Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Литературный обзор 10-45
1.1. Основные направления создания полимерных материалов с регулируемым сроком службы. 10-12
1.2. Влияние некоторых физических и химических факторов старения на полимерные материалы. 12-20
1.3. Резистентность полимерных материалов при воздействии на них микромицетов. 21-27
1.4. Факторы, влияющие на активность грибов-деструкторов естественных и промышленных субстратов. 27-35
1.5. Методы оценки биологической деструкции материалов. 35-40
1.6. Свойства и применение СЭВА и ТПК. 40-44
Заключение по литературному обзору. 44-45
Глава II. Методическая часть 46-60
2.1. Объекты исследования. 46-47
2.2. Модификация кукурузного крахмала. 48
2.3. Экструзия многокомпонентной системы СЭВА-ТПК и прессование на ее основы пленок . 48-49
2.4. Методы исследования. 49-60
2.4.1. Метод дифференциальной сканирующей калориметрии. 49-50
2.4.2. Ренгеноструктурный анализ. 51
2.4.3. Метод инфракрасной спектроскопии. 52
2.4.4. Термогравиметрический анализ. 5 3
2.4.5. Электронная растровая микроскопия. 53
2.4.6. Просвечивающая световая микроскопия. 53-54
2.4.7. Модельные эксперименты воздействия агрессивных сред.
2.4.8. Методика определения устойчивости пленок в водной среде. 55-56
2.4.9. Методы оценки влияния условий культивирования микромицетов на их коррозийную способность. 56-58
2.4.10. Определение индекса биологической деструкции. 58-60
ГЛАВА III. Экспериментальная часть. 61-102
3.1. Исследование структуры СЭВА. 62-70
3.2. Исследование морфологических особенностей смеси СЭВА-ТПК. 70-74
3.3. Исследование высокотемпературных процессов, протекающих в СЭВА и СЭВА-ТПК. 74-82
3.4. Исследование воздействия агрессивных сред, как модельных субстанций метаболизма микроорганизмов, на полимерные материалы. 83-102
3.4.1. Исследование гидролитического действия воды на изучаемые системы. 83-85
3.4.2. Исследование воздействия агрессивных сред на СЭВА и
СЭВА-ТПК. Водные растворы органических кислот. 85-93
3.4.3.Исследование биологической деструкции СЭВА и СЭВА-
ТПК под воздействием микромицетов. 93-102
Общие выводы по работе 103-104
Литература
- Влияние некоторых физических и химических факторов старения на полимерные материалы.
- Экструзия многокомпонентной системы СЭВА-ТПК и прессование на ее основы пленок
- Модельные эксперименты воздействия агрессивных сред.
- Исследование высокотемпературных процессов, протекающих в СЭВА и СЭВА-ТПК.
Введение к работе
В нашу повседневную жизнь прочно вошли изделия из полимерных материалов как бытового, так и промышленного назначения. Наращивание объемов выпускаемых полимерных изделий ставит проблему их утилизации.
Идея создания биологически разрушаемых материалов возникла и получила развитие в конце 60-х начале 70-х годов прошлого века. Результатом научных разработок в реализации этой цели явилось создание полимерных материалов с регулируемым сроком службы. Однако, они не получили широкого промышленного применения вследствие их дороговизны по сравнению с традиционными синтетическими полимерными материалами, такими как ПЭ, ПП, ПА и т.д.
В настоящее время мировой выпуск полимерных материалов и изделий из них составляет около 80 млн. тонн/год. По состоянию на 2000 год в России ежегодно образуется 12 млн. тонн отходов тары и упаковки, из них собирается и подвергается захоронению на полигонах твердых бытовых отходов порядка 50% всей упаковки. Однако этот простой способ сопровождают следующие проблемы: чрезмерно быстрое переполнение существующих полигонов из-за большого объема и малой1 плотности размещаемых отходов; заражение подземных вод выщелачиваемыми продуктами; самопроизвольное возгорание полигонов; бесконтрольное образование метана и др.
Значительная часть использованной тары и упаковки перерабатывается на мусоросжигательных заводах, что ведет к загрязнению воздуха мелкодисперсной пылью, оксидами серы и азота, фуранами и диоксинами. Серьезные проблемы возникают также с захоронением золы образующейся при сжигании мусора, которая по весу составляет до 30% от исходного веса отходов и которая в силу своих физических и химических свойств не может быть захоронена на обычных свалках.
В связи с этим в настоящее время наблюдается вторая волна заинтересованности в создании и производстве биоразлагаемых полимеров.
Сочетание синтетического полимера, характеризующегося относительной стойкостью к действиям различных факторов окружающей среды, и природного, наделенного способностью разлагаться под воздействием микроорганизмов почвы, придает материалу комплекс свойств, присущих обоим видам полимеров.
Лидирующее место среди индустриально выпускаемых крупнотоннажных полимеров принадлежит полиолефинам, и в первую очередь это полиэтилен и сополимеры на его основе, естественное разложение которых длится многие десятилетия. Следовательно, возникает необходимость модификации полимерной матрицы таким образом, чтобы по истечению срока эксплуатации полимерного изделия была возможна его ускоренная утилизация под воздействием микробиоты в условиях свалки. Одним из приоритетных путей решения задач экологического характера является создание смесевых композиций на основе полиэтилена, в объем которого включен природный компонент - чаще всего крахмал либо его производные.
Актуальность работы. Исследования, проводимые в рамках данной работы, направлены на изучение смесевых композиций на основе модифицированного полиэтилена с термопластичным крахмалом и оценку степени биодеградации под воздействием ряда микромицетов. Это позволит развить основы создания биоразрушаемых полимерных материалов, создать теоретическую основу подбора компонентов смесевых композиций на основе сополимера этилена с винилацетатом и разработке подходов его утилизации с помощью биотехнологий.
Применение совокупности физико-химических и использование классических и оригинальных методов, принятых в микологии, фитопатологии, молекулярной биологии позволит исследовать этапы биоконверсии и физико-химические изменения полимерного материала, происходящие под влиянием биодеструкторов. Комплексное использование указанных выше методов является оригинальным подходом в этой области проведения экспериментальных работ.
Цель работы. Исследование структуры сополимера этилена и винилацетата (СЭВА) и его смесей с термопластичным крахмалом (ТПК) с целью установления корреляционной зависимости между морфологическими особенностями системы и подверженностью ее к биологической деструкции при поражении субстрата микромицетами в стационарных и меняющихся условиях многофакторного действия окружающей среды.
Моделирование раздельного или комплексного влияния факторов окружающей среды, (кислорода, температуры, агрессивных сред, микромицетов и их метаболитов) на биодеградацию полимера и выявление изменений с использованием физических методов исследований позволят проследить этапы деструкции материала, оценить роль каждого конкретного физического и« химического фактора воздействия.
Постановка задачи. Для успешного достижения вышеуказанных целей были поставлены следующие задачи:
? определить влияние винилацетатного компонента на морфологию СЭВА и смеси синтетического и природного полимеров, а также установить взаимосвязь структуры, полимерного материала и способности к биодеградации;
? изучить поведение полимерного материала при воздействии на него температурно-временного фактора;
? исследовать воздействие агрессивных сред, как модельных субстанций метаболизма микроорганизмов, на полимерные материалы, а именно:
= изучить влияние воды на процесс биодеградации полимерных материалов;
:= исследовать влияние агрессивных сред на СЭВА и СЭВА-ТПК (водных растворов органических кислот);
= исследовать биологическую деструкцию СЭВА и СЭВА-ТПК под воздействием микромицетов, что подразумевает выявление и отбор культур грибов, обладающих наибольшей способностью к обрастанию полимерного материала; отработать методы и условия их инокуляции для достижения наиболее- активного роста на изучаемом субстрате, качественной и количественной оценки степени биологической деструкции полимерного материала. Научная новизна. Проведенные исследования позволили установить определяющую роль вин ил ацетатных групп СЭВА в формировании надмолекулярной структуры сополимера и смеси на его основе. Впервые показана зависимость распределения крахмальной компоненты в синтетической матрице от содержания функциональных групп в сополимере этилена и винилацетата. Определено пороговое значение содержания! винилацетатных (ВА) групп в СЭВА, выше которого наблюдается резкое изменение ряда свойств смеси СЭВА-ТПК в целом. Впервые установлена зависимость глубинььбиологической деструкции от степени совместимости компонентов смеси, проведена ее оценка с использованием комплекса методов и выявлены основные условия для реализации биотехнологических разработок.
