Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Концепция биодеградации полимерных композиционных материалов
1.1. Биодеградируемые материалы 11
1.2. Биотехнология деградируемых полимеров
1.2.1. Полигидроксиалканоаты 14
1.2.2. Полимерные материалы на основе крахмала 19
1.2.3. Полилактид и его сополимеры 22
1.2.4. Протеинсодержащие полимеры 26
1.2.5. Алифатические -ароматические сополимеры 30
1.3. Методологическая оценка биодеградируемости полимеров в проблеме охраны окружающей среды 33
1.4. Полимерные биодеструкторы 36
1.5. Биоповреждения синтетических полимерных материалов 53
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования 59
ГЛАВА 3. Физико-химические принципы создания биоразлагаемых композиционных систем с использованием наполнителей и полимеров различной химической природы
3.1. Исследование деформационно-прочностных свойств ПКМ на основе полимеров различной химической структуры при наполнении двумя типами наполнителей 72
3.2. Прогнозирование физико-механических свойств многокомпонентных ПКМ 86
3.3. Роль наполнителей в процессе формирования ПКМ 89
Заключение 99
ГЛАВА 4. Влияние условий окружающей среды на свойства полимеров и ПКМ
4.1. Свойства полимеров и ІЖМ, обусловленные воздействием агрессивных сред (воды) 101
4.2. Экономический эффект от пролонгированного выноса питательных веществ в окружающую среду 113
4.3. Свойства исследуемых материалов при инкубировании в почвах
Заключение 125
ГЛАВА 5. Биоповреждения промышленных полимеров под действием почвенных микромицетов
5:1. Исследования почвенной микробиоты в контакте с ПКМ и полимерами . . 127
5.2. Биоповреждения термпопластичного полиуретана 138
5.3. Биоповреждения поливинилового спирта 148
5.4. Бирповреждения сополимера акриловой кислоты и стирола 155
5.5. Биоповреждения полиамида 163
5.6. Биоповреждения севилена 165
Заключение 170
ГЛАВА 6. Общие и специфические особенности биодеструкции ПКМ на основе синтетических полимеров 174
ГЛАВА 7. Экртоксикологические исследования безопасности утилизации ПКМ 178
ВЫВОДЫ 183
ЛИТЕРАТУРА 187
ПРИЛОЖЕНИЯ 220
- Полигидроксиалканоаты
- Объекты и методы исследования
- Исследование деформационно-прочностных свойств ПКМ на основе полимеров различной химической структуры при наполнении двумя типами наполнителей
Введение к работе
Актуальность темы. Рациональное природопользование входит в перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации (№Пр-843 от 21 мая 2006), поэтому проблема загрязнения окружающей среды отходами перерабатывающих отраслей промышленности на сегодня является актуальной.
Высокие темпы роста производства и потребления пластмасс, характерные для развитых в промышленном отношении стран, обусловили возникновение относительно новой проблемы уничтожения и утилизации пластмасс.
В России годовой уровень накопления полимерных отходов составляет 0,71 млн. т. При этом доля использования отходов в качестве вторичного сырья составляет 4,2% (журнал «Вторичные ресурсы», 2006). В Европе объем производства полимерных материалов составляет
47,5 млн. т, из которых 10% используются вторично (материалы Первой Международной конференции по биоразлагаемым полимерам, Испания, На сегодняшний день под неоспоримо биоразлагаемыми полимерами принимаются полилактид и полигидроксибутират, получаемые микробиологическим способом, сополимеры на их основе, называемые иногда биополимерами. Механизм деградации биополимеров изучен достаточно хорошо и представляет собой: деполимеризацию (как ферментативную, так и без биокатализа) и минерализацию. В нашей стране отечественное промышленное производство биополимеров биотехнологическим путем в настоящее время отсутствует.
Механизм биодеградации полимеров медико-биологического назначения приводится в книге проф. Штильмана М.И. (2006), где в качестве биоразлагаемых полимеров рассматриваются полигликолид, сополимер гликолевой и молочной кислоты и, в меньшей степени, сегментированные полиуретаны, поликапроамид, полидодекаамид, поликарбонат.
Многие ученые в нашей стране и за рубежом уделяли и уделяют внимание созданию экологически чистых (биоразлагаемых) полимеров и композитов: В.АКаргин, Н.М.Эмануэль, Н.А.Платэ, А.А.Берлин, А.Л.Бучаченко, Г.Е.Заиков, D.L. Kaplan, J.E.Guillett, A.Jimenez, AD'Amore... Однако эта проблема еще далека от полного решения.
