостаточной изученностью материаловедческих аспектов повреждающего воздействия микроорганизмов. Отсутствуют количественные данные о процессах биоповреждения техники в реальных условиях эксплуатации и научно обоснованные представления о механизметаких повреждений. Имеющаяся информация носит описательный характер, часто не имеет достаточного экспериментального подтверждения. К настоящему времени не разработаны достоверные методы диагностики и прогнозирования.

Успешноерешение проблемы может быть достигнуто исследованиями природы и кинетических закономерностей взаимодействия материалов с биодеструкторами. Такие исследования позволят обосновать научно-методические … руководства по микробиологической стойкости изделий техники, будут способствовать разработке биостойких материалов, конструкций, эффективных средств и методов защиты.

Настоящая работа выполнена в ГНИИ РФ (эксплуатации и ремонта авиационной техники) в соответствии с пятилетними комплексными программами НИР "Резерв" по проблеме защиты техники от коррозии, старения и биоповреждений.

Цель и основные задачи исследования. Цель работы - развитие теоретических представлений о механизме повреждения материалов микроорганизмами в условиях эксплуатации и разработка рекомендаций по защите изделий техники.

Поставленная цель достигалась решением следующих задач: экспериментальное обоснование характеристик процесса взаимодействия материалов с биодеструкторами на этапах закрепления (адгезии), роста микроорганизмов на материалах и изменения свойств последних;

установление кинетических закономерностей, аналитических моделей и количественных показателей этапов биоповреждения материала;

изучение влияния свойств материала, особенностей микроорганизма, температуры, влажности н других факторов. на взаимодействие материала с биодеструкгором;

разработка рекомендаций по определению и прогнозированию биостойкости материалов, созданию средств и методов защиты, оценке их эффективности.

Научная новизна выносимых на защиту результатов работы: теоретически и экспериментально обоснованы представления о повреждении материалов микроорганизмами как процессе, состоящем из трех этапов: адгезии микроорганизмов, их роста на материале и изменения свойств последнего. Установлены аналитические кинетические зависимости характеристик этих этапов, отражающие природу и взаимосвязь взаимодействий материала с биодеструктором, влияние на них условий внешней среды. Показано, что параметры кинетических зависимостей могут использоваться в качестве показателей биостойкости материалов, эффективности средств защит;

предложен и экспериментально обоснован научно-методический подход к исследованию биоповреждений, рассматривающий три этапа взаимодействия материала с биодеструктором с позиций формальной кинетики известных физико-химических и биологических процессов: адгезии мелкодисперсных частиц, роста биологических объектов, воздействия на материалы жидких агрессивных сред;

установлено, что увеличение силы адгезии микроскопических грибов к полимерным материалам, лакокрасочным покрытиям и металлам подчиняется общему кинетическому уравнению. Рост биомассы микроскопических грибов и бактерий на материалах также подчиняется своему. Общему для этого типабиоповреждения, кинетическому уравнению. Получены аналитические зависимости, связывающие параметры кинетических уравнений адгезии и роста микроорганизмов на материалах с температурой, влажностью воздуха, концентрацией биоцидов;

экспериментально подтверждено, что влияние биодеструкторов на свойства полимеров, металлов, горюче-смазочных материалов связано с воздействием веществ, выделяемых микроорганизмами в процессе жизнедеятельности. Установлено, что, в зависимости от типа полимерного материала. вида микроорганизма, условий. и продолжительности их контакта, изменения механических и диэлектрических свойств могут обусловливаться физическими процессами - сорбцией продуцируемых биодеструкторами веществ на поверхности и (или) в объеме материала, и (или) десорбцией из него низкомолекулярных компонентов, и (или) химическими процессами - химической деструкцией полимера.

Практическая значимость работы. Полученные результаты позволяют разработать рациональную систему мероприятий по защите конкретных изделий, в том числе создание биостойких материалов и конструкций, эффективных средств защиты, корректировку условий эксплуатации и технического обслуживания изделий.

Основные результаты исследований реализованы в 6-ги Государственных стандартах и 17-ти отдельных изданиях методических рекомендаций. Новизна предложенных средств и технических решений подтверждена 23 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

Разработаны и реализованы методики исследований микробиологического повреждения, комплекс эффективных средств и методов защиты, рекомендации по их применению:

методика определения (выявления) микробиологического повреждения эксплуатирующихся материалов и изделий. Реализована в Государственном стандарте и 4 отдельных изданиях методических рекомендаций. Методика используется организациями Министерства обороны РФ при проведении испытаний, исследований технического состояния, определении причин отказов и неисправностей изделий;

методики определения количественных показателей микробиологической стойкости материалов,

эффективности средств и методов зашиты, Реализованы в ГОСТ 9.049-9l и ГОСТ 9.803-88 и в 2. отдельных изданиях методических рекомендаций. Применяются научно-исследовательскими Институтами промышленности при разработке и определении эффективности средств и методов защиты, оценке биостойкости материалов и агрессивности биодеструкторов;

математические модели прогнозирования микробиологического повреждения материалов, эффективности средств защиты. Используются научно-исследовательские организации при выполнении исследовательских работ по проблеме защиты техники от биоповреждений;

база данных о микробиологических повреждениях изделий техники и коллекция микроорганизмов-деструкторов. Применяются научно- исследовательскими организациями при обосновании требований к изделиям по биостойкости, к средствам защиты. порядку проведения испытаний;

требования к технике по стойкости к воздействию биофактора, требования к средствам защиты. Включены в ГОСТ Р 5109-99, а также в технические требования к перспективным Образцам. Используются организациями Минобороны к промышленности;

комплекс средств защиты: пленкообразующих, моюще-дезинфицирующих составов и биоцидов. Имеют промышленный выпуск. Технологии применения средств реализованы в ГОСТ 9.014-78 и в 8 отдельных изданиях методических рекомендаций. Внедрены организациями, эксплуатирующими технику.

Полученные результаты использованы при обосновании перспективных направлений работ и формировании пятилетних (в период 1985...2005 гг.) Координационных планов и комплексных целевых программ НИР по проблемам защиты техники от коррозии, старения и биоповреждений.

Внедрение результатов работы позволило повысить достоверность оценки влияния микробиологического фактора на техническое состояние изделий техники, эффективность рекомендаций по защите, обеспечить требуемую биостойкость ряда деталей, узлов и агрегатов, определить перспективы развития исследований по проблеме.

Основное содержание диссертации.

Введение. Сформулирована цель работы и обоснована ее актуальность. Показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Приведены сведения об апробации работы.

Глава 1. Состояние проблемы. Рассмотрены данные о повреждениях материалов микроорганизмами, гипотезы о механизме повреждений, методические подходы к изучению и повышению микробиологической стойкости изделий.

… считается, что, происходящие при этом превращения материала приводят к изменению свойств и его ассимиляции биодеструктором в качестве источника питания. Естественно, что возникновение биоповреждения в реальных условиях возможно при закреплении (адгезии) на материале клеток биодеструкторов, переносимых из окружающей среды. Литературные данные свидетельствуют, что адгезионное взаимодействие является не только необходимым начальным условием, но во многом определяет возможность и кинетику роста микроорганизмов, их влияния на свойства материала Это позволило нам предположить, что микробиологическое повреждение необходимо рассматривать как единый процесс, включающий три основные этапа: 1 - адгезию, 2 — рост биодеструктора, 3 — изменение свойств материала.

Многочисленные работы по проблеме защиты техники от биоповреждений посвящены исследованию роста микроорганизмов и. связанному с ним. изменению свойств материалов. Адгезионное взаимодействие изучено в значительно меньшей степени. Количественная характеристика указанных этапов биоповреждения практически отсутствует. Не выявлены их кинетические закономерности, а также природа изменения свойств материалов. Изучение этих вопросов тормозится отсутствием методических подходов, позволяющих количественно описать протекание процессов взаимодействия материалов с биодеструкторами. Вместе с тем, анализ имеющихся в литературе данных. позволяет предположить, что для этих целей могут применяться методические подходы таких научных дисциплин, как атмосферная, почвенная, медицинская микробиологии, адгезия мелкодисперсных частиц, химическая стойкость материалов.

Представление о трех этапах реального процесса микробиологического повреждения и возможные направления исследований количественных аспектов его протекания послужили основными предпосылками постановки данной работы.

Глава 2. Объекты и методы исследования.

06ъектами исследования являлись материалы, микробиологическое повреждение которых, оказывает влияние на работоспособность и техническое состояние изделий техники. Использовались виды микроорганизмов- деструкторов, вызывающих такие повреждения.

Изучение адгезии, роста микроорганизмов, изменения свойств материалов проводилось на основании обоснованных в работе (глава 3), характеристик указанных этапов биоповреждения.…

Глава 3. Характеристики процессов повреждения материалов техники микроорганизмами.

Приведены результаты исследования характеристик трех основных этапов (процессов) повреждения материалов биодеструкторами. Обоснованы методика определения (выявления) микробиологического повреждения эксплуатирующихся материалов и изделий, эффективность ее применения для оценки микробиологической стойкости изделий техники. Выбор характеристик каждого из этапов микробиологического повреждений основывался на имеющихся в литературе данных о свойствах, составе и структуре микроорганизмов, материалов, а также особенностях вызываемых биодеструкторами повреждений материала - изменениях его свойств и образующихся на нем биологических массах (отложениях). Установлено, что выбранные на основании экспериментальных исследований характеристики и методы их определения могут быть отнесены к двум группам: l- индикаторные, позволяющие установить только сам факт наличия процесса а 2-количественные, обеспечивающие, кроме того, и возможность определения величины характеристики. Характеристиками адгезионного взаимодействия служат наличие клеток биодеструктора на материале (индикаторная характеристика процесса), а также: так называемое "число адгезии", позволяющее судить о величине силы адгезии (количественная характеристика). Число адгезии представляет собой отношение количества спор, оставшихся на поверхности материала после воздействия заданной по величине силы отрыва, к числу спор, первоначально находившихся на поверхности. Присутствие на материале клеток микроорганизмов-деструкторов определяется методами световой или люминесцентной микроскопии. Наличие адгезированных жизнеспособных клеток может быть, установлено инкубированием исследуемого образца в условиях контакта с питательной средой (метод высева на питательные среды). Число адгезии определяется методами "отрыва большого числа частиц" (методы наклона поверхности и центробежного отрыва).

… Определен характер повреждения различных материалов микроорганизмами - особенности образующихся на объекта биологических масс (отложений) и изменений свойств материалов. Выявлена группа материалов, биоповреждения которых оказывает существенное влияние на работоспособность изделий техники.

Микробиологическое повреждение топлив, масел н смазок приводит к засорению микробной массой топливных и масляных фильтров, отслоению гepметика и ЛКП, коррозии металлических деталей, применяемых в конструкции агрегатов и узлов топливных, масляных и гидравлических систем изделий (приводит к отказам и неисправностям в работе этих систем), повышению усилия трения и износу в шарнирах, подшипниках, узлах навески, механизмах зубчатых передач и др.

Воздействие микроорганизмов на изоляцию электропроводов вызывает снижение ее электросопротивления и разрушение наружного слоя (лакотканевой оплетки), что обусловливает нарушение работы бортовой электрической сети. Биоповреждения полимерных материалов деталей, входящих в состав ЭРИ (детали схем печатных плат, заливочные компаунды, электроизоляционные лаки, прессматериалы, колодки и вкладыши штепсельных разъемов и др.) приводят к изменению рабочих характеристик и потере работоспособности приборов и оборудования. Контакт с микроорганизмами вызывает снижение прочности силовых элементов парашютных систем (строп, лент силового каркаса, купола), растрескивание органического стекла кабин и блистеров, потерю эластичности и прочности резиновых уплотнительных колец, герметизирующих профилей (приводит к подтеканию рабочих жидкостей, разгерметизации отсеков, агрегатов изделий).

… Рекомендации по использованию средств защиты реализованы в восьми отдельных изданиях методических рекомендаций. Применение средств МИКОН и ИВВС-1-94 стандартизована ГОСТ 9.014-78.

Разработанные средства используются эксплуатирующими технику организациями. Это позволило существенно повысить защищенность ряда материалов, деталей и изделий от отрицательного воздействия микробиологического фактора.

Новизна разработанных средств и методов защиты подтверждена пятнадцатью патентами на изобретения.

В целом, разработанные методики проведения исследований, средства и методы защиты позволили существенно повысить эффективность существующей системы мероприятий по повышению стойкости техники к воздействию биофактора.

Интенсивность развития во многом зависят от продолжительности и условий взаимодействия материала с микроорганизмом. Наиболее значимыми для развития процесса являются температурно-влажностный режим и наличие на материале органический и минеральных загрязнений. Установленные способствующие повреждениям факторы по своему происхождению могут быть отнесены к трем основным группам: конструкционные (несоответствие биостойкости материала требуемой, негерметичность конструкции, наличие застойных зон и др.), производственные (нарушение технологии изготовления, чистоты обработки поверхности, повышенные механические напряжения и др.) и эксплуатации (несвоевременные удаление загрязнений, воды, проведение профилактических работ, длительные перерывы в работе изделия и др.). Вместе с тем, определяющее влияние на процесс биоповреждения оказывает. как правило, сочетание нескольких из перечисленных факторов.

…