Выбор биоцидных добавок для модификации пенополиуретанов

Введение

В настоящее время трудно найти группу материалов, на которую микроорганизмы не оказывают разрушающего действия. Биоповреждению подвержены материалы как природного, так и искусственного происхождения [1, 2].

Среди микроорганизмов большой вред наносят микроскопические грибы [3]. Благодаря хорошо развитому ферментативному аппарату и особенностям строения, микромицеты способны использовать в качестве источника питания различные материалы, в том числе и полимерные. Они быстро реагируют на изменения внешней среды, хорошо выживают, приспосабливаются и интенсивно размножаются в новых, экстремальных условиях [4, 5].

Изучение стойкости полимерных материалов к биоповреждению, в частности к микромицетам-биодеструкторам, и разработка методов по созданию биологически устойчивых материалов представляют важную научно-техническую проблему, которая может быть разрешена только совместными усилиями материаловедов, химиков и биологов.

Изделия и конструкции из пенополиуретана (ППУ) используют во всех без исключения отраслях промышленности. Благодаря своеобразной ячеистой структуре, ППУ обладает самым низким коэффициентом теплопроводности и самым малым водопоглощением в сравнении с другими теплоизоляционными материалами [6].

Пенополиуретаны имеют широкое применение в различных отраслях современной промышленности – в частности, в авиастроении его зачастую используют в качестве тепло-шумоизоляционных материалов и в качестве набивки пассажирских кресел.

Помимо химической деструкции, микроорганизмы и их метаболиты могут вызывать изменения физико-химических и электрофизических свойств ППУ в результате набухания, растрескивания и т. п. [7].

Для борьбы с микробиологическими повреждениями полимеров используются антимикробные органические и неорганические добавки [8]. Среди бактерицидных и фунгицидных препаратов особый интерес в связи с широким спектром действия представляют полимерные производные гуанидинов [9]. Главными представителями полигуанидинов являются неорганические соли полигексаметиленгуанидина. Среди полимерных солей наибольшее практическое значение имеют хлорид (выпускаемый под торговыми марками Полисепт или Метацид, Биопаг) и фосфат (торговые марки Анавидин, Фогуцид и Фосфопаг). Одним из наиболее перспективных биоцидных препаратов из класса полиалкиленгуанидинов в настоящее время является модификация Т-437 препарата Анавидин, который разработан в Иркутском институте химии СО РАН [10–13]. Препарат Анавидин в низких концентрациях губительно действует на микрофлору, быстро дезактивирует вирусы и споры сибирской язвы [14], может применяться в хирургической и терапевтической практике [15], а также для пропитки древесины с целью предупреждения грибковых повреждений и гниения [16], в качестве биоцидной добавки – в лакокрасочных материалах и т. д. Особенностью новых препаратов на основе солей полигексаметиленгуанидинов является то, что их антибактериальная активность мало изменяется под влиянием внешней среды. На федеральном уровне препарат Анавидин разрешен для применения в качестве кожного антисептика, дезинфектанта широкого спектра действия, для очистки и обеззараживания питьевых и сточных вод. Как бактерицидный препарат Анавидин значительно эффективнее четвертичных аммониевых оснований, анионных и катионных поверхностно-активных веществ (ПАВ), производных фенола и хлорсодержащих дезинфицирующих средств, обладает высокой стабильностью и малой токсичностью для людей. Большие возможности полигуанидинов связаны с относительно высокой реакционной способностью гуанидиновых группировок. В то время как низкомолекулярные соединения теряют свои биоцидные свойства при любом химическом превращении, биоцидные свойства полигуанидинов при многих химических реакциях сохраняются [17], поскольку гуанидиновые группировки объединены в общую полимерную цепь, и в химической реакции всегда участвует лишь часть из них; при этом неизмененные группировки сохраняют в новом соединении биоцидные свойства. Водные растворы солей полигексаметиленгуанидина также могут служить стабилизирующими матрицами наночастиц серебра [18].

Наночастицы серебра также являются широко распространенным биоцидом среди неорганических материалов [19–21]. Доказано, что серебро подавляет биологическую активность большинства видов болезнетворных бактерий, вирусов и грибов. Вопросы механизма действия обсуждаются, в частности, в современных обзорах [22]. Применение наночастиц серебра как биоцида для полиуретановых пен (ПУ-пен) также описано в ряде публикаций. Так, в работе [23] наномодифицированные ПУ-пены получены осаждением наночастиц серебра из раствора с последующим фотолизом. В работе [24] коммерческие наночастицы серебра (фирма Gold Nanotech, Тайвань) вводили в водные полиуретановые дисперсии и исследовали свойства полученных нанокомпозитов в зависимости от размера частиц. Продемонстрировано также, что системы, состоящие из наночастиц серебра, нанесенные на специальные ПУ-пены, могут использоваться в том числе для обеззараживания питьевой воды [25, 26].

В качестве препарата сравнения использовали тебуконазол, который является хорошо известным фунгицидом, широко используемым как в сельском хозяйстве, так и для защиты древесины от поражения микроскопическими грибами (относится к производным 1,2,3-триазолов) [27, 28].

Актуальным в настоящее время является создание модифицированных ППУ, устойчивых к воздействию микробиологических факторов.

Материалы и методы

На первом этапе работы проведена проверка на стойкость к воздействию плесневых грибов «референсных» (немодифицированных) ППУ, которые разделили на две группы: в первую включили новые (исходные) образцы, во вторую – образцы после климатического старения (имитация в течение 1 года), так как при использовании ППУ в самолетах нельзя исключать влияние климата на материалы [29, 30]. Климатическое старение проводили в соответствии с ГОСТ Р 51369–99, метод 207-3 (циклический режим 12+12 ч).

Образцы подвергали воздействию непрерывно следующих друг за другом циклов (продолжительность одного цикла составляла 24 ч). Каждый цикл состоял из следующих этапов:

– температуру в камере повышали с 25 до 55°С в течение 3 ч при относительной влажности в камере – не менее 95%;

– в камере поддерживали температуру 55°С при относительной влажности в течение этого периода 93±3% (допускается влажность 95±3%); окончание этапа – через 12±0,5 ч от начала цикла;

– температуру в камере понижали в течение 3 ч до 25±3°С при относительной влажности в течение этого периода – не менее 95%;

– поддерживали относительную влажность в камере – не менее 95% и температуру 25±3°С до конца цикла.

Испытания на стойкость к воздействию плесневых грибов «референсных» ППУ проводили по ГОСТ 9.049–91 (метод 2) и методике ASTM G21-15.

Сущность первой методики заключалась в выдерживании образцов, зараженных суспензией спор плесневых грибов в растворе минеральных солей, в условиях, оптимальных для их развития, с последующей оценкой грибостойкости. В качестве тест-культур применялись следующие виды грибов: Aspergillusniger, Aspergillusterreus, Aspergillusflavus, Chaetomiumglobosum, Paecilomycesvariotii, Penicilliumfuniculosum, Penicilliumchrysogenum, Penicilliumcyclopium, Trichodermaviride.

Поверхность образцов ППУ заражали суспензией спор грибов путем равномерного распределения ее с помощью пульверизатора, не допуская слияния капель. Контрольные образцы не обрабатывали суспензией спор грибов. Зараженные и контрольные образцы размещали в климатических камерах и выдерживали при температуре 29±2°C и относительной влажности – более 90%. Продолжительность испытаний с момента установления режима составляла 90 сут.

По окончании испытаний образцы извлекали из камеры и проводили внешний осмотр невооруженным глазом и под микроскопом. Интенсивность развития плесневых грибов на образцах оценивали в соответствии с шестибалльной шкалой по ГОСТ 9.048–89.

При испытании «референсных» (немодифицированных) ППУ по методике ASTM G21-15 в качестве подложки из питательной среды использовали «голодный» агар и агаризованную среду Чапека–Докса. Заражали среды монокультурами микромицетов: Cladosporiumherbarum, Aspergillusnigerисмесью видов грибов, рекомендованных в ГОСТ 9.049–91, указанных ранее. Образцы в стерильных условиях помещали в чашки Петри на поверхность питательной среды и заражали суспензией спор грибов, размещали в климатических камерах и выдерживали при температуре 28±2 C и относительной влажности – не менее 85%. Продолжительность испытаний с момента установления режима составляла 28 сут.

На втором этапе проверяли эффективность фунгицидной способности и проводили выбор концентраций биоцидов. Для этого были взяты: полигексаметиленгуанидин гидрохлорид (Полисепт), полигексаметиленгуанидин фосфат (Анавидин), полигексаметиленгуанидин фосфат-МЭА (модифицированный Анавидин Т-437), тебуконазол и коллоидный раствор дисперсного серебра (далее – Ag). Препарат Полисепт получен конденсацией гексаметилендиамина с гидрохлоридом гуанидина, Анавидин – конденсацией гексаметилендиамина с карбонатом гуанидина и последующим образованием соли фосфорной кислоты. Соединения высушивали до твердого состояния. Массовая доля основного вещества составляла не менее 95%.

Дополнительно, в качестве контрольного раствора испытывали систему без Ag, состоящую из этилового спирта и этиленгликоля в соотношении 1:1, в качестве комплексона в системе присутствовали диэтиламин и ПАВ.

Согласно ГОСТ 9.803–88, подготовлены также жидкая среда Чапека–Докса и споровая суспензия грибов с концентрацией 2,0 млн спор на см³. Как и в предыдущем эксперименте для заражения использовали виды грибов по ГОСТ 9.049–91, монокультуры Cladosporiumherbarum и Aspergillusniger.

Испытания проводили при трехкратном повторении, при положительном контроле. В качестве положительного контроля использовали среду Чапека–Докса без биоцидов. Приготовлена серия разведений растворов биоцидов: 10², 10³, 10⁴, 10⁵, 10⁶, что соответствует концентрации биоцидов 1; 0,1; 0,01; 0,001 и 0,0001% (по массе), для тебуконазола подготовлены только разведения 10⁴, 10⁵ и 10⁶ из-за его низкой растворимости в воде: 0,032% (по массе) [31].

Инокулированные споровой суспензией растворы биоцидов, включая контрольные, инкубировали при температуре 29°С в течение 30 сут.

Результаты и обсуждение

Системы оценки обрастания материалов при испытаниях по методике, предложенной в ГОСТ 9.049–89, и по ASTM G21-15 основываются исключительно на визуальной оценке, что легко позволяет их сравнивать. Поэтому оценку роста микромицетов в данном эксперименте, независимо от применяемой методики, проводили согласно шкале ГОСТ 9.048–89. Интенсивность роста микромицетов представлена в табл. 1.

Таблица 1

Наблюдаемый рост микромицетов на образцах

* Система оценки по ГОСТ 9.048–89.

Наиболее агрессивными микромицетами по отношению к ППУ обеих групп образцов (исходных и после климатического старения) оказались микромицеты Cladosporiumherbarumикультуры грибов по ГОСТ 9.049–91, испытанных по методике ASTM G21-15 (рис. 1, а).Наблюдается интенсивный рост грибов как на поверхности материала, так и прорастание гиф в толщу образца.

В результате проведенного исследования степени обрастаемости образцов ППУ по методике ГОСТ 9.049–91 (метод 2) при осмотре невооруженным глазом обеих групп образцов (исходных и после климатического старения) отчетливо виден рост плесневых грибов, покрывающих ˃25% испытуемой поверхности, – балл обрастания 5 (рис. 1, б). На поверхности контрольных образцов рост плесневых грибов не обнаружен – балл обрастания 0.

Рис. 1. Испытания пенополиуретанов по методике ASTM (с культурами по ГОСТ 9.049–91) (а) и по ГОСТ 9.049–91 (б)

По окончании инкубационного периода все растворы биоцидов подвергнуты оценке фунгистатического и фунгицидного эффекта на микромицеты. Результаты представлены в табл. 2.

Таблица 2

Определение минимальной ингибирующей концентрации

зараженных растворов биоцидов

Примечание: К – среда Чапека со спорами грибов без фунгицидов; «–» – отсутствует развитие; «±» – развитие сильно подавлено; «+» –наличие развития.

Представленные на испытания биоциды показали следующие результаты (рис. 2):

– Анавидин (полигексаметиленгуанидин фосфат) – оказывает фунгицидный эффект при концентрациях 0,01% (по массе) и более;

– Анавидин Т-437 (полигексаметиленгуанидин фосфат-МЭА) – оказывает фунгицидный эффект при концентрациях 0,01% (по массе) и более;

– Полисепт (полигесаметиленгуанидин хлорид) – оказывает фунгицидный эффект при концентрации 1% (по массе);

– тебуконазол – оказывает фунгистатический эффект при концентрации 0,001% (по массе); фунгицидный эффект – только на монокультуры Cladosporiumherbarum и Aspergillusniger при концентрациях 0,001% (по массе);

– коллоидный раствор Ag – оказывает фунгицидный эффект только на монокультуры: при концентрации 0,1% (по массе) – в отношенииCladosporiumherbarum, а при концентрации 1% (по массе) – в отношенииAspergillusniger; в отношении видов грибов по ГОСТ 9.049–91 оказывает фунгистатический эффект при концентрации 1% (по массе);

– система без Ag не обладает фунгистатическим и фунгицидным эффектами по отношению к использованным в испытаниях плесневым грибам.

Рис. 2. Растворы биоцидов с культурами микромицетов:

а – Aspergillusniger; б – виды грибов по ГОСТ 9.049–91; в – Cladosporiumherbarum

Заключения

Результаты проведенных испытаний показывают, что ППУ подвержены негативному воздействию микроорганизмов. При наличии небольших внешних загрязнений неорганической природы для микромицетов-биодеструкторов возникают оптимальные условия для развития их жизнедеятельности. В результате роста микромицетов-биодеструкторов изделия из ППУ будут подвергаться активным биоразрушениям.

Климатическое воздействие (имитация в течение 1 год) значительного влияния на степень обрастания плесневыми грибами не оказало. Но данная тематика, несомненно, представляет большой интерес и требует дополнительных исследований.

Наибольшее воздействие из примененных культур плесневых грибов оказывают микромицеты Cladosporiumherbarumикультуры грибов по ГОСТ 9.049–91. Для эффективной борьбы с биоповреждениями ППУ выбраны биоциды Анавидин (полигексаметиленгуанидин фосфат) и Анавидин Т-437 (полигексаметиленгуанидин фосфат-МЭА), которые в небольшой концентрации (0,01% (по массе)) оказывают стойкий фунгицидный эффект. Биоцид тебуконазол при концентрации 0,001% (по массе) оказывает стойкий фунгистатический эффект в отношении микромицетов, но трудность его полноценной проверки заключается в его низкой растворимости в воде.

Следует отметить коллоидный раствор Ag. Проверка чистого раствора показала средний фунгицидный эффект (0,1%) по сравнению с другими испытанными биоцидами, но использование его совместно с другими биоцидами представляет большой научный интерес. Работа будет продолжена – на следующем этапе планируется микрокапсулирование биоцида в ППУ.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований Договор №18-29-05060 на выполнение гранта «Исследование возможности создания полиуретановых пен и эластомеров с повышенной устойчивостью к воздействию микробиологических факторов посредством использования комбинированных добавок, включающих дисперсии наночастиц серебра и инкапсуляцией активного вещества».