Огромное количество полимерных материалов и изделий из них, применяемое в настоящее время в индустрии одноразовой упаковки, приводят к необходимости их уничтожения или захоронения по окончании срока службы. Многие полимеры (в частности, полистирол как один из наиболее распространенных) в окружающей среде разлагаются в течение достаточно длительного времени. Одним из путей решения проблемы нарушения биосферного равновесия является создание биоразлагаемых материалов.
Наиболее простым и дешевым способом создания биоразрушаемых полимерных композиций является использование смесей пластмасс с различными биологическими добавками. Чаще всего используют крахмал и муку. Наиболее однородным по составу и свойствам является кукурузный крахмал, что позволяет обеспечить воспроизводимость свойств модифицированных пластиков.
Разработанная ранее [1,2] композиция на основе ударопрочного полистирола УПС, крахмала и пластификатора позволяла получать изделия с удовлетворительными физико-механическими свойствами. Однако данная композиция разработана для производства упаковки, получаемой термоформованием. Для создания биоразрушаемых пленочных материалов была предложена полимерная смесь на основе полиэтилена (ПЭ) и крахмала, где в качестве агента, улучшающего совместимость гидрофобного ПЭ с крахмалом и снижающего температуру переработки композиции, был предложен сополимер полиэтилена и 12 массовых долей винилацетата (СЭВА). Небольшое содержание винилацетата в сополимере способствует образованию крупнозернистой крахмальной фазы в объеме полимера, хотя и несколько ухудшает их термодинамическую совместимость [3]. СЭВА в сравнении с ПЭ имеет лучшую эластичность, температура текучести Тт составляет менее 140 0С.
Композиции готовились следующим образом: cмесь гранул сэвилена с полиэтиленом вальцевали на лабораторных вальцах до образования гомогенного расплава, после чего в расплав вводили необходимое количество крахмала. Смешение продолжалось в течение 20 минут, масса периодически подрезалась и поворачивалась на 900, что обеспечивало равномерность распределения наполнителя. Температура валков поддерживалась в пределах 130±3 С0 (переднего) и 140±3 С0 (заднего) валков. Полученная смесь измельчалась вручную и изготавливались образцы для испытания на прочность методом литья под давлением.
При введении в ПЭ 20% крахмала текучесть композиции заметно снижается. ПТР полиэтилена высокого давления (ПЭВД) составляет 2,5 г/10 мин., смеси, содержащей 20 % крахмала - 1.1 г/10 мин. Учитывая необходимость снижения температуры переработки из-за возможности деструкции крахмала, возникает потребность снижения вязкости системы. Одним из возможных способов является добавление пластифицирующей добавки СЭВА.
Исследовали композиции, содержащие 20% крахмала. Эта концентрация обеспечивает, как было выяснено ранее, биоразрушение полимера [2].
Зависимость ПТР композиции, содержащей 20% крахмала, от количества СЭВА, приведена на рис.1. Исходя из этих данных, при концентрации СЭВА более 11 % ПТР композиции сравнивается с ПТР чистого ПЭ. Следовательно, при данной концентрации СЭВА композиция может перерабатываться основными высокопроизводительными методами (экструзия или литье под давлением).
Изучались также прочностные характеристики композиций (см. таблицу). Отмечено убывание прочности образцов при увеличении содержания севилена в композиции.
Для обнаружения способности композиций к биоразрушению, образцы на основе ПЭ и крахмала, модифицированного СЭВА исследовали на устойчивость к гидролизу. Для этого отслеживали изменение массы образцов, подвергнутых кипячению в слабокислой среде, в течение определенного времени.
Сравнительный анализ устойчивости к гидролизу приведен на рис.2. Наибольшие потери массы наблюдаются у образцов, содержащих около 20 % СЭВА. Образцы, содержащие более 20 % СЭВА, менее подвержены гидролизу, что можно объяснить сильным капсулированием зерен крахмала.
Таким образом, полученные композиции могут быть рекомендованы для изготовления дешевых упаковочных материалов с регулируемым сроком службы.
Рис. 1. Зависимость ПТР ПЭ, содержащего 20 % мас. крахмала от концентрации СЭВА
Таблица 1. Результаты испытания образцов композиций на основе ПЭ, крахмала и СЭВА на прочность при растяжении
|
Композиция ПЭ:крахмал:СЭВА (масс %) |
Относительное удлинение, % |
Прочность при растяжении, МПа |
|
67:20:13 |
20,6 |
13,3 |
|
64:20:16 |
21,4 |
12,3 |
|
60:20:20 |
24,3 |
12,1 |
|
54:20:24 |
25,4 |
10 |
Рис.2. Влияние продолжительности испытаний на стойкость к биоразложению
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
- Алешин А.А, Панов Ю.Т., Кудрявцева З.А.. Концентрат крахмала для получения биоразрушаемых полимеров, перерабатываемых экструзией и литьем под давлением. Тезисы докладов международной научной конференции "Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий". Томск, 2006. С. 189.
- Алешин А.А., Панов Ю.Т. Крахмалсодержащие полимерные композиции как материалы с регулируемым сроком службы. Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. Т. 6: Сборник трудов Второй международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности". Санкт-Петербург, 2006. С. 139.
- Сычугова О.В., Колесникова Н.Н., Лихачев А.Н., Попов А.А.. // Пластические массы. 2004. № 9. С.29-32.