Разработка технологии получения биоразлагаемых композиций на основе полиэтилена, крахмала и моноглицеридов

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. 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. 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. 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.

1. Литвяк В.В. Перспективы производства современных упаковочных материалов с применением биоразлагаемых полимерных композиций. Журнал Белорусского государственного университета. Экология. 2019;2:84-94.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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/10.24411/0235-2486-2019-10197

8. Kaseem 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/S0965545X1202006X

9. Лукин Н.Д., Усачев И.С. Технология получения термопластичных крахмалов. Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2015;66(4):156-159. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2015-4-156-159

10. 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.

11. 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/v1/04

12. Nishat 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.2012.07.017

13. Sudhakar 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.2012.06.032

14. Mendes 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.2015.10.093

15. Nguyen 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.2016.09.004

16. Tang 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.2011.01.030

17. Singh 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/B978-0-12-819240-5.00010-9

18. Ojogbo 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.2019.100028

19. Tudorachi 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)00049-5

20. Fonseca-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.2020.117009

21. Mittal 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.2019.11.210

22. Tabasum 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