В связи с огромным ростом производства синтетических полимеров, необходимо изыскивать пути их утилизации. Как нам кажется, наиболее перспективным является создание с их использованием гибридных биоразлагаемых высоконаполненных композитов. При этом в качестве наполнителей целесообразно использовать отходы других производств, подлежащих утилизации.
В качестве биоразлагаемых компонентов были использованы различные отходы пищевой промышленности: в частности, отходы обработки зерна. Объем производства зерна в России только за один год (с 2006 по 2007) увеличился приблизительно в 2 раза (журнал «Пищевая промьпгшенность», 2007); доля органических отходов при обмолоте составляет 20-25%.
Все это свидетельствует об актуальности и важности постановки исследований, связанных с проблемой получения гибридных высоконаполненных композитов и утилизации отходов перерабатывающих отраслей промышленности, не наносящей вредного воздействия на формирование экологически доброкачественной среды обитания человека.
Цель и основные задачи исследования. Цель работы - создание гибридных высоконаполненных композиций с регулируемыми физикомеханическими свойствами на основе синтетических полимеров,' органических и неорганических наполнителей (ПКМ), оценка их биоразлагаемости при инкубировании в почвах, экспериментальное обоснование экотоксикологической безопасности утилизации в почвах.
Поставленная цель достигалась решением следующих задач:
• Исследование роли органического и неорганического наполнителя в создании высоконаполненных гибридных ПКМ.
• Разработка технологических режимов получения гибридных композитов.
• Изучение механизма биоразлагаемости гибридных композитов:
• мониторинг почвенных биодеструкторов;
• мониторинг изменений свойств ПКМ и полимеров при инкубировании в почвах;
• скрининг продуктов взаимодействия синтетических полимеров с почвенными микромицетами.
• Проведение экотоксикологических исследований безопасности утилизации композитов при инкубировании в почве.
Научная новизна выносимых на защиту результатов работы.
Обоснована возможность создания высоконаполненных гибридных биоразлагаемых композитов с использованием синтетических полимеров, органических и неорганических наполнителей и их использования для изготовления изделий сельскохозяйственного назначения. -" Показан «эффект обращения усиливающего действия наполнителей», разработаны математические модели, позволяющие прогнозировать физико-механические свойства ПКМ и изделий целевого назначения.
Установлена более высокая степень разложения ПКМ за счет создания рыхлой структуры композита при введении используемых наполнителей.
Выявлена сукцессия почвенных микроорганизмов на поверхности ряда полимеров и композитов на их основе в процессе инкубации образцов в почвах.
Показаны эффекты хаотичной иммобилизации микромицетов на поверхности синтетических полимеров и ПКМ и избирательность их воздействия на исследуемые материалы. Адгезионно закрепивпшсь на поверхности, грибы формируют вокруг себя микросферу, специфичную для каждой пары полимер-микроорганизм.
Для каждого полимерного материала и, соответственно, ПКМ выявлены почвенные микромицеты - биодеструкторы, вызывающие биоповреждения.
Установлены закономерности биоповреждений синтетических полимеров под действием биодеструкторов за счет деструкции как основной цепи, боковых групп, так и добавок, присутствуюпщх в полимерах.
Установлен механизм биоповреждений гибридных композитов в условиях воздействия почвенных микроорганизмов, заключающийся в повторяющемся прохождении процессов: поверхностная биокоррозия, образование более пористой структуры ПКМ (за счет «отрицательного вымывания», и «расходования» наполнителей), внутренняя биокоррозия (за счет адгезиошюго закрепления микромицетов на внутренних неровностях ПКМ), распространение эрозии, фрагментация ПКМ. Впервые показана активная роль микромицетов Clonostachys rosea f.
catenulata (J.C.Gilman et E.V.Abbott) Schroers (BKM-3955), Clonostachys solani (Harting) Schroers et W.Gams (BKM-3964), Thrichoderma harzianum Rifai (BKM-3962) в биодеструкции полимеров: в частности, Clonostachys rosea вызывает биоповерждения поливинилового спирта, Clonostachys solani - полиуретана и латексов на основе акриловой кислоты, Thrichoderma harzianum - полиуретана, поливиниловых спиртов, латексов на основе акриловой кислоты, севиленов. Семнадцать штаммов почвенных микромицетов - полимерных биодеструкторов приняты в коллекцию ВКМ. Практическая значимость работы. Показана возможность утилизации органических отходов перерабатывающих отраслей промышленности.
