Газопроницаемость пленок на основе смесей полиэтиленов низкой плотности – сэвиленов с целлюлозосодержащими наполнителями

Цели. Изучение свойств газопроницаемости биокомпозитных материалов на основе синтетических полимеров и природных наполнителей.

Методы. Объектами исследования являлись смеси полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) и сополимера этилена с винилацетатом (СЭВА), при различном соотношении ПЭНП/СЭВА, а также биокомпозиты на основе данных полимеров с природными целлюлозосодержащими наполнителями (древесная мука (ДМ) и микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ)). У полученных композитов манометрическим методом определяли коэффициенты газопроницаемости, диффузии и растворимости по кислороду. Рассматривалась зависимость диффузионных свойств полимерных смесей состава ПЭНП/СЭВА и биокомпозитов состава ПЭНП/СЭВА/природный наполнитель от содержания СЭВА в композитах.

Результаты. Показано, что с увеличением содержания СЭВА в полимерной матрице увеличивается коэффициент газопроницаемости, коэффициент диффузии кислорода и его растворимость. Показана разница диффузионных характеристик биокомпозиционных материалов, полученных с использованием твердых частиц наполнителей, существенно различающихся по своей форме. Дана интерпретация полученных результатов, объясняющая снижение диффузии повышением жесткости биокомпозитов.

Выводы. С повышением содержания СЭВА в смеси с ПЭНП линейно увеличивается газопроницаемость по кислороду. Также при этом увеличиваются диффузия и растворимость кислорода в пленке. При введении целлюлозосодержащего наполнителя, газопроницаемость композитов падает практически в два раза. Очевидно, что снижение газопроницаемости связано с морфологией частиц наполнителя, увеличивающего путь молекулам газа. Растворимость кислорода для композитов с МКЦ и ДМ не одинакова, что связано с формой частиц наполнителей. Шероховатые и более вытянутые частицы ДМ формируют более жесткую, менее проницаемую структуру биокомпозита, чем гладкие сферические частицы МКЦ.

1. Chamas A., Moon H., Zheng J., Qiu Y., Tabassum T., Jang J.H., Abu-Omar M., Scott S.L., Suh S. Degradation Rates of Plastics in the Environment. ACS Sustainable Chem. Eng. 2020;8(9):3494–3511. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b06635

2. Wang Y., Feng G., Lin N., Lan H., Li Q., Yao D., Tang J. A review of degradation and life prediction of polyethylene. Appl. Sci. 2023;13(5):3045. https://doi.org/10.3390/app13053045

3. Ali S.S., Elsamahy T., Al-Tohamy R., Zhu D., Mahmoud Y.A.G., Koutra E., Metwally M.A., Kornaros M., Sun J. Plastic wastes biodegradation: Mechanisms, challenges and future prospect. Sci. Total Environ. 2021;780:146590. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.146590

4. Tiago G.A.O., Mariquito A., Martins-Dias S., Marques A.С. The problem of polyethylene waste – recent attempts for its mitigation. Sci. Total Environ. 2023;892:164629. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.164629

5. Kantelberg R., Achenbach T., Kirch A., Reineke S. In-plane oxygen diffusion measurements in polymer films using timeresolved imaging of programmable luminescent tags. Sci. Rep. 2024;14(1):5826. https://doi.org/10.1038/s41598-024-56237-5

6. Полимерные пленки; пер. с англ.; под ред. Г.Е. Заикова. СПб.: Профессия; 2010. 352 с.

7. Exama A., Arul J., Lencki R.W., Lee L.Z., Toupin C. Suitability of plastic films for modified atmosphere packaging of fruits and vegetables. J. Food Sci. 1993;58(6):1365–1370. https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.1993.tb06184.x

8. Ahvenainen R. Active and inteligente packaging: An introduction. In: Ahvenainen R. (Ed.). Novel Food Packaging Technology. Cambridge: Published in CRC Press, Boca, Raton, Boston, New York, Washinton, DC and Published by Woodhead Publishing, Ltd.; 2003. P. 5–21. http://doi.org/10.1533/9781855737020.1.5

9. Yasuda H., Clark H.G., Stannett V. Permeability. In: Encyclopedia Polymer Science and Technology. 1969;9:794–807.

10. Khaliq M.H., Gomes R., Fernandes C., Nóbrega J., Carneiro O.S., Ferrás L.L. On the use of high viscosity polymers in the fused filament fabrication process. Rapid Prototyping J. 2017;23(4):727. https://doi.org/10.1108/rpj-02-2016-0027

11. Козлов П.В., Брагинский Г.И. Химия и технология полимерных пленок. М.: Искусство; 1965. 624 с.

12. Барашков Н.Н. Полимерные композиты: получение, свойства, применение. М.: Наука; 1984. 129 с.

13. Blanchard R., Ogunsona E.O., Hojabr S., Berry R., Mekonnen T.H. Synergistic cross-linking and reinforcing enhancement of rubber latex with cellulose nanocrystals for glove applications. ACS Appl. Polym. Mater. 2020;2(2): 887–898. https://doi.org/10.1021/acsapm.9b01117

14. Varghese S.A., Pulikkalparambil H., Rangappa S.M., Siengchin S., Parameswaranpillai J. Novel biodegradable polymer films based on poly(3-hydroxybutyrate-co-3- hydroxyvalerate) and Ceiba pentandra natural fibers for packaging applications. Food Packaging and Shelf Life. 2020;25(5):100538. https://doi.org/10.1016/j.fpsl.2020.100538

15. Бордюгова С.С., Белянская Е.В., Зайцева А.А., Пащенко О.А., Коновалова О.В. Показатели газопроницаемости биодеградируемых пленок на основе желатина. Научный вестник Луганского государственного аграрного университета. 2021;4(13):84–90.

16. Kuzmin A., Ashori A., Pantyukhov P., Zhou Y., Guan L., Hu C. Mechanical, thermal, and water absorption properties of HDPE/ barley straw composites incorporating waste rubber. Sci. Rep. 2024;14:25232. https://doi.org/10.1038/s41598-024-76337-6

17. Kristine V.A. Polysaccharides for biodegradable packaging materials: past, present, and future (Brief Review). Polymers. 2023;15(2):451. https://doi.org/10.3390/polym15020451

18. Schneider M., Finimundi N., Podzorova M., Pantyukhov P., Poletto M. Assessment of morphological, physical, thermal, and thermal conductivity properties of polypropylene/ lignosulfonate blends. Materials. 2021;14(3):543. https://doi.org/10.3390/ma14030543

19. Shelenkov P.G., Pantyukhov P.V., Aleshinskaya S.V., Maltsev A.A., Abushakhmanova Z.R., Popov A.A., Saavedra-Arias J.J., Poletto M. Thermal stability of highly filled cellulosic biocomposites based on ethylene-vinyl acetate copolymer. Polymers. 2024;16(15):2103. https://doi.org/10.3390/polym16152103

20. Пантюхов П.В., Хватов А.В., Монахова Т.В., Попов А.А., Колесникова Н.Н. Деструкция материалов на основе ПЭВД и природных наполнителей. Пластические массы. 2012;2:40–42. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17743233

21. Шабарин А.А., Шабарин А.А., Водяков В.Н., Кузьмин А.М. Биоразлагаемые композиционные материалы на основе полиолефинов и пивной дробины. Вестник Технологического университета. 2016;19(17):67–70.

22. Луканина Ю.К., Пантюхов П.В., Хватов А.В., Королева А.В., Колесникова Н.Н., Лихачев А.Н., Попов А.А. Биоповреждение материалов на основе полиэтилена и древесной муки. Все материалы. Энциклопедический справочник. 2014;1:2–7.

23. Роговина С.З., Ломакин С.М., Алексанян К.В., Прут Э.В. Структура, свойства и термическая деструкция биоразлагаемых смесей на основе целлюлозы и этилцеллюлозы с синтетическими полимерами. Химическая физика. 2012;31(6):54–62.

24. Shelenkov P.G., Pantyukhov P.V., Poletto M., Popov A.A. Influence of vinyl acetate content and melt flow index of ethylenevinyl acetate copolymer on physico-mechanical and physicochemical properties of highly filled biocomposites. Polymers. 2023;15(12):2639. https://doi.org/10.3390/polym15122639

25. Shelenkov P.G., Pantyukhov P.V., Popov A.A. Mechanical properties of superconcentrates based on ethylene-vinyl acetate copolymer and microcrystalline cellulose. Mater. Sci. Forum. 2020;992:306–310. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.992.306

26. Shelenkov P.G., Pantyukhov P.V., Popov A.A. Highly filled biocomposites based on ethylene-vinyl acetate copolymer and wood flour. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2018;369(1):012043. https://doi.org/10.1088/1757-899X/369/1/012043

27. Pantyukhov P., Zykova A., Popov A. Ethylene-octene copolymer-wood flour/oil flax straw biocomposites: Effect of filler type and content on mechanical properties. Polym. Eng. Sci. 2017;57(7):756–763. https://doi.org/10.1002/pen.24626

28. Sorz J., Hietz P. Gas diffusion through wood: implications for oxygen supply. Trees. 2006;20:34–41. https://doi.org/10.1007/s00468-005-0010-x

29. Alamo-Sanza del M., Cárcel L.M., Nevares I. Characterization of the oxygen transmission rate of oak wood species used in cooperage. J. Agric. Food Chem. 2017;65(3):648–655. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.6b05188

30. Zykova A.K., Pantyukhov P.V., Kolesnikova N.N., Monakhova T.V., Popov A.A. Influence of filler particle size on physical properties and biodegradation of biocomposites based on low-density polyethylene and lignocellulosic fillers. J. Polym. Environ. 2018;26:1343–1354. https://doi.org/10.1007/s10924-017-1039-9.