Биокомпозиционные материалы на основе полиэтилена и амфифильного полимерного металлокомплекса железа

Цели. Получение и исследование свойств, а также способности к деструкции полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе полиэтилена низкой плотности (ПЭНП), получаемых за счет введения экологически безопасной оксоразлагающейся добавки (ОРД) на основе амфифильного полимерного металлокомплекса железа, ускоряющей процесс разложения полимеров.

Методы. ПКМ на основе ПЭНП и ОРД получали в лабораторных экструдерах в виде стренг, гранул и пленок. Термодинамические свойства определяли дифференциально-сканирующей калориметрией в интервале температур 20-130 °C. Для оценки эксплуатационных свойств (физико-механических характеристик) ПКМ определяли разрушающее напряжение при растяжении и относительное удлинение при разрыве. Способность к биоразложению ПКМ оценивали методом Штурма, определяя индекс биоразложения по количеству выделившегося СО₂ в результате жизнедеятельности микроорганизмов, а также путем компостирования, помещая ПКМ на полгода в биогумус. В процессе хранения определяли изменение физико-механических свойств, а также водопоглощение пленок. Способность ПКМ к фотохимической деструкции определяли, подвергая образцы ультрафиолетовому излучению в отсутствии других источников света в течение 100 ч (эквивалентно приблизительно году экспозиции пленок в природных условиях). Внешний вид композиционных образцов после изъятия из биогумуса определяли при помощи оптического микроскопа с увеличением ×50 в проходящем и отраженном свете.

Результаты. В процессе биоразложения методом компостирования до полугода физико-механические свойства снижаются, в среднем, на 40.6%, что связано со структурными изменениями, протекающими в композитах в процессе хранения в биогумусе: формированием более рыхлой структуры вследствие образования и продуцирования крупных кластеров микроорганизмов, влияющих на образование микротрещин, что приводит к стадии фрагментации полиэтиленовой матрицы и свидетельствует о протекании процесса биологической деструкции композиционных материалов. При этом водопоглощение композиционных образцов спустя 96 ч экспозиции изменилось на 63%. Индекс биоразлагаемости, определенный методом Штурма по истечении 28 суток барботирования, изменился на 82%, что свидетельствует об интенсивном протекании процесса биоразложения. Воздействие ультрафиолетового излучения в течение 96 ч показало полное разрушение ПКМ до образования мелких «хлопьев». Данный метод является наиболее эффективным для процесса разложения ПКМ на основе ПЭНП и ОРД.

Выводы. Исследование ПКМ, содержащих ОРД на основе амфифильного полимерного металлокомплекса железа, показало, что исследуемый наполнитель-модификатор можно рекомендовать для изготовления ПКМ с ускоренным сроком разложения.

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://joumals.bsu.by/index.php/ecology/article/view/2711/2295 (Дата обращения 30.03.2023).

2. Kalia S. Biodegradable Green Composites. John Wiley & Sons; 2016. 368 p. ISBN 978-1-11891109-9

3. Skoczinski P., Chinthapalli R., Carus M., Baltus W., de Guzman D., Kab H., Raschka A., Ravenstijn J. Bio-based Building Blocks and Polymers - Global Capacities, Production and Trends 2019 - 2024. Hurth, Germany; 2020. 379 p. URL: https://renewable-carbon.eu/publications/product/bio-based-building-blocks-and-polymers-global-capacities-production-and-trends-2019-2024/ (Дата обращения 30.03.2023).

4. Nishat N., MalikA. 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. J. Saudi Chem. Soc. 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. 2016;137:452-458. 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. 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

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-Garcia A., Jimenez-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. 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

15. Папахин А.А., Колпакова В.В., Бородина З.М., Сарджвеладзе А.С., Васильев И.Ю. Применение модифицированного пористого крахмала для создания биоразлагаемых композиционных полимерных материалов. Техника и технология пищевых производств. 2020;50(3):549-558. http://doi.org/10.21603/2074-9414-2020-3-549-558

16. Васильев И.Ю., Ананьев В.В., Чернов М.Е. Биоразлагаемые упаковочные материалы на основе полиэтилена низкой плотности, крахмала и моноглицеридов. Тонкие химические технологии. 2022;17(3):231-241. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2022-17-3-231-241

17. Васильев И.Ю., Ананьев В.В., Колпакова В.В, Сарджвеладзе А.С. Биоразлагаемые материалы на основе ПЭНП, крахмала и моноглицеридов. Все материалы. Энциклопедический справочник. 2021;(11):20-26. https://doi.org/10.31044/1994-6260-2021-0-11-20-26

18. 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

19. Vasil'ev I.Y., Anan'ev V.V., Sultanova Y.M., Kolpakova V.V. The influence of the composition of polyethylene, starch, and monoglyceride biodegradable compositions on their physicomechanical properties and structure. Polym. Sci. Ser. D. 2022;15(1):122-127. https://doi.org/10.1134/S1995421222010257

20. 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. М.: ООО «РЭД ГРУПП»; 2019. С. 102-104.

21. Tabasum S., Younas M., Zaeem M.A., Majeed I., Majeed M., Noreen A., Iqbal N.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

22. Ren H., Ouyang G., Iyer S.S., Yang Y.-T. Mechanism and process window study for die-to-wafer (D2W) hybrid bonding. ECS J. Solid State Sci. Technol. 2021;10(6):064008. https://doi.org/10.1149/2162-8777/ac0a52

23. Токарева Н.Е. Оценка скорости разложения полиэтилена с добавкой D2W. В сб.: Инновационные факторы развития транспорта. Теория и практика. Материалы международной научно-практической конференции. Новосибирск: СГУПС; 2018. С. 79-81.

24. Обыденова А.А., Мяленко Д.М. Исследование физико-механических и органолептических характеристики биоразлагаемой полимерной упаковки на основе полиэтилена, модифицированного оксо-добавкой D2W. В сб.: Пищевые инновации и биотехнологии. Сборник тезисов X Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Т. 1. Кемерово: КемГУ; 2022. С. 298-300.

25. Ершова О.В., Бодьян Л.А., Пономарев А.П., Бахаева А.Н. Влияние химической деструкции на изменение физико-механических свойств упаковочных полимерных пленок с добавкой D2W. Современные проблемы науки и образования. 2015;1(1):1981.

26. Луканина Ю.К., Хватов А.В., Королева А.В., Попов А.А., Колесникова Н.Н. Оксо-разлагающая добавка к полиолефинам: Пат. 2540273 C1 РФ. Заявка № 2013155023/04; заявл. 12.12.2013; опубл. 10.02.2015.