Апробация работы. По результатам работы опубликовано 6 статей, в том числе в зарубежных изданиях, 14 тезисов. Результаты были доложены и обсуждены на конференциях: IX конференция "Деструкция и стабилизация полимеров". 16-20 апреля 2001г. Москва; Первый съезд микологов России. Современная микология в России. Москва 2002г. (2 доклада); Вторая ежегодная молодежная конференция ИБХФ-ВУЗы "Биохимическая физика". 13-14 июня 2002г. Москва; 1-ый
Международный Конгресс "Биотехнология - состояние и перспективы развития". 14-18 октября 2002. Москва; 1-st International Congress Biotechnology - state of the art & prospects of development. Moscow, October, 14-18, 2002; XI International Starch Convention. Moscow-Cracow. Moscow, Russia, June 17-19, 2003; "Биология - наука XXI века". 7-ая Пущинская школа-конференция молодых ученых 14-18 апреля, 2003.
Работа выполнялась в соответствии с координационным планом Научного Совета РАН по биоповреждениям в рамках программы: "Проблемы общей биологии и экологии: рациональное использование биологических ресурсов (1998-2005 г.г.)". Направление 12 -"Экологические проблемы биоповреждений".
Влияние некоторых физических и химических факторов старения на полимерные материалы.
Синтетические полимерные материалы, обладая рядом достоинств, как-то устойчивость к различным факторам внешнего воздействия, по окончании срока эксплуатации ставят перед нами проблему утилизации таковых. На сегодняшний день существует несколько основных направлений решения данной задачи. Как правило, это захоронение (хранение отходов на полигонах) и утилизация (рециклизация, пиролиз, сжигание). Однако такой подход является экологически небезопасным. Одним из наиболее перспективных направлений в решении проблемы "полимерного мусора" является создание биодеградируемых полимерных материалов.
В работах [1-6] освещены основные направления поисковых и прикладных работ в области создания полимеров с регулируемым сроком службы. Среди приоритетных методов создания таких материалов следует отметить методы биотехнологии, основанные на ферментативном синтезе, осуществляемого в результате деятельности ряда микроорганизмов (Alcaligienes, Pseudomonas). В качестве субстрата используются сахара, спирты, органические кислоты. Среди представителей этого класса полимеров наиболее широко применение, при удовлетворении бытовых и технических потребностей общества, нашел термопласт - поли(3-гидроксибутират) (ПГБ).
Химическая модификация природных полимеров (крахмал, целлюлоза, хитозан и др.), либо получение механических смесей, на их основе, позволяют создавать композиционные материалы характеризующиеся удовлетворительными физико-механическими и эксплуатационными показателями. Возможность использования полисахаридов для создания полимерных материалов, в том числе с регулируемым сроком службы, отражена в ряде научных публикаций [7-11].
Известны и другие направления в создании и исследовании полимерных материалов, которые можно охарактеризовать - как склонные к ускоренной биодеградации. Основой материала такого типа служит, как правило, многотоннажный промышленный синтетический полимер (ПЭ, ПП, ПЭТФ, ПС и др). Введением в полимерную цепь хромофоров; облегчающих абсорбцию полимером УФ-лучей, добиваются фрагментации макромолекул, что в общем случае приводит к ускоренной деградации материала [12-14]. Так, методами направленного синтеза, часто на основе алифатических диолов и органических дикарбоновых кислот, моделируют полимеры, химическая природа которых близка или соответствует естественному кругообороту веществ в природе [5].
Для организации промышленного производства биодеградируемых полихмерных материалов большой интерес представляют крахмалонаполненные смеси на основе алифатических полимеров. Наполнение органическим веществом растительного происхождения традиционных синтетических полимеров, наделяет последние несвойственным для них качеством - склонностью к ускоренной деградации под воздействием факторов внешней среды, и микроорганизмов.
Обширный спектр публикаций, посвященных проблеме создания экологически безопасных материалов, различные пути и направления в решении этой проблемы, которые дискутируются в научной литературе, все это позволяет заключить, что и по сей день проблема актуальна и далека от решения.
Полимерный материал начиная со стадии производства, в процессе эксплуатации и утилизации испытает воздействие различных по своей природе факторов (Т, 02, hv и др.). В связи с этим, очевидна необходимость исследования поведения изучаемых материалов при воздействии на них вышеперечисленных факторов.
Естественное старение полимеров является результатом одновременного действия различных факторов химической природы (воды, кислот, спиртов, кислорода, озона и др.) и физической (тепла, света, ионизирующего излучения, механических воздействий и т.д.). Часто установить роль каждого из них в общей картине процесса деструкции полимера весьма затруднительно, поэтому исчерпывающие исследования влияния отдельных факторов либо их совместное или последовательное воздействие на тот или иной полимер способствуют выяснению механизма данного процесса [15, 16]. Основные типы реакций деструкции, характерные для полимерных материалов, детально рассмотрены в работах [15-18]. Терморазрушение
Экструзия многокомпонентной системы СЭВА-ТПК и прессование на ее основы пленок
Модификацию кукурузного крахмала осуществляли в присутствии пластификатора - глицерина посредством термомеханической обработки на лабораторном экструдере. Технологический процесс включает следующие стадии:
Смешение компонентов на лабораторном турбосмесителе в течение 15 мин и предварительное набухание крахмала в пластификаторе (глицерин) в течение 1 часа при Т=23±1С;
Модификация нативного кукурузного крахмала осуществлена на лабораторном экструдере в присутствии пластификатора - глицерина. Технологические параметры процесса представлены в таблице 2.4.;
Резка охлажденных жгутов расплава полимерного материала на гранулы со средним диаметром 2-4 мм.
Для переработки многокомпонентной системы, в состав которой входит крахмал, обычно используют экструдеры типа "ZSK" фирмы "Verner & Pfleiderer". Как правило, это двухшнековые экструдеры. В нашем случае смешение компонентов осуществлено на лабораторном экс трудере с дополнительной стадией гомогенизации полимерной системы (повторная экструзия смеси СЭВА-ТПК).
Процесс смешения начинали после установления заданного температурного профиля во всех зонах экструдера. Зональные температуры материального цилиндра даны в табл.2.4. Стабилизация температуры достигается в течение 1,5-2 часов прогрева установки.
В процессе движения по зонам экструдера материал расплавляется, гомогенизируется и выдавливается из плоскощелевой головки с размером щели 6x1,5 мм, образуя стренг. Пройдя охлаждающую систему, стренг режется на гранулы.
Пленочные образцы получали методом прессования в атмосфере воздуха, с последующим быстрым охлаждением до Т=20±2 С. В таблице 2.5. представлены условия прессования в Метод дифференциальной сканирующей калориметрии Определение тепловых эффектов исследуемых систем проведено на дифференциальном сканирующем микрокалориметре ДСМ-2М. Были получены теплофизические характеристики исследуемых образцов: температура плавления, степень кристалличности, значения энтальпии процессов.
Сканирование осуществляли в неизотермическом режиме, со скоростями нагрева 2, 8, 16 и 32 С/мин в зависимости от поставленной задачи эксперимента. Температурные зависимости изменения энтальпии получены в интервале от 50 до 350С. В каждом конкретном исследуемом ряду полимера навески имели примерно равную массу. Масса испытуемого образца не превышала 20 мг.
В качестве реперного вещества использовали образец индия (In) [ДНуд =28,4419 103 Дж/кг; Тпл=156,6 С]. Доля кристаллической фазы полимеров определена согласно формуле: X = [АНУД /S 100%, где (2.1.) X - степень кристалличности [%]; Si - удельная теплота плавления идеального кристалла ПЭ, равная 293[Дж/г][315]; АНуд - удельная теплота плавления образца, рассчитанная по формуле: АНуд=[АНуд.,п mIn №6p]/[NIn тобр], где (2.2.) mIn, mo6p - масса индия и образца, соответственно [г]; NIn, №бр - площадь пиков [г], перенесенных на кальку, определяемая путем взвешивания с точностью ±0,05мг.
Модельные эксперименты воздействия агрессивных сред.
