chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2020-15-6-44-55chemicallytech-1667Research ArticleSYNTHESIS AND PROCESSING OF POLYMERS AND POLYMERIC COMPOSITESСИНТЕЗ И ПЕРЕРАБОТКА ПОЛИМЕРОВ И КОМПОЗИТОВ НА ИХ ОСНОВЕDevelopment of technology for producing biodegradable hybrid composites based on polyethylene, starch, and monoglyceridesРазработка технологии получения биоразлагаемых композиций на основе полиэтилена, крахмала и моноглицеридовВасильевИ. Ю.VasilyevI. Yu.

Васильев Илья Юрьевич, преподаватель кафедры Инновационные материалы принтмедиаиндустрии Института принтмедиа и информационных технологий

127008, Москва, ул. Большая Семеновская, 38

Ilya Yu. Vasilyev, Lecturer, Department of Innovative Materials for the Print Media Industry, Institute of Print Media and Information Technologies

38, Bolshaya Semenovskaya ul., Moscow, 127008

iljanaras@yandex.ruАнаньевВ. В.AnanyevV. V.

Ананьев Владимир Владимирович, кандидат технических наук, профессор кафедры Инновационные материалы принтмедиаиндустрии Института принтмедиа и информационных технологий

127008, Москва, ул. Большая Семеновская, 38

Vladimir V. Ananyev, Cand. of Sci. (Engineering), Professor, Department of Innovative Materials for the Print Media Industry, Institute of Print Media and Information Technologies

38, Bolshaya Semenovskaya ul., Moscow, 127008

vovan261147@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7288-8569КолпаковаВ. В.KolpakovaV. V.

Колпакова Валентина Васильевна, доктор технических наук, профессор, заведующая отделом

140051, Московская обл., Красково, ул. Некрасова, 11

Valentina V. Kolpakova, Dr. of Sci.(Engineering), Professor, Head of the Department

11, Nekrasova ul., Kraskovo, Moscow oblast, 140051

vniik@arrisp.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4611-3847СарджвеладзеА. С.SardzhveladzeA. S.

Сарджвеладзе Аслан Сергеевич, старший научный сотрудник

140051, Московская обл., Красково, ул. Некрасова, 11

Aslan S. Sardzhveladze, Senior Researcher

11, Nekrasova ul., Kraskovo, Moscow oblast, 140051

vniik@arrisp.ruМосковский политехнический университетРоссияMoscow Polytechnic UniversityRussian FederationВсероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктовРоссияAll-Russian Research Institute of Starch ProductsRussian Federation2020130120211564455Copyright © Vasilyev I.Y., Ananyev V.V., Kolpakova V.V., Sardzhveladze A.S., 20212021Васильев И.Ю., Ананьев В.В., Колпакова В.В., Сарджвеладзе А.С.Vasilyev I.Y., Ananyev V.V., Kolpakova V.V., Sardzhveladze A.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/1667Objectives

Objectives. This work aimed to develop technology to produce biodegradable hybrid composite (BHC) films based on low-density polyethylene (LDPE) 115030-070 and thermoplastic starches (TPS) of various origins (corn, pea, and rice), with distilled monoglycerides as the plasticizer. The properties of the produced BHC films were studied and the optimal native starch : glycerol : monoglycerides ratio is proposed.

Methods

Methods. TPS and BHC films based on this material were produced from different types of native starches in laboratory extruders (Brabender and MashPlast, Russia), and the extruded melts were subjected to ultrasonic vibrations. The structure and appearance of the BHC films were studied using scanning electron microscopy and rheology. Their biodegradability was assessed by immersing them in biocompost for three months. To evaluate the mechanical performance of the BHC films produced with and without ultrasound, the changes in tensile stress and elongation at break were determined during the biodegradation process.

Results

Results. The BHC films had a homogeneous structure, except small agglomerates (non-melted starch grains), which did not reduce their quality. The films with monoglycerides had high tensile strength, which was comparable with low-density polyethylene. After removing samples of the BHC films from the biocompost, their tensile strength decreased by 20%, which shows their biodegradability.

Conclusions

Conclusions. The produced biodegradable composite films and the technology used to produce them will be applicable for the packaging industry to reduce environmental impact.

Цель

Цель. Совершенствование технологии создания биологически разрушаемых гибридных композиций (БГК) на основе полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) 11503-070 и термопластичных крахмалов различного происхождения (кукурузы, гороха, риса) с новыми пластификаторами – моноглицеридами дистиллированными. Разработка технологической схемы производства БГК. Получение и исследование свойств биологически разрушаемых композиционных пленок, пластифицированных смесью дистиллированных моноглицеридов и глицерина. Выбор оптимального соотношения нативный крахмал : глицерин : моноглицериды.

Методы

Методы. Термопластичный крахмал и композиционные пленки получали на основе нативных крахмалов разных видов в лабораторных экструдерах фирм «Брабендер» и «МашПласт» (Россия), при этом экструдируемый расплав композиции подвергали воздействию ультразвуковых колебаний. Была изучена структура композитных пленок методом сканирующей электронной микроскопии, а также их реологические характеристики. Проведена оценка органолептических свойств композитных пленок. Способность к биоразложению композитных пленок оценивали при помощи погружения их на три месяца в биогумус. Для оценки эксплуатационных свойств БГК, до и после процесса биоразложения, определяли разрушающее напряжение при растяжении и относительное удлинение при разрыве, причем оценка была проведена и для пленок, которые подвергали воздействию ультразвука.

Результаты

Результаты. Был достигнут положительный эффект от использования нового пластификатора – дистиллированных моноглицеридов в композициях термопластичный крахмал : полиэтилен. При производстве композиции получались однородными по структуре, иногда образовывались небольшие агломераты, представляющие собой нерасплавившиеся частицы крахмала, что не ухудшало качество готовых БГК. Композиты с моноглицеридами обладали высокой прочностью на разрыв – практически на одном уровне с ПЭНП. После изъятия образцов композитных пленок из биогумуса их прочность на разрыв снижалась на 20%, что свидетельствует о протекании процесса биоразложения.

Выводы

Выводы. Разработанный состав и технология получения биологически разлагаемых композитных пленок могут быть использованы в дальнейшем для производства композитных пленок с высоким содержанием крахмала для применения в упаковочной отрасли, что позволит снизить негативную нагрузку на окружающую среду.