Разработаны технологические режимы получения высоконаполненных гибридных ПКМ на основе синтетических полимеров и двух типов наполнителей (органической и неорганической
природы). Показана возможность их использования для изготовления изделий сельскохозяйственного назначения при регулировании выноса питательных веществ с целенаправленным воздействием на окружающую среду.
Выявлено, что высоконаполненные композиционные материалы (содержание синтетического пластика не более 20%) являются экологически безопасными для окружающей среды, биоразлагаемыми в естественных условиях инкубирования в почве.
Положения, сформулированные в работе, ряд экспериментальных результатов и предложенных методов включены в качестве учебного материала при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплинам «Полимерное материаловедение», «Микробные биотехнологии в сельском хозяйстве», «Экологическая биотехнология».
Работа выполнена в рамках программы «Проблемы общей биологии и экологии: рациональное использование биологических ресурсов» (Программа утверждена 2 сентября 1998 за №51 на Ученом совете РАН по «Проблемам биоповреждений», раздел 5 «Разработка методов ускоренной деструкции и утилизации нежелательных отходов различных отраслей промышленности с помощью микроорганизмовбиодеструкторов») и при поддержке гранта РФФИ 06-08-01044-а «Экологически чистые биоразлагаемые композиционные полимерные материалы с регулируемым сроком службы для нужд сельского хозяйства».
Достоверность проведенных исследований, научных положений, выводов и рекомендаций, полученных в работе, подтверждается согласованностью результатов экспериментальных исследований, выполненных с применением современных методов и статистической обработкой данных, а также апробацией полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты были доложены и обсуждены на Второй ежегодной конференции ИБХФ - ВУЗы (г.
Москва, 2002), на конференции по современным проблемам биологических повреждений материалов «Биоповреждения - 2002»
(г.Пенза), на 5 Международной научно-технической конференци «Пища, экология, человек» (г. Москва, 2003), на конференции «Биотехнология и окружающая среда» (г. Москва, 2005), на Международной химической ассамблее ICA-2006 «Полимерные материалы XXI» (г.Москва, 2006), на IV Всероссийской Каргинской конференции (Москва, МГУ, 2007), на IV Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (г.Москва, 2007), на XV Международной конференции по крахмалу (Москва-Краков, 2007), на XIV Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем» (г. Яльчик, 2007), на Международной научной конференции «СП. Костычев и современная сельскохозяйственная микробиология» (Украина, 2007), на Первой Международной конференции «Биоповреждения полимерных материалов» (Испания, 2007), на Втором съезде микологов России (Москва, 2008).
Личный вклад автора состоит в определении и формировании основной идеи и темы диссертации, разработке методов научных исследований, постановке и решении основных теоретических проблем, проведении экспериментальных исследований по данному направлению.
Публикации. Диссертация обобщает исследования автора за последние десять лет. Основные результаты работ опубликованы в 59 печатных работах, из них 2 патента, 1 заявка на изобретение, 3 монографии (одна на английском языке), 5 методических указаний.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 246 страницах машинописного текста, включает 40 таблиц, 57 рисунков, состоит из введения, обзора литературы, семи глав экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы, содержащего 411 источников.
Полигидроксиалканоаты
Полигидроксиалканоаты (РИА) - этот термин дан для обозначения группы полиэфиров, полученных биотехнологическим способом. Самый распространенный среди них - термопласт поли [R-3-гидрооксибитурат] (Р[ЗНВ]).
Полигидроксиалканоатные фрагменты хранятся в форме нерастворимых водных включений в цитоплазме клеток микроорганизмов. Полиэфир поддерживается в аморфном состоянии in vivo [37]. После изоляции материал характеризуется высокой молекулярной массой, прозрачностью и приобретает свойства, сопоставимые со свойствами полипропилена [38].
Научные исследования РНА были начаты четыре десятилетия назад [39], материал интересен для использования, благодаря безвредным для окружающей среды свойствам. Микроорганизмы способны синтезировать различные типы РБА в зависимости от доступного источника углерода и происходящих биохимических процессов в клетке. В настоящее время стало возможным синтезировать различные гомо- и сополимеры РНА, которые имеют заведомо определенный состав [40,41].
Из всех микробиально синтезированных полигидроксиалканоатов полигидроксибутират Р[ЗНВ] был идентифицирован первым, который и на сегодня является самым распространенным. Полигидроксибутираты подразделяются на три группы: с низкой молекулярной массой (степень полимеризации - 120-200), высокой молекулярной массой (степень полимеризации - 1000-20000) и ультравысокой молекулярной массой (степень полимеризации - около 100 000).
Низкомолекулярный Р[ЗНВ] в клетках эукариотов [42,43] находится в виде ассоциатов (растворимых или не растворимых в хлороформе в зависимости от размеров), макромолекулы которых могут быть связаны нековалентными связями с солями полифосфата и ковалентными связями с белками, отвечая при этом за транспортировку 9-4 ионов Са через мембрану клетки [44,45].
В отличие от низкомолекулярного Р[ЗНВ], высокомолекулярный Р[ЗНВ] синтезируется и накапливается в форме водных нерастворимых субстанций, включенных в цитоплазму клетки. В 1960 - 70-х гг., большое внимание было уделено Р[ЗНВ] — из-за его термопластических свойств [46].
Недавно было налажено производство ультра высокомолекулярных Р[ЗНВ] при использовании рекомбинантного гена Escherichia coli, выращенного при определенных условиях брожения [43]. Приготовленная пленка была полностью разрушена при 25С в пресноводной реке в течение трех недель [47].
Полигироксибутираты Р[ЗНВ], полученные из различных биологических источников, обладают исключительной стереохимической регулярностью, изотактичны, степень кристалличности варьируется от 55% до 80% , температура плавления около 180С, имеют сферолитную надмолекулярную структуру [48,49].
Существенное усовершенствование свойств Р[ЗНВ] было достигнуто путем введения второго мономера в цепь. Гидроксивалерат (3HV) был сначала идентифицирован как гомополимер в 1970 [41]. Гомополимер поли[Д-3-гидроксивалерат] (P[3HV]) получается при помощи микроорганизма Rhodococcus sp. [50], Chromobacterium violaceum [51], рекомбинантного гена Я. eutropha FHB-4 [52].
Для ферментативного получения сополимера поли[3 гидрокоибутирата-3-гидроксивалерата] (P[3HB-co-3HV]) был отобран непатогенный Ralstonia eutropha (прежде известный как Alcaligenes eutrophus). Изменяя содержание второго мономера, можно получать РНА с прогнозируемыми свойствами [38, 53, 54]. Изучение поведения сополимеров P[3HB-co-3HV] привело к открытию явления изодиморфизма [55]. Сополимер P[3HB-co-3HV] был продан под торговой маркой BIOPOL.
Самый легкий способ управлять содержанием мономера 3HV в сополимере P[3HB-co-3HV] - изменять концентрацию источника углерода. Было выяснено, например, что при использовании различных соотношений масляной и пентановой кислот, R. eutropha (NCEB 11599) может производить P[3HB-co-3HV] сополимеры, содержащие широкий диапазон (0-85 масс. % ) звеньев 3HV.
Объекты и методы исследования
Композиционные материалы формируются на основе различных классов полимеров: эластомеров, реакто- и термопластов, находящихся в аморфном состоянии или же способных в определенных условиях к кристаллизации. Одним из наиболее эффективных и экономически выгодных способов утилизации пластиков и отходов зернового производства является формирование полимерных композиционных материалов (ІЖМ) путем введения в крупнотоннажный полимер дисперсных наполнителей органической и неорганической природы. Влияние вводимых в полимер наполнителей на свойства образующейся композиции определяется тем, что, во-первых, наполнители влияют на процесс формирования структуры полимера и, во-вторых, их присутствие в уже сформированном полимерном материале сказывается на его свойствах при различных воздействиях в условиях эксплуатации. Все это зависит от размера и формы состояния поверхности, характера распределения частиц наполнителя и их концентрации в композиционном материале, а также химической природы, фазового и физического состояния полимерной матрицы.
При выборе связующих, обладающих необходимыми свойствами, возникает целый ряд вопросов, относящихся к проблемам общей химии, физики и химии полимеров. Для полимеризационноспособных или конденсационных связующих эти вопросы связанны с выяснением кинетики, термодинамики и детального изучения механизмов процессов отверждения связующего, реологических свойств связующего, как функции степени его отверждения и температуры. Для термопластичных связующих - с влиянием наполнителей на вязкость расплавов, кинетику и термодинамику формирования структур.
При использовании дисперсных наполнителей поиск, как правило, носит эмпирический, часто не обоснованный характер, так как требования к дисперсным наполнителям пластических масс еще четко не сформулированы из-за отсутствия общих критериев.
На сегодняшний день остается эмпирический подход к выбору наполнителя и связующего с точки зрения создания упрочненных и удешевленных систем.
Пути получения композиционных полимерных материалов с заданным комплексом свойств, в том числе и создание биоразлагаемых композиционных материалов, важно решать одновременно с выбором нужных компонентов и соответствующей технологии, то есть технология и состав ПКМ являются взаимосвязанными.
Объектами исследования служили композиционные материалы на основе синтетических полимеров как термопластичных, так и термореактивных, табл. 11-12. Критерием выбора указанных полимеров является наличие у них функциональных групп. Другой важный фактор - относительно низкая температура переработки таких полимеров (130-150С), что важно с точки зрения сохранения свойств наполнителей, вводимых в композицию. Макромолекулы полимеров в своем составе не содержат фрагменты, которые при деструкции могли бы дать токсичные соединения, и включают функциональные группы, позволяющие предположить относительно быструю деструкцию.
Исследование деформационно-прочностных свойств ПКМ на основе полимеров различной химической структуры при наполнении двумя типами наполнителей
В настоящее время подавляющее большинство полимеров применяют в виде композиционных материалов (ІЖМ). Свойства ПКМ, как правило, не являются суммой свойств его составляющих, а определяются разнообразием химических и физических процессов в результате взаимодействия компонентов на границе раздела фаз. Введение наполнителя в полимеры приводит к существенным изменениям подвижности макромолекул в граничных слоях, различными видами взаимодействия полимеров с поверхностью наполнителя, влиянием наполнителя на структуру полимера, образующуюся в процессе получения и эксплуатации ПКМ [374-378]. Однако исследованию физико-механических свойств высоконаполненных материалов, состоящих из полимерной матрицы и смеси наполнителей различной природы, придающих биоповреждаемость композиции в целом, уделено недостаточное внимание. При исследовании физико-механических свойств ПКМ на основе ПА (скорость деформирования 100 мм/мин.) для двухкомпонентных систем было замечено, что при введении в композицию неорганического наполнителя до 10% разрушающее напряжение незначительно падает, рис. 5. Это связано с тем, что наполнитель при малой его концентрации в ПКМ и в отсутствии агрегации порошкообразных частиц выполняет роль концентратора внутренних напряжений и служит потенциальным источником роста трещин [374]. При увеличении концентрации неорганического наполнителя до 30 % прочность ПКМ увеличивается в 2,5 раза и объясняется тем, что с дальнейшим увеличением содержания наполнителя создается больше препятствий для развития трещин, вследствие чего происходит торможение процессов разрушения.
Для высоконаполненных ПКМ характерно снижение прочности с увеличением содержания наполнителя. При концентрации неорганического наполнителя в количестве 75% образцы становятся очень хрупкими, имеют прочность на порядок ниже, чем у исходных образцов. Относительное удлинение при разрыве для всех образцов уменьшается и в конечном итоге становится в 2 раза меньше, чем у исходного образца. Для двухкомпонентных ПКМ с органическим наполнителем прослеживается аналогичная закономерность, т.е. наблюдается относительное упрочнение системы при малой концентрации наполнителя (до 10%), которое не столь значительно, как в двухкомпонентной системе с неорганическим наполнителем (увеличение прочности - в 1,5 раза).
При создании двухкомпонентных систем на основе севилена, независимо от исследованных марок, и при одноосной деформации 100 мм/мин. «эффект временного обращения усиливающего действия наполнителей», впервые описанный в работе [379], не обнаружен: с увеличением содержания как органического, так и неорганического наполнителя прочность и относительное удлинение снижаются, рис. 6,7. В случае наполнения органическим наполнителем образцы становятся более жесткими (модуль возрастает), при введении неорганического наполнителя даже при большой его концентрации (масс. 60%) образцы сохраняют относительно высокую пластичность (деформация при разрушении составляет 400%).
На рис. 8, 9. представлены электронно-микроскопические фотографии поверхности скола ПКМ на основе ПА и севилена. Видно, что системы гетерогенны. Введение органического наполнителя приводит к получению более однородных систем при одинаковом наполнении, чем введение неорганического наполнителя. Системы с неорганическим наполнителем включают как кристаллиты солей наполнителя, так и их более сложные образования. Распределение неорганического наполнителя в среде севилена отлично от его распределения в среде ПА, рис. 9 (1-3).
