Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные представления о биоповреждении материалов и изделий техники. Обзор литературы 11
1.1. Повреждаемые материалы и микроорганизмы-деструкторы 12
1.2. Процессы взаимодействия материалов с микроорганизмами-деструкторами 20
1.3. Повышение микробиологической стойкости материалов и изделий 30
ГЛАВА 2. Общая методика исследований 38
ГЛАВА 3. Характеристики процессов и особенности повреждения материалов военной техники микроорганизмами в условиях эксплуатации 46
3.1. Характеристики процессов взаимодействия микроорганизмов-деструкторов с материалами 46
3.2. Повреждения материалов военной техники, вызываемые микроорганизмами в условиях эксплуатации 60
Заключение 77
ГЛАВА 4. Адгезионное взаимодействие микроорганизмов- деструкторов с материалами 79
4.1. Количественное описание и показатели процесса 79
4.2. Зависимость адгезии от свойств материала, спор микроскопических грибов и температурно-влажностных условий внешней среды 101 Заключение 116
ГЛАВА 5. Рост микроорганизмов-деструкторов на материалах 118
5.1. Количественное описание и показатели процесса 118
5.2. Зависимость микробиологического ростового процесса от свойств материала, микроорганизма и температурно-влажностных условий внешней среды 127 Заключение 147
ГЛАВА 6. Изменение свойств материалов под воздействием микроорганизмов 150
6.1. Изменение свойств материалов, обусловленное физическими процессами 150
6.1.1. Адсорбция метаболитов микроскопических грибов на поверхности полимерных материалов 151
6.1.2. Сорбция метаболитов микроорганизмов в объеме полимера 166
6.1.3. Десорбция пластификатора из ПВХ-пластиката 182
6.1.4. Засорение горюче-смазочных материалов биомассой 192
6.2. Изменение свойств материалов, обусловленное химическими процессами 192
6.2.1. Химическая деструкция полимерных материалов под действием метаболитов микроскопических грибов 193
6.2.2. Электрохимическая коррозия стали Ст.З и алюминиевого сплава Д-16 при контакте с микроорганизмами 199 Заключение 207
ГЛАВА 7. Защита материалов и изделий военной техники от микробиологического повреждения. Реализация результатов исследования 208
7.1. Методики исследования микробиологической стойкости материалов и изделий 208
7.1.1. Выявление микробиологических повреждений военной техники 208
7.1.2. Определение количественных показателей микробиологической стойкости материалов и эффективности средств защиты 212
7.1.3. База данных о микробиологических повреждениях военной техники. Коллекция микроорганизмов-деструкторов 215
7.2. Математическое моделирование и прогнозирование процесса микробиологического повреждения материалов 217
7.2.1. Экстраполяция имеющейся информации о процессе 218
7.2.2. Математическое моделирование процесса 223
7.3. Методы и средства защиты изделий от микробиологических повреждений 229
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 236
ЛИТЕРАТУРА 240
ПРИЛОЖЕНИЯ 263
- Повреждаемые материалы и микроорганизмы-деструкторы
- Характеристики процессов взаимодействия микроорганизмов-деструкторов с материалами
- Количественное описание и показатели процесса
- Количественное описание и показатели процесса
- Изменение свойств материалов, обусловленное физическими процессами
Введение к работе
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 (биоповреждение, 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 биоповреждения техники. Изучаются видовой состав, особенности свойств, 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 общей и военной техники.
Низкая эффективность защиты 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 механизме таких повреждений. Имеющаяся информация носит описательный характер, часто 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 взаимодействия материалов с биодеструкторами. Такие исследования позволят обосновать научно-методические подходы к объективной, достоверной оценке и прогнозированию микробиологической стойкости изделий техники, будут способствовать разработке биостойких материалов, конструкций, эффективных средств и методов защиты.
Цель и основные задачи исследования. Цель работы - развитие теоретических представлений о механизме повреждения материалов микроорганизмами в условиях эксплуатации и разработка рекомендаций по защите изделий военной 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 и других факторов на взаимодействие материала
6 с биодеструктором; 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 защиты; 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 полимерным материалам, лакокрасочным покрытиям и металлами подчиняется общему кинетическому уравнению. Рост биомассы микроскопических грибов и бактерий на материалах также подчиняется своему, общему для этого этапа биоповреждения, 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 обуславливаться 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-ти Государственных стандартах и 17-ти отдельных изданиях (выпусках Военно-Воздушных Сил) 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 зашиты, рекомендации по их применению: методика определения (выявления) микробиологического повреждения эксплуатирующихся материалов и изделий. Реализована в Государственных стандартах и 4-х отдельных изданиях (выпуски ВВС) методических рекомендаций. Методика используется организациями Министерства обороны при проведении испытаний, исследований технического состояния, определении причин отказов и неисправностей изделий; методики определения количественных показателей микробиологической стойкости материалов, эффективности средств и методов защиты. Реализованы в ГОСТ 9.049-91 и ГОСТ 9.803-88, и в 2-х отдельных изданиях методических рекомендаций. Применяются научно-исследовательскими институтами промышленности при разработке и определении эффективности средств и методов зашиты, оценке биостойкости материалов и агрессивности биодеструкторов; математические модели прогнозирования микробиологического повреждения материалов, эффективности средств защиты. Используются научно-исследовательскими организациями Минобороны при выполнении исследовательских работ по проблеме защиты техники от биоповреждений; база данных о микробиологических повреждениях военной техники и коллекция микроорганизмов-деструкторов. Применяются научно-исследовательскими организациями Минобороны РФ при обосновании требований к изделиям по биостойкости, к средствам защиты, порядку проведения испытаний; требования к военной технике по стойкости к воздействию биофактора. Включены в ГОСТ , а также, в общие технические требования к перспективным образцам военной техники. Используются организациями Минобороны и промышленности при обосновании требований к военной технике и разработке образцов; требования к средствам защиты. Используются Управлением начальника вооружения Вооруженных сил РФ при обосновании заказа и технических заданий на разработку, производство опытных партий и испытания средств защиты; комплекс средств защиты: гшенкообразующих, моюще-дезинфицирующих составов и биоцидов. Имеют промышленный выпуск. Технологии применения средств реализованы в ГОСТ 9.014 и в 8-й отдельных изданиях методических рекомендаций. Внедрены организациями, эксплуатирующими военную технику.
Полученные результаты использованы управлением Начальника вооружения ВС РФ при обосновании перспективных направлений работ и формировании пятилетних (в период 1985...2005 гг.) Координационных планов и Комплексных целевых программ НИР по проблемам защиты военной техники от коррозии, старения и биоповреждений.
Внедрение результатов работы позволило повысить достоверность оценки влияния микробиологического фактора на техническое состояние военной техники, эффективность рекомендаций по защите, обеспечить требуемую биостойкость ряда деталей, узлов и агрегатов, определить перспективы развития исследований по проблеме.