полиолефинытермопластичный крахмалбиоразлагаемые полимерные композицииструктурная модификацияэкструзияpolyolefinthermoplastic starchbiodegradable polymer compositestructural modificationextrusionРабота выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 19-33-90284).This work was supported by the Russian Foundation for Basic Research, project No. 19-33-90284. This article has been translated from Russian into English by N. Isaeva and edited for English language and spelling by Enago, an editing brand of Crimson Interactive Inc.ReferencesЛитвяк В.В. Перспективы производства современных упаковочных материалов с применением биоразлагаемых полимерных композиций. Журнал Белорусского государственного университета. Экология. 2019;2:84-94.Litvyak V.V. Prospects of manufacture of modern packaging materials with the application of bioddelessed polymer compositions. Zhurnal Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta. Ekologiya = Journal of the Belarusian State University. Ecology. 2019;2:84-94 (in Russ.).Кирш И.А., Романова В.А., Тверитникова И.С., Безнаева О.В., Банникова О.А., Шмакова Н.С. Исследования влияния ультразвуковой обработки на расплавы полимерных композиций на основе полиэтилена и модифицированного крахмала. Хим. пром. сегодня. 2020;1:62-67.Kirsch I.A., Romanova V.A., Tveritinova I.S., Beznaeva O.V., Bannikova O.A., Shmakova N.S. Studies of the effect of ultrasonic treayment on melts of polymer composition based on polyethylene and modified starch. Khimicheskaya promyshlennost’ segodnya = Chemical Industry Today. 2020;1:62-67 (in Russ.).Колпакова В.В., Ананьев В.В., Кирш И.А., Лукин Н.Д., Костенко В.Г., Скобельская З.Г., Панкратов Г.Н., Гаврилов А.М. Модификация биоразлагаемых полимерных композиций отходами пищевых производств. Достижения науки и техники АПК. 2016;30(10):109-115.Коlpakova V.V., Ananiev V.V., Kirsh I.A., Lukin N.D., Kostenko V.G., Scobelyskaya Z.G., Pankratov G.N., Gavrilov A.M. Modification of Biodegradable Polymeric Compositions by Waste of Food Production. Dostizheniya nauki i tekhniki APK = Achievements of Science and Technology of AIC. 2016;30(10):109-115 (in Russ.).Лукин Н.Д., Колпакова В.В., Усачев И.С., Сарджвелаждзе А.С., Соломин Д.А., Васильев И.Ю. Модификация полимерных композиций с термопластичным крахмалом для биоразлагаемой упаковочной пленки. В сб.: «Биотехнология: состояние и перспективы развития. Материалы международного конгресса». Москва: ООО «РЭД ГРУПП»; 2019. С. 102-104.Lukin N.D., Коlpakova V.V., Usachev I.S., Sarjvelazhdze A.S., Solomin D.A. Modification of polymer compositions with thermoplastic starch for packaging products. In: Biotekhnologiya: sostoyanie i perspektivy razvitiya. Materialy mezhdunarodnogo kongressa (Biotechnology: State of the Art and Perspectives. The Proceedings of International Congress). Moscow: RED GROUP; 2019. P. 102-104 (in Russ.).Kirsh I.A., Beznaeva O.V., Bannikova O.A., Romanova Budaeva V.A., Zagrebina D.M., Tveritnikova I.S. Creation of biodegradable polymer materials exposing ultrasounds to their melts. J. Adv. Res. Dyn. Control Syst. 2019;11(8 special issue):1944-1949.Kirsh I.A., Beznaeva O.V., Bannikova O.A., Romanova Budaeva V.A., Zagrebina D.M., Tveritnikova I.S. Creation of biodegradable polymer materials exposing ultrasounds to their melts. J. Adv. Res. Dyn. Control Syst. 2019;11(8 special issue):1944-1949.Колпакова В.В., Усачев И.С., Сарджвеладзе А.С., Соломин Д.А., Ананьев В.В., Васильев И.Ю. Совершенствование технологии применения термопластичного крахмала для биоразлагаемой полимерной пленки: Пищевая промышленность. 2017;8:34-38.Коlpakova V.V., Usachev I.S., Sarjvelazhdze A.S., Solomin D.A., Ananiev V.V., Vasil’ev I.Yu. Perfection of technology of application of thermoplastic starch for polymeric film. Pishchevaya promyshlennost’ = Food Industry. 2017;8:34-38 (in Russ.).Колпакова В.В., Усачев И.С., Соломин Д.А. Биоразлагаемые полимеры: составные биокомпоненты и технологические решения производства: Пищевая промышленность. 2019;12:51-57. https://doi.org/10.24411/0235-2486-2019-10197Коlpakova V.V., Usachev I.S., Solomin D.A. Biodegradable polymers: compound biocomponents and manufacturing technological solutions. Pishchevaya promyshlennost’ = Food Industry. 