Видовое многообразие царства Fungi (Eumycota) поставило перед нами задачу отбора наиболее активных штаммов-деструкторов СЭВА и сме-севых композиций СЭВА-ТПК. В опытах были использованы тест-культуры из коллекции кафедры микологии и альгологии МГУ, среди них и входящие в список видов для определения грибостойкости полимеров (ГОСТ 9.049-91): Aspergillus niger van Tienghem, Aspergillus terreus Thom., Chaetomium globosum Kunze, Paecilomyces variotii Bainier., PenicilHum fu-niculosum Thorn., PenicilHum chrysogenum Thom., PenicilHum cyclopium Wesling, PenicilHum brevicompactum Dierekx, PenicilHum purpurogenum Stoll., Trichoderma viride Pers. ex Fr., Stachybotrys sp., Stachybotrys chartaram (Ehrenb. ex Link) Hughes.
Условия, необходимые для роста грибов в процессе их культивирования, могут оказывать существенное влияние на морфологию, фазы роста и развития микромицетов, равно как и на их метаболическую активность. Учитывая тот факт, что питательные среды, обеспечивающие рост микроорганизма, могут быть непригодными для проявления других свойств этой же культуры [305], в наших экспериментах были использованы две наиболее часто применяемые для культивирования низших растений плотные питательные среды Чапека и Гетченсона, что позволило выявить наиболее оптимальную среду для каждого конкретного штамма. С целью иллюстрации доступности крахмального компонента обе среды были модифицированы заменой сахарозы на крахмал. В зависимости от цели эксперимента использовались как полные, так и обедненные (без источника углерода) среды. Составы и весовые доли компонентов сред приведены в таблице 2.7.
Возможность потребления нативного и растворимого кукурузного крахмала данными видами при добавке его в среды Чапека и Гетченсона оценивали по диаметру колоний (в мм) через каждые двое суток в течение 12 дней и строили кинетические зависимости.
Инкубация грибов и испытание грибостойкости инокулированных образцов пленок проводилось в условиях рекомендованных ГОСТ 9.049-91 [170] с использованием влажных камер, параметры относительной влажности воздуха в которых создавались за счет насыщенных растворов солей [306, 307]. Для заражения образцов использовали как сухие конидии грибов (сухой способ), распределяя их мазком по поверхности, так и 1 мл водной суспензиии спор с титром не ниже 500 конидий в 0,01мл. Используя бинокуляр, устанавливали характер роста и развития грибов на полимерных композициях по 6 балльной шкале: 0 - абсолютно чистые образцы, отсутствие проросших конидий и развития колоний (визуально и под микроскопом); 1 - визуально чистые образцы, под микроскопом видны лишь мелкие очаги мицелия в виде отдельных пятен, спороношение отсутствует; 2 - поверхностное развитие мицелия в виде мелких многочисленных пятен, спороношение отсутствует; 3 - обильное разрастание мицелия по поверхности образца, начало спороношения; 4 - при визуальном осмотре отчетливо виден сплошной рост мицелия и спороношение; 5 — зарастание мицелием всей площади образца при интенсивном спороношении по поверхности всей колонии.
2.4.10. Определение индекса биологической деструкции Вероятностную глубину и кинетику биологической деградации полимерных материалов в лабораторных условиях оценивали согласно немецкого норматива DIN V 549000-2 от IX. 1998 по количеству выделяемого СОг в процессе жизнедеятельности микроорганизмов в условиях жидкой питательной среды, единственным источником углерода которой служил углерод испытуемого полимерного субстрата [308].
Исследование высокотемпературных процессов, протекающих в СЭВА и СЭВА-ТПК.
Различный характер ответной реакции образцов на воздействие кислот связан, очевидно, в первую очередь с химической природой реагентов. Так, например, щавелевая кислота вызывает ярко выраженное "помутнение" образца СЭВА-28-ТГЖ (рис.3.22, г), что связано, вероятно, с кислотным гидролизом, затрагивающим не только макромолекулы СЭВА, но и крахмала, что приводит к "стиранию" границ раздела фаз. Данные о характере действия лимонной кислоты на СЭВА-28-ТГЖ аналогичны, приведенным ранее (см. рис.3.21, е). Поверхность образцов СЭВА-6-ТГЖ обработанных кислотами осталась без явных изменений (рис.3.22, в, д).
