Введение к работе
Актуальность работы. В связи с постоянно возрастающими объемами производства полимеров, приводящих к загрязнению окружающей среды, вопросы их утилизации приобретают все более актуальное значение. Решение этой проблемы может быть достигнуто путем создания биоразлагаемых полимерных материалов, которые могли бы распадаться под действием окружающей среды на безвредные для природы вещества. Наиболее эффективным и экономически выгодным направлением работ в этой области представляется создание полимерных композиций путем смешения синтетических и природных полимеров, способных к биоразложению, поскольку этот метод позволяет утилизировать такие многотоннажные промышленные полимеры как полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и т.д. Полученные таким образом материалы должны сочетать в себе, с одной стороны, хорошие механические свойства и возможность переработки, а с другой - способность к биодеструкции, т.е. удовлетворять как экономическим, так и экологическим требованиям. Такие композиционные материалы успешно применяются в различных областях, особенно при производстве упаковочных материалов, пленок для пищевых продуктов, а также изделий для кратковременного пользования.
Разработка новых биоразлагаемых композиций на основе природных полисахаридов и их производных с синтетическими полимерами, исследование их структуры и свойств не только представляет несомненный теоретический интерес, но и открывает пути к созданию новых перспективных биоразлагаемых систем.
Целью работы являлось получение путем смешения в твердой фазе в условиях сдвиговых деформаций биоразлагаемых смесей целлюлозы, этилцеллюлозы, крахмала, хитина и хитозана с полиэтиленом низкой плотности (ПЭНП), а также смесей этих полимеров с ПЭНП и полиэтиленоксидом (ПЭО) различной молекулярной массы и смесей на основе двух полисахаридов и ПЭНП. Исследование структуры, механических характеристик, термической N
3 S ,
\
стабильности, способности к биодеструкции образующихся композиций и установление влияния природы полисахаридов и состава смесей на их свойства представляло собой важную составную часть проведенных исследований.
Научная новизна. Впервые показана принципиальная возможность получения в твердой фазе под действием давления и сдвиговых деформаций биоразлагаемых смесей на основе неплавких природных полисахаридов и синтетических полимеров при содержании полисахаридов до 50 - 60 мае. %.
Разработаны оптимальные условия получения мелкодисперсных гомогенных порошковых смесей полисахаридов с синтетическими полимерами в роторном диспергаторе, сконструированном в ИХФ РАН на основе одношнекового экструдера, в котