I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ВЛИЯНИЕ ПРИРОДНЫХ ДОБАВОК НА СТРУКТУРУ И РАЗЛАГАЕМОСТЬ ПОЛИМЕРОВ

• Авторы
• Файлы работы
• Наградные документы

Агишев Д.Т. 1Агишев А.Т. 1

---

1КСШ №30, 9"А", г. Актобе, Казахстан.

Работа в формате PDF

2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьника

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Высокие темпы роста производства и потребления пластмасс, характерные для развитых в промышленном отношении стран [1,3,10], обусловили возникновение относительно новой проблемы: все возрастающее количество отходов, загрязняющих окружающую среду [2]. Проблема защиты окружающей среды приобретает глобальный характер. Серьезную озабоченность вызывает быстрый и практически неуправляемый рост потребления синтетических пластмасс во многих отраслях экономики [5,7], приводящий к резкому увеличению отходов. Как следствие, большое значение приобретают вопросы как повышения качества, надежности и долговечности получаемых из них изделий [4,6], так и вопрос их утилизации после истечения срока эксплуатации.

Одним из направлений решения этой проблемы является создание биоразлагаемых полимерных материалов. Известен целый ряд биоразлагаемых полимеров, включая класс полигидроксиалканоатов. К их числу относятся, например, полилактид и полигидроксибутират, и сополимеры на их основе, называемые иногда биополимерами [8]. В соответствии со стоимостью исходных соединений производство подобных полимеров относят к дорогостоящим.

Другим, не менее важным, направлением является создание биоразлагаемых композитов на основе синтетических полимеров и природных биоразлагаемых компонентов, которые могли бы разрушаться при воздействии факторов окружающей среды. Поэтому разработка и исследование новых биоразлагаемых полимерных материалов является важной и актуальной задачей современности.

В настоящее время существует большое количество работ, посвященных созданию такого рода биоразлагаемых композитов, описаны способы получения и сферы их возможного применения, описаны микромицеты, которые могут разрушать данные смеси. Интенсивно ведутся работы по созданию нового класса биоразлагаемых, компостируемых пластиков на основе природных материалов, не приносящих вред окружающей среде и здоровью человека. Однако исследования такого плана разрозненны и не систематизированы. Не решен, в том числе, ряд вопросов, касающихся изменений, происходящих в надмолекулярной структуре и свойствах при введении природной добавки, а также в результате длительного воздействия факторов окружающей среды. Следует применять в совокупности физико-химические, физико-механические, микробиологические методы, чтобы расширить представления о биоконверсии композиционных материалов. Тем более, что в Казахстане производство этих материалов пока не налажено.

Весьма эффективный и распространенный способ придания биологической разрушаемости синтетическим полимерам является введение в полимерную композицию различных наполнителей, в частности крахмала, и других ингредиентов. Для Казахстана достаточно остро стоит проблема утилизации полиэтилена. Выбор в качестве полимера именно полиэтилена обусловлен его широким использованием в качестве упаковочного материала, что является важным экономическим аспектом.

Несмотря на то, что в литературе описано значительное количество работ, рассматривающих крахмалосодержащие композиции полиолефинов, проблема создания биодеградируемых систем этим методом окончательно еще не решена. Так, различные типы крахмала, как природного полимера переменного состава, требуют дополнительного исследования, в первую очередь с точки зрения оптимизации переработки материалов.

Целью работы являлось создание, изучение структуры и свойств композиционных материалов на основе полиэтилена ПЭНП и природных добавок.

Для успешного достижения вышеуказанных целей были поставлены следующие задачи:

- определить влияние добавки на структуру и свойства композиционных материалов в сравнении с исходным полиэтиленом;

- изучить изменения, происходящие в надмолекулярной структуре полиэтилена в результате воздействия модельных факторов окружающей среды.

Научная новизна работы: авторами лично получен материал на основе ПЭНП и природных добавок, способный к биодеструкции под действием факторов окружающей среды.

Практическая значимость: Использование в работе природных добавок позволили создать биоразлагаемые материалы на основе полиэтилена.

Таким образом, полученные данные позволяют сделать следующие выводы:

1. Природные добавки (крахмал, целлюлоза) в разной степени влияют на кристаллическую структуру и способность к ориентации композиционных материалов на основе ПЭНП.

2. Химическая природа добавки, степень ее дисперсности и процентное содержание оказывают различное влияние на закономерности процессов, протекающих в композитах под влиянием факторов окружающей среды.

Целесообразность применения разработанных материалов в народном хозяйстве заключается в получении недорогих биоразлагаемых материалов для упаковки. Появляется возможность частичной замены более дорогостоящих полимерных материалов наполнителями в виде природных полимеров, в частности, крахмалов. Для продолжения работ в данном направлении следует разработать и вводить в состав композитного материала вещества, повышающие способность композиции на основе ПЭ - крахмал к переработке.

ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ ИЗУЧЕНИЕ

1. Методика проведения эксперимента

Объектами исследования являлись ПЭНП и композиты на основе ПЭНП и природных добавок. Содержание добавок в смесях 5-35%. В качестве природных добавок были выбраны крахмал и древесная мука. ПЭНП и добавки гомогенизировали в микросмесителе лабораторного двухшнекового экструдера (микрокомпаундера) DSM Xplore, Нидерланды (приложения 1-21). Через 15 минут смешения при температуре 140^оС в течение 5 минут температуру доводили до 180-200^оС, что обеспечивало достаточно равномерное распределение наполнителя в полимерной матрице (приложения 3,4), затем методом экструзии через микроинжектор получали композиционный материал (приложение 11). Пленки толщиной порядка 300 мкм получали с помощью соответствующей приставки раздувным способом (приложения 13,14).

Для наблюдений роста микромицет хлебной плесени использовались методы микроскопии (приложения 22-24).

Одной из главных характеристик компонентов композиционных материалов является их термоустойчивость при температурах смешения. В таблице 1 представлены литературные данные о термической устойчивости полимера и природных добавок.

Таблица 1. Температуры начала терморазрушения ПЭНП и вводимых природных добавок

Из приведенных данных видно, что термическое разрушение вводимых добавок [9] начинается при температуре, превышающей температурные параметры смешения (130-140^оС).

1. Обсуждение результатов

Для понимания влияния природных добавок на структуру и свойства полимерных композиций полиэтилена методом микроскопии был исследован размер добавок и их распределение в полимерной матрице.

На рисунке 1 представлены изображения природных добавок: крахмала и целлюлозы, по которым можно оценить форму и размер частиц. Частицы целлюлозы и крахмалы имеют форму, близкую к сферической. При этом частицы крахмала мельче, чем частицы целлюлозы. Однако, при рассмотрении изображений пленочных образцов при 5% наполнении (рисунок 2) видно, что целлюлоза в полимерной матрице распределена более равномерно, и размеры вкраплений совпадают с размерами исходного порошка.

Рисунок 1. Исходные компоненты: древесная мука, полиэтилен и крахмал

При введении крахмала происходит агломерация частиц, что приводит к большим размерам вкраплений и ухудшению распределения. Целлюлоза в образце стремится к ориентации в направлении вытяжки (рисунок 3). Таким образом, можно предположить, что неодинаковое распределение природных добавок может привести к различным изменениям свойств полиэтилена и, в первую очередь, его эксплуатационных характеристик.

При наполнении природными добавками свыше 35% масс. происходит образование агломератов частиц наполнителя, что приводит к существенным изменениям технологических свойств композиционных материалов, что ставит под сомнение возможность их переработки на существующем оборудовании. Таким образом, можно констатировать, что диапазон наполнения композиции природными добавками составляет не более 30% масс (рисунок 4).

Рисунок 2. Полученные образцы полиэтилена (а) с добавками целлюлозы (б) и крахмала (в) при 5% наполнении

Рисунок 3. Полученные образцы полиэтилена с добавками целлюлозы (а) и крахмала (б) при 20% наполнении

Рисунок 4. Полученные образцы полиэтилена с добавками целлюлозы (а) и крахмала (б) при 35% наполнении

Свойства полимера в значительной степени зависят от его надмолекулярной структуры. Крахмал в большей степени препятствует ориентации полиэтилена по сравнению с целлюлозой. Данные различия наблюдаются поскольку целлюлоза в полимерной матрице распределена более равномерно в силу своей мелкодисперсности. В свою очередь, при введении крахмала происходит агломерация частиц, что приводит к большим размерам вкраплений и ухудшению распределения по объему полимерной матрицы, поэтому, наличие целлюлозы в значительно меньшей степени, по сравнению с другими добавками, препятствует ориентации ПЭНП (коэффициент ориентации наибольший у композиции ПЭНП – целлюлоза).

Были проведены исследования по биологической деструкции смесевых композиций, как одного из факторов воздействия окружающей среды. В результате проведенного скрининга использовались штаммы хлебной плесени. Образцы помещали на питательную среду и проводили заражение. Инкубация культур проводилась в течение 3 дней при температуре выше 30⁰С. Данные по испытаниям роста грибов на композиционных материалах при содержании добавки 30% представлены на рисунке 5. Возможность потребления данными видами микромицетов смесей ПЭНП с природными добавками оценивали визуально.

Рисунок 5. Рост хлебной плесени на образцах полиэтилена (а) с добавками целлюлозы (б) и крахмала (в) при 35% наполнении

На изображениях отчетливо видно, что после воздействия в течение 3 дней образцы, содержащие добавки крахмала зарастают мицелиями, тогда как образцы с целлюлозой подвержены воздействию в меньшей степени. А вокруг образца ПЭНП образуется зона ''отчуждения'' (рисунок 6).

а б

Рисунок 6. Рост хлебной плесени на образцах полиэтилена (а) с добавками целлюлозы (б) при 35% наполнении

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Врезультате проведенной работы можно сделать следующие выводы:

1. Получен материал на основе полиэтилена низкой плотности с природными добавками различного химического состава (целлюлоза, крахмал), способный к биодеструкции под действием факторов окружающей среды.

2. Изучено влияние добавки на надмолекулярную структуру. Методом микроскопии выявлено, что вводимые добавки уменьшают способность к ориентации смесевых композиций от целлюлозы к крахмалу

3. Проведены испытания микромицет хлебной плесени на активность их воздействия на изучаемые композиции. Обнаружено, что интенсивность биоразложения растет от композиций, содержащих целлюлозу, до композиций, содержащих крахмал.

4. Для продолжения работ в данном направлении следует разработать и вводить в состав композитного материала вещества, повышающие способность композиции на основе ПЭ - крахмал к переработке. В этом случае появляется возможность частичной замены более дорогостоящих полимерных материалов наполнителями в виде крахмалов. Целесообразность применения разработанных материалов в народном хозяйстве заключается в получении биоразлагаемых материалов для упаковки.

Список использованных источников

1. Барская И.Г., Людвиг Е.Б., Тарасов С.Г., Головецкий Ю. К. // Высокомолекулярные соединения. – 2005.

2. Луканина Ю.К., Колесникова Н.Н., Мясоедова В.В., Попов А.А., Хватов А.В. Композиты полиэтилен/порошковая альфа–целлюлоза. Четвертая всероссийская каргинская конференция. Наука о полимерах 21-му веку. 2007г., Москва, с.162.

3. Макаревнч А.В. и др. // Пластические массы. 1996. № 1.

4. Материалы для поликонденсации / Под ред. Дж. Стилла. М.: Мир, 1976.

5. Перепелкин К.Е. // Химия и химическая технология волокон. 2002. №.2.

6. Попов А.В. // Тара и упаковка. 2007. №3.

7. Фомин В.А., Гузеев В.В. // Пластические массы. 2001. № 2.

8. Хватов А.В., Луканина Ю.К., Попов А.А. Биодеградируемые полимерные материалы на основе полиолефинов. IV Московский международный конгресс Биотехнология: состояние и перспективы развития, 2007г., Москва, с.65.

9. Хомяков A. K. // Химическая энциклопедия. Т.3. М.: Изд. БРЭ, 1992.

10. Энциклопедия полимеров // Ред. коллегия под руков. В.А. Кабанова. Т.2. М., 1977.

ПРИЛОЖЕНИЯ

14