Оценка возможности потребления разных форм крахмала тест-культурами показала, что они способны утилизировать данный источник углеродного питания. Однако динамика роста видов на разных средах при одинаковых условиях инкубации и при одной и той же навеске крахмала не одинакова, что особенно четко проявляется на 4-10 сутки. Выявляется и некоторая разница в темпе роста различных видов грибов на нативном и растворимом крахмале разного происхождения, а также на средах Чапека и Гетченсона, взятых в качестве контроля (рис.3.23.). - Среда Гетченсона с кукурузным крахмалом - Среда Чапека с кукурузным крахмалом Среда Гетченсона с растворимым картофельным крахмалом Среда Чапека с растворимым картофельным крахмалом Среда Чапека без крахмала Среда Гетченсона без крахмала
Особенно чувствительны к составу и соотношению компонентов минеральной среды оказались культуры P.purpurogenum, A.niger., P.brevi-compactum. При развитии на среде Чапека, лишенной источника углерода, диаметр колоний на 12-е сутки от начала экспозиции для этих культур составлял 37, 57, 12 мм, в то время как при развитии на среде Гетченсона лишь 10, 24, 5 мм, соответственно. A.terreus и P.cyclopium толерантны к обоим видам минеральной среды.
Максимальное зарастание ( 60 мм) агаризированной среды с внесением крахмальной компоненты зафиксировано для P. Funiculosum, St.chartarum, P.cyclopium, A.terreus. Однако это может быть связано с особенностями роста и развития конкретной культуры.
Инкубация зараженных тест-культурами сухим способом полимерных материалов в условиях разной относительной влажности, помещенных на поверхность агаризованных сред, выявила различную способность видов грибов осваивать субстрат в зависимости от относительной влажности воздуха. При относительной влажности воздуха ниже 50% прорастания конидий и развития грибов не отмечено. На образцах, находящихся при относительной влажности от 51 до 79% рост мицелия и формирование спороношения отсутствовали либо были очень слабыми, а более интенсивное развитие всех тест-культур отмечено только при влажности воздуха более 90%. Вероятно, в этих условиях возможно образование водной пленки на поверхности и более интенсивное набухание образцов. Грибы обладают достаточно большой энергией для преодоления водоудерживающей силы субстратов. Вода облегчает поступление питательных веществ в клетки, и в первую очередь, водорастворимых веществ. В связи с этим и более интенсивный темп роста большинства тест-культур отмечен на растворимом крахмале. При инокуляции образцов водной суспензией прорастание конидий происходит и при низкой влажности, но при высыхании капель последующего развития мицелия не происходит. Изменения морфологических признаков и образования новых структур у тест-культур на модифицированных средах при замене сахарозы на крахмал (рис.3.24) и росте на полимере (рис.3.25 и 3.26) не отмечено и они сопоставимы с параметрами приведенными в определителях [319-321]. Отличия выявлены у них только в темпах формирования морфологических структур. Хотя в литературе и приведены данные о влиянии субстрата на появление новых морфологических структур у грибов [322], однако, вероятнее всего, онтогенез и темпы развития определяется геномом вида, реализация программы которого зависит от влияния различных факторов [323-325].
Субстрат указанного состава доступен для большинства используемых нами тест-культур, но в разной степени. На примере Trichoderma viride показано, что добавка в образцы ТПК стимулирует рост культуры (табл.3.5.).
На поверхности пленки, содержащей 10 масс.% ТПК, на 6-ые сутки от начала заражения отчетливо фиксируются отдельные пятна сформировавшихся пучков конидиеносцев Aspergillus niger, Paecilomyces variotii, Penicillium funiculosum, Chaetomium globosum, Trichoderma viride. Другие виды из взятого набора тест-культур не растут на данном субстрате или формируют слабое спороношение и в более поздние сроки. Визуальная и микроскопическая оценка обрастания образцов в среднем достигает 2-3 баллов развития мицелия с отдельными участками спороношения в 4 балла. Наболее быстрое начало формирования спороношения на 3-4 сутки характерно для Aspergillus niger и Trichoderma viride. Оценить процент зарастания поверхности образцов сложно из-за неравномерного, пятнистого роста грибов. Неравномерность роста, вероятно, связана с тем, что исходные штаммы представлены клонами с неодинаковыми физиолого-биохимическими свойствами, скоростью адаптации и утилизации исходного субстрата, а также изоляцией полимером зерен крахмала.
