Биоразлагаемые упаковочные материалы на основе полиэтилена низкой плотности, крахмала и моноглицеридов

Цели. Исследовать процесс производства биоразрушаемых гибридных композиций (БГК), дисперсно-наполненных крахмалсодержащими продуктами различного происхождения и дистиллированными моноглицеридами, и их биологическую деструкцию, а также процесс биоразложения композиций на основе полиэтилена низкой плотности и термопластичного крахмала (ТПК) различного происхождения: кукурузного, горохового и рисового.

Методы. Термопластичный крахмал получали на основе нативных крахмалов разных видов путем переработки их в лабораторных экструдерах фирм «Брабендер» и «МашПласт» (Россия). Смешивая в экструдерах термопластичные крахмалы с полиэтиленом, получали БГК в виде стренг, гранул и пленок. Структурные параметры БГК изучали методами оптической и электронной сканирующей микроскопии. Способность к биоразложению композитных пленок оценивали, помещая их на полгода в биогумус, и в процессе хранения определяли изменение водопоглощения пленок. Для оценки эксплуатационных свойств (физико-механических характеристик пленок) БГК определяли разрушающее напряжение при растяжении и относительное удлинение при разрыве до и после процесса биоразложения. Изменения химической структуры в процессе биоразложения определяли методом инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье.

Результаты. Подтвержден положительный эффект (ускорение процесса биоразложения) от использования нового типа пластификатора крахмала – дистиллированных моноглицеридов в композициях ТПК–полиэтилен. По истечении полугода на поверхности образцов наблюдали интенсивное спороношение активных микроорганизмов. При этом водопоглощение образцов достигало 30%, прочностные и деформационные свойства снизились на 60%, что свидетельствует об интенсивном протекании процесса биоразложения.

Выводы. Установлено, что скорость процесса биоразложения композиций зависит от концентрационного соотношения вводимого ТПК, а также от его равномерного распределения в синтетическим полимере.

1. Литвяк В.В. Перспективы производства современных упаковочных материалов с применением биоразлагаемых полимерных композиций. Журнал Белорусского государственного университета. Экология. 2019;(2):84–94. URL: https://journals.bsu.by/index.php/ecology/article/view/2711/2295

2. Kalia S. Biodegradable Green Composites. John Wiley & Sons; 2016. 368 p.

3. Ананьев В.В., Куликов П.П., Васильев И.Ю. Исследование полиолефиновых композиций, способных к разложению. Packaging. 2015;(3):46–48.

4. 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(Suppl. 1):S7–S15. https://doi.org/10.1016/j.jscs.2012.07.017

5. Sudhakar Y.N., Selvakumar M. Lithium perchlorate doped plasticized chitosan and starch blend as biodegradable polymer electrolyte for supercapacitors. Electrochimica Acta. 2012;78:398–405. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.06.032

6. Mendes J.F., Paschoalin R.T., Carmona V.B., Sena Neto A.R., 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. Carbohydr. Polym. 2016137:452–458. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2015.10.093

7. 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. Biodeterior. Biodegradation. 2016;115:257–265. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2016.09.004

8. Tang X., Alavi S. Recent advances in starch, polyvinyl alcohol based polymer blends, nanocomposites and their biodegradability. Carbohydr. Polym. 2011;85(1):7–16. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2011.01.030

9. Singh R., Sharma R., Shaqib M., Sarkar A., Dutt Chauhan K. In: Biodegradable polymers as packaging materials. 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

10. 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

11. Tudorachi N., Cascaval C.N., Rusu M., Pruteanu M. Testing of polyvinyl alcohol and starch mixtures as biodegradable polymeric materials. Polym. Test. 2000;19(7):785–799. https://doi.org/10.1016/S0142-9418(99)00049-5

12. Fonseca-García A., Jiménez-Regalado E., Aguirre-Loredo R-Y. Preparation of a novel biodegradable packaging film based on corn starch-chitosan and poloxamers. Carbohydr. Polym. 2021;251:117009. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.117009

13. 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

14. 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

15. Wasserman L.A., Papakhin A.A., Borodina Z.M., et al. Some physico-chemical and thermodynamic characteristics of maize starches hydrolyzed by glucoamylase. Carbohydr. Polym. 2019;112:260–269. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.01.096

16. Kwon S.S., Kong B.J., Park S.N. Physicochemical properties of pH-sensitive hydrogels based on hydroxyethyl cellulose-hyaluronic acid and for applications as transdermal delivery systems for skin lesions. Eur. J. Pharm. Biopharm. 2015;92:146–154. https://doi.org/10.1016/j.ejpb.2015.02.025

17. Razavi S.M.A., Cui S.W., Ding Н. Structural and physicochemical characteristics of a novel watersoluble gum from Lallemantia royleana seed. Int. J. Biol. Macromol. 2016;83:142–151. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2015.11.076

18. 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: Биотехнология: состояние и перспективы развития: Материалы международного конгресса. 2019. С. 102–104.

19. 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.

20. Ananyev V.V., Nagornova I.V., Bablyuk E.B., Vasilyev I.Y., Varepo L.G. Рolymer composites including natural additives degradation rate indication. In: AIP Conference Proceedings. 2017;1876(1):020091. https://doi.org/10.1063/1.4998911

21. Лукин Н.Д., Колпакова В.В., Усачев И.С., Папахин А.А., Сарджвеладзе А.С., Бородина З.М., Васильев И.Ю., Ананьев В.В. Биологически разрушаемая термопластичная композиция: Пат. 2691988 РФ. Заявка № 2018146738; заявл. 26.12.2018. опубл. 19.06.2019.

22. Васильев И.Ю., Ананьев В.В., Колпакова В.В., Сарджвеладзе А.С. Разработка технологии получения биоразлагаемых композиций на основе полиэтилена, крахмала и моноглицеридов. Тонкие химические технологии. 2020;15(6):44–55. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2020-15-6-44-55

23. Vasilyev I., Ananiev V., Sultanova Yu., Kolpakova V. Effect of the biodegradable compounds composition with monoglycerides on mechanical properties. In: Materials Science Forum. 2021;1031:7–16. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.1031.7

24. 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

25. Васильев И.Ю., Ананьев В.В., Султанова Ю.М., Колпакова В.В. Влияние состава биоразлагаемых композиций на основе полиэтилена, крахмала и моноглицеридов на их физико-механические свойства и структуру. Все материалы. Энциклопедический справочник. 2021;(5):31–38. https://doi.org/10.31044/1994-6260-2021-0-5-31-38