Акты о внедрении приведены в приложении к диссертации.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на IV Всесоюзной конференции"Старение и стабилизация полимеров" (г.Уфа, 1983 г.), IV Съезде Всесоюзного микробиологического общества (г.Алма-Ата, 1985г.), конференции "Биофизика микробных популяций" (г.Красноярск, 1987г.), научно-технической конференции "Прогрессивные методы и средства защиты металлов и изделий от коррозии" (г.Москва, 1988г.), Всесоюзном семинаре "Стандартизация средств и методов защиты изделий от коррозии, старения и биоповреждений" (г.Москва, 1989г.), VIII конференции по старению и стабилизации полимеров (Черноголовка, 1989г.), Всесоюзной конференции "Защита древесины и целлюлозосодержащих материалов от биоповреждений" (г.Рига, 1989г.), конференции "Защита материалов и изделий от атмосферной, биологической коррозии и тропикостойкость материалов и изделий АПОРТ' (г.Москва, 1989г.), IV Всесоюзной конференции по биоповреждениям (г.Нижний Новгород, 1991г.), Международном конгрессе "Защита-92" (г.Москва, 1992г.), конференциях "Биоповреждения в промышленности" (г.Пенза, 1993, 1994г.г.), конференции "Биологические проблемы экологического материаловедения" (г.Пенза, 1995г.), Всероссийской конференции "Экологические проблемы биодеградации промышленных, строительных материалов и отходов производства" (г.Пенза, 1998г.), Третьей Всероссийской научно-практической конференции " Экологические проблемы биодеградации промышленных, строительных материалов и отходов производства" ( г. Пенза, 2000г.), Международной научной конференции "Разработка и производство диагностических сухих питательных сред и микро-тест систем" (г.Махачкала, 1998г.), 2-ой Международной конференции "Химия, технология и применение фторсоединений" (г.Санкт Петербург, 1997г.), научно-технической конференции "Проблемы военно-технической политики в области эксплуатации и ремонта ВВТ" (г.Люберцы, 2000г.), 7... 18 научно-технических конференциях ГНИЙ "Теоретические и практические проблемы эксплуатации и восстановления авиационной техники" (г.Люберцы, 1983...1994 гг.), заседаниях Координационного совета МО РФ по проблемам длительного хранения, тропикостойкости, защиты от коррозии, старения и биоповреждения вооружения и военной техники (Люберцы, 1984, 1988, 1994 и 1999 гг.)
Публикации. Диссертация обобщает исследования автора за период 1980 по 2000 гг. Основные результаты работы опубликованы в 96 статьях, 23 авторских свидетельствах и патентах на изобретения, 27 отдельных изданиях методических рекомендаций и в 29 отчетах по научно-исследовательским работам.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов и приложения, изложена на 273 страницах, содержит 34 рисунка, 38 таблиц и список литературных источников, включающий 371 наименование.
Повреждаемые материалы и микроорганизмы-деструкторы
Биоповреждение (биологическое повреждение) - это любое; изменение (нарушение) структурных и функциональных характеристик объекта, вызываемое биологическим фактором [1,2]. 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 [2...4]. Являясь составной частью окружающей ереды, 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 [2,4].
Наличие и интенсивность микробиологического повреждения характеризует 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 [1].
Значимость проблемы биоповреждений подчеркивается многими специалистами. Так, мировой ущерб от биоповреждений в 50-х годах оценивался в 2% от объема промышленной продукции, а в 70-х он превысил 5%. Что составляет десятки млрд. долларов. Около половины общего объема приходится на микробиологические повреждения. От коррозии железных труб в США вызываемой сульфатвосстдаавдивающими бактериями, ущерб оценивается в 2 млрд. долларов в год [3]. Считается, что более 50% всех коррозионных процессов связано с воздействием микроорганизмов
В обзоре литературы приведены данные о микробиологическом повреждении материалов техники, биодеструкторах, вызывающих эти повреждения, а также современные подходы к повышению микробиологической стойкости изделий. Теоретически обоснована целесообразность рассмотрения реального процесса микробиологического повреждения объектов техники как результата протекания ряда взаимодействий материалов с микроорганизмами. Изложены существующие в различных научных дисциплинах представления о таких взаимодействиях и методология их изучения.
1.1. Повреждаемые материалы и микроорганизмы-деструкторы
Наиболее полно исследованы микробиологические повреждения горюче-смазочных материалов (ГСМ) [5...И]. Установлено, что ряд видов микроорганизмов, обладая способностью ферментативного окисления жидких углеводородов, используют их в качестве источника питания. Ассимилируя такие углеводороды и воздействуя на них продуктами жизнедеятельности микроорганизмы-деструкторы приводят к разложению и потере рабочих свойств материала. Нефтяные топлива подвержены микробиологическому повреждению как при хранении и транспортировании, так и при эксплуатации [ 12... 16].
Изучение вопросов, связанных с развитием микроорганизмов в топ-ливах, началось в США в период создания реактивной авиации. Было показано, что накопление в топливных системах продуктов роста и жизнедеятельности микроскопических грибов и бактерий может вызывать засорение фильтров и других агрегатов, нарушение работы датчиков топливо-измерительной аппаратура, повреждение внутренних защитных покрытий и коррозионные поражения материалов топливных систем [17...22].
Характеристики процессов взаимодействия микроорганизмов-деструкторов с материалами
По своему функциональному назначению характеристики адгезии, роста микроорганизмов, изменения свойств материалов и экспериментальные методы их получения должны обеспечивать возможность проведения предусмотренных в работе исследований; количественных закономерностей, методик определения, средств и методов повышения микробиологической стойкости объектов техники. В связи с этим необходимо, чтобы характеристики позволяли выявлять как сам факт наличия, так и количественно оценивать интенсивность процессов микробиологического повреждения. Используемые для их определения методы должны обладать высокой чувствительностью, специфичностью, а также, учитывая практическую направленность наших исследований, реализовываться с помощью достаточно простого оборудования и доступных реактивов.
Выбор конкретных характеристик и методов основывался на имеющихся в литературе данных о экспериментальном изучении свойств, состава и структуры, участвующих в рассматриваемых процессах микробиологических объектов и материалов техники, а также специфики изменения состояния системы микроорганизм-материал, обусловленного протеканием каждого из этих процессов.
Многие из первоначально отобранных нами характеристик и методов разрабатывались для других целей: изучения растений, тканей животных, бактерий, микроскопических грибов, а также старения полимеров, коррозии металлов. Поэтому они нуждались в оценке возможности использования для исследований микробиологического повреждения материалов техники.
С этой целью анализировали отложения (загрязнения), обнаруживаемые на поверхности (или в объеме) материалов, образующиеся при лабораторном моделировании рассматриваемых процессов и обнаруживаемые в реальных условиях эксплуатации ВВТ, а также сами материалы, на которых присутствовали эти отложения.
При моделировании процессов микробиологического повреждения в лабораторных условиях использовали методику и объекты исследований (материалы, виды микроорганизмов), приведенные в главе 2. Образцы материалов помещали в специальную камеру (глава 2), в объеме которой распыляли споры микроскопических грибов и бактерий. Оседая в неподвижном воздухе, они адгезировали на поверхности образцов. На этом этапе испытаний апробировали характеристики и методы определения адгезионного взаимодействия. Другие образцы с адгезированными спорами инкубировали в благоприятных для роста микроорганизмов-деструкторов условиях. После определенного времени инкубирования образцы с образовавшимися на их поверхности (или в объеме) отложениями (массами продуктов роста и жизнедеятельности микроорганизмов) снимали с испытаний и проводили определение различных характеристик микробиологического ростового процесса и изменения свойств материалов, используя для этого выбранные методы анализа.
Исследовали также отложения и соответствующие материалы, отбираемые с изделий непосредственно в условиях эксплуатации. Далее такие объекты будем называть «реальные пробы». Особенностью реальных отложений является их сложный, как правило, неизвестный состав. В них могут присутствовать как микроорганизмы, так и различные атмосферные и технологические примеси, продукты коррозии металлов, старения полимеров, окисления горюче-смазочных материалов и др. [189, 190]. В этом случае, неизвестна и предыстория повреждения материала (образования отложения, изменения свойств), в том числе и видовой состав микроорганизмов-деструкторов, участвующих в этом повреждении.
Количественное описание и показатели процесса
Как отмечалось в главе 1 возникновение адгезионного взаимодействия материала с микроорганизмами возможно при переносе последних из окружающей среды в достаточно тонкую зону перед поверхностью материала, где проявляется действие сил адгезии. Подвод спор биодеструкторов к материалу осуществляли путем их седиментации из неподвижного воздуха на образцы, расположенные под различными углами наклона к направлению движения спор (глава 2). При этом силу отрыва спор от поверхности (по величине которой судят о силе адгезщ) задавали варьируя угол наклона образца.
На рис.4.1 приведены зависимости количества адгезированных полимерными материалами спор грибов (а) от удельного расхода спор (р), при завершении их седиментации из неподвижного воздуха при различных углах наклона (а) образцов. Видно, что для всех исследованных типов материалов и видов микроорганизмов экспериментально полученные соотношения между величинами р и а располагаются вблизи одной общей прямолинейной зависимости a = f(p). При увеличении угла наклона образцов относительно направления движения спор от 20 до 80 величина а возрастает.
На рис.4.16 приведены также значения FOTP., рассчитанные1 для различных углов наклона поверхности и соответствующих радиусов спор исследуемых микроскопических грибов. Анализ этих данных показывает, что количество адгезированных спор остается практически постоянным для различных видов грибов и соответствующих размеров их спор, различающихся по величине сил их отрыва. То есть величина а не зависит от используемой нами в эксперименте величины FOTP. Таким образом, количество адгезированных спор грибов при седиментации из воздушной среды на полимерные поверхности не зависит от вида микроорганизма, типа материала, но определяется удельным расходом спор и углом наклона образца.
Полученные данные позволяют предполагать, что сила адгезии спор с материалом значительно превосходит используемые нами при проведении экспериментов силы отрыва. В этом случае все споры, достигшие в используемых нами условиях их подвода поверхности образца, должны оставаться на ней.
Рассчитывали теоретически возможное количество спор контактирующих с образцом. При седиментации спор на плоскую поверхность, расположенную под углом а к направлению их движения, должны осесть те из них, которые находятся внутри объема гипотетического параллелепипеда, нижней образующей гранью которого является данная поверхность
Количественное описание и показатели процесса
Кинетические кривые роста сухой удельной биомассы (глава 2) микроскопических грибов и бактерий на полимерах и в горюче-смазочных материалах приведены на рис.5.1..
Видно, что каждая пара микроорганизм-материал в любой заданный момент времени роста биомассы характеризуется собственным значением последней (mt). Индивидуальными являются и величина максимальной биомассы, достигаемой в эксперименте, а также расположение кинетических кривых роста на координатной плоскости (ю; t). Эти кривые характеризуются различными по продолжительности интервалами времени от внесения микробных клеток на материал до начала изменения биомассы, а также углами наклона к оси времени, то есть, скоростями роста биомассы: Следовательно, используемая нами характеристика -удельная сухая биомасса и кинетическая кривая ее изменения позволяют учесть как степень роста биомассы (величину биомассы в любой конкретный момент времени), так и скорость ее роста на материалах.
Все экспериментальные кинетические кривые mt=f(t) имеют единую S-образную форму, типичную для процессов развития разнообразных биологических объектов [132, 161...163, 271, 272]. В частности, S-образная форма присуща графикам кинетических зависимостей увеличения биомассы и числа клеток бактерий и микроскопических грибов в ограниченном жизненном пространстве, так называемой, «периодической культуре» [132,133]. Рост микроорганизмов в такой «закрытой системе», где количество питания ограничено, а удаление продуктов обмена веществ затруднено, имеет много общих черт с исследуемым нами процессом.
Можно предположить, что закономерности, характерные для таких систем, будут действительны и для роста микроорганизмов на материалах техники, находящихся, как правило, в подобных условиях.
Как отмечалось в главе 1 в микробиологии различают несколько основных фаз (стадий) цикла развития микроорганизмов в периодической культуре [132,133]. Полученные нами различные по характеру участки кинетических кривых роста биомассы (рис.5.1.) хорошо согласуются с этими фазами. Первый из участков (участок 1, рис.5.1) соответствует, так называемой, адаптивной фазе (или лаг-фазе), включающей период ускоренного неравномерного роста биомассы. Продолжительность этой фазы определяется интервалом времени от инокуляции питательного субстрата (материала) до достижения максимального увеличения скорости роста. В течение некоторого времени (участок 2, рис.5.1) происходит монотонное увеличение биомассы с постоянной максимальной скоростью - экспоненциальная фаза. Затем интенсивность метаболических процессов постепенно снижается, что сопровождается уменьшением, а потом и прекращением роста биомассы - стационарная фаза (участок 3, рис.5.1).
Изменение свойств материалов, обусловленное физическими процессами
Анализ результатов экспериментов по воспроизведению характера реальных микробиологических повреждений деталей и узлов изделий (глава 3), а также анализ современных представлений о возможных механизмах влияния физически агрессивных сред на материалы позволил предположить, что изменение прочностных и диэлектрических свойств полимеров при контакте с микроскопическими грибами может обуславливаться следующими основными физическими процессами:
- адсорбцией продуктов жизнедеятельности микроорганизмов на поверхности материала;
- сорбцией метаболитов в объеме полимера;
- десорбцией из полимерного материала низкомолекулярных компонентов.
К физическим, по своей природе, может быть отнесен и процесс микробиологической деградации такого показателя свойств горюче -смазочных материалов (ГСМ), как содержание в них механических примесей. В данном случае его изменение является результатом образования и накопления (роста) в ГСМ микробиологической массы (засорение ГСМ биомассой).
Рассмотрим доказательства возможности, основные закономерности и показатели влияния каждого из указанных процессов на свойства материалов.
Адсорбция метаболитов микроскопических грибов на поверхности полимерных материалов
Известно [283...295], что адсорбированные молекулы среды могут приводить к снижению межфазной поверхностной энергии на границе полимер-среда и повышению поверхностной токопровдности диэлектриков. Первый из этих эффектов обуславливает облегчение образования новых поверхностей при деформировании материала и соответствующее изменение его механических свойств. Второй - приводит к изменению диэлектрических характеристик.
В экспериментах по воспроизведению характера реальных биоповреждений материалов было обнаружено, что уже в период формирования колонии (роста биомассы) грибов происходит снижение предела вы-нужденной эластичности (о) ПЭ, ПВХ, ПММА, ТАЦ, долговечности (Тд) ПММА, а также электросопротивления изоляции (R) ПВХ-пластиката. При этом оказалась, что обнаруженные изменения свойств обратимы, то есть, при удалении с образцов биомассы и их кондиционирования, контролируемые показатели восстанавливались до исходных значений. Как известно [171... 173], такая обратимость изменений свойств свидетельствует, что обуславливающие эти изменения процессы имеют физическую природу и, следовательно, могут быть связаны с адсорбционным механизмом влияния среды (метаболитов грибов) на полимеры и (либо) с ее сорбцией в объеме материала.
В другой серии экспериментов измерение показателей проводили, используя образцы, предварительно тщательно очищенные от биомассы, но без их кондиционирования. В этом случае снижение контролируемых показателей должно было предположительно определяться преимущественно сорбцией метаболитов в объеме материала. Оказалось, что эффект воздействия биодеструкторов существенно (в 3...6 раз) ниже полученного для образцов, содержащих на поверхности биомассу.
Эти результаты дали основание полагать, что доминантой процессов, приводящих к изменению свойств контактирующих с микроорганизмами полимеров, является адсорбционное изменение их поверхностных энергии и электропроводности.
Отдельно следует остановиться на результатах модельных экспериментов по определению долговечности (Тд) ПММА, контактирующего с биомассой. Установлено, что полученные кривые долговечности, представленные в координатах уравнения Журкова (\%%я -сгд) имели линейный участок при напряжениях ад, превышающих 21 МПа.. Известно [171,172], что линейность указанной зависимости свидетельствует о тер-мофлуктуационном характере разрушения. При этом реализация такого механизма в условиях воздействия агрессивной среды позволяет связать изменение Тд с адсорбционным эффектом действия среды на находящейся под нагрузкой материал.
На рис.6.1 приведены зависимости прочностных и диэлектрических характеристик полимеров, а также количества образующейся на этих полимерах биомассы Aspergillus niger от времени инкубирования зараженных спорами грибов образцов. Измерения характеристик свойств