2019;12:51-57 (in Russ.). https://doi.org/10.24411/0235-2486-2019-10197Kaseem M., Hamad K., Deri F. Thermoplastic starch blends: A review of recent works. Polym. Sci. Ser. A. 2012;54:165-176. https://doi.org/10.1134/S0965545X1202006XKaseem M., Hamad K., Deri F. Thermoplastic starch blends: A review of recent works. Polym. Sci. Ser. A. 2012;54:165-176. https://doi.org/10.1134/S0965545X1202006XЛукин Н.Д., Усачев И.С. Технология получения термопластичных крахмалов. Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2015;66(4):156-159. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2015-4-156-159Lukin N.D., Usachev I.S. Technology of thermoplastic starch production. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta inzhenernykh tekhnologii = Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies. 2015;(4):156-159 (in Russ.). https://doi.org/10.20914/2310-1202-2015-4-156-159Lukin D., Kolpakova V., Ananyev V., Lukin N., Usachev I., Sardjveladze A., Solomin D. Application of thermoplastic starch and starch containing waste of food industry in biodegradable polymer compositions. In: Proceedings of the 12th International Conference on Polysaccarides-Clycoscience. Prague, October 19–21, 2016. P. 58-62.Lukin D., Kolpakova V., Ananyev V., Lukin N., Usachev I., Sardjveladze A., Solomin D. Application of thermoplastic starch and starch containing waste of food industry in biodegradable polymer compositions. In: Proceedings of the 12th International Conference on Polysaccarides-Clycoscience. Prague, October 19–21, 2016. P. 58-62.Kolpakova V., Usachev I., Papakhin A., Sardzhveladze A., Ananiev V. Thermoplastic composition with modified porous corn starch of biodegradability properties. In: 2019 Proceedings of the GEOLINS International Scientific conference on geosciences. March 26–29, 2019. Athens, Greece. P. 33-41. https://doi.org/10.32008/geolinks2019/b2/v1/04Kolpakova V., Usachev I., Papakhin A., Sardzhveladze A., Ananiev V. Thermoplastic composition with modified porous corn starch of biodegradability properties. In: 2019 Proceedings of the GEOLINS International Scientific conference on geosciences. March 26–29, 2019. Athens, Greece. P. 33-41. https://doi.org/10.32008/geolinks2019/b2/v1/04Nishat N., Malik A. Synthesis, spectral characterization thermal stability, antimicrobial studies and biodegradation of starch–thiourea based biodegradable polymeric ligand and its coordination complexes with [Mn(II), Co(II), Ni(II), Cu(II), and Zn(II)] metals. Journal of Saudi Chemical Society. 2016;20(1):S7-S15. https://doi.org/10.1016/j.jscs.2012.07.017Nishat N., Malik A. Synthesis, spectral characterization thermal stability, antimicrobial studies and biodegradation of starch–thiourea based biodegradable polymeric ligand and its coordination complexes with [Mn(II), Co(II), Ni(II), Cu(II), and Zn(II)] metals. Journal of Saudi Chemical Society. 2016;20(1):S7-S15. https://doi.org/10.1016/j.jscs.2012.07.017Sudhakar Y.N., Selvakumar M. Lithium perchlorate doped plasticized chitosan and starch blend as biodegradable polymer electrolyte for supercapacitors. Electrochimica Acta. 2012;78(1):398-405. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.06.032Sudhakar Y.N., Selvakumar M. Lithium perchlorate doped plasticized chitosan and starch blend as biodegradable polymer electrolyte for supercapacitors. Electrochimica Acta. 2012;78(1):398-405. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.06.032Mendes J.F., Paschoalin R.T., Carmona V.B., Neto A.R.S., Marques A.C.P., Marconcini J.M., Mattoso L.H.C., Medeiros E.S., Oliveira J.E. Biodegradable polymer blends based on corn starch and thermoplastic chitosan processed by extrusion. Carbohydrate Polymers. 2016;137(10):452-458. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2015.10.093Mendes J.F., Paschoalin R.T., Carmona V.B., Neto A.R.S., Marques A.C.P., Marconcini J.M., Mattoso L.H.C., Medeiros E.S., Oliveira J.E. Biodegradable polymer blends based on corn starch and thermoplastic chitosan processed by extrusion. Carbohydrate Polymers. 2016;137(10):452-458. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2015.10.093Nguyen D.M., Do T.V.V., Grillet A-C., Thuc H.H., Thuc C.N.H. Biodegradability of polymer film based on low density polyethylene and cassava starch. Int. Biodeter. Biodegr. 2016;115:257-265. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2016.09.004Nguyen D.M., Do T.V.V., Grillet A-C., Thuc H.H., Thuc C.N.H. Biodegradability of polymer film based on low density polyethylene and cassava starch. Int. Biodeter. Biodegr. 2016;115:257-265. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2016.09.004Tang X., Alavi S. Recent advances in starch, polyvinyl alcohol based polymer blends, nanocomposites and their biodegradability. Carbohydrate Polymers. 2011;85(1):7-16. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2011.01.030Tang X., Alavi S. Recent advances in starch, polyvinyl alcohol based polymer blends, nanocomposites and their biodegradability. Carbohydrate Polymers. 2011;85(1):7-16. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2011.01.030Singh R., Sharma R., Shaqib M., Sarkar A., Chauhan K.D. Biodegradable polymers as packaging materials. In: Biopolymers and their Industrial Applications. From Plant, Animal, and Marine Sources, to Functional Products. 2021. Chapter 10. P. 245-259. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819240-5.00010-9Singh R., Sharma R., Shaqib M., Sarkar A., Chauhan K.D. Biodegradable polymers as packaging materials. In: Biopolymers and their Industrial Applications. From Plant, Animal, and Marine Sources, to Functional Products. 2021. Chapter 10. P. 245-259. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819240-5.00010-9Ojogbo E., Ogunsona E.O., Mekonnen T.H. Chemical and physical modifications of starch for renewable polymeric materials. Materials Today Sustainability. 2020;7-8:100028. https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2019.100028Ojogbo E., Ogunsona E.O., Mekonnen T.H. Chemical and physical modifications of starch for renewable polymeric materials. Materials Today Sustainability. 2020;7-8:100028. https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2019.100028Tudorachi N., Cascaval C.N., Rusu M., Pruteanu M. Testing of polyvinyl alcohol and starch mixtures as biodegradable polymeric materials. Polymer Testing. 2000;19(7):785-799. https://doi.org/10.1016/S0142-9418(99)00049-5Tudorachi N., Cascaval C.N., Rusu M., Pruteanu M. Testing of polyvinyl alcohol and starch mixtures as biodegradable polymeric materials. Polymer Testing. 2000;19(7):785-799. https://doi.org/10.1016/S0142-9418(99)00049-5Fonseca-García A., Jiménez-Regalado E.J., Aguirre-Loredo R.Y. Preparation of a novel biodegradable packaging film based on corn starch-chitosan and poloxamers. Carbohydrate Polymers. 2021;251(1):117009. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.117009Fonseca-García A., Jiménez-Regalado E.J., Aguirre-Loredo R.Y. Preparation of a novel biodegradable packaging film based on corn starch-chitosan and poloxamers. Carbohydrate Polymers. 2021;251(1):117009. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.117009Mittal A., Garg S., Bajpai S. Fabrication and characteristics of poly (vinyl alcohol)-starch-cellulosic material based biodegradable composite film for packaging application. Materials Today: Proceedings. 2020;21(3):1577-1582. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.11.210Mittal A., Garg S., Bajpai S. Fabrication and characteristics of poly (vinyl alcohol)-starch-cellulosic material based biodegradable composite film for packaging application. Materials Today: Proceedings. 2020;21(3):1577-1582. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.11.210Tabasum S., Younas M., Zaeem M.A., Majeed I., Majeed M., Noreen A., NaeemIqbal M., Zia K.M. A review on blending of corn starch with natural and synthetic polymers, and inorganic nanoparticles with mathematical modeling. Int. J. Biol. Macromol. 2019;122:969-996. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.10.092Tabasum S., Younas M., Zaeem M.A., Majeed I., Majeed M., Noreen A., NaeemIqbal M., Zia K.M. A review on blending of corn starch with natural and synthetic polymers, and inorganic nanoparticles with mathematical modeling. Int. J. Biol. Macromol. 2019;122:969-996. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.10.092

The authors declare that there are no conflicts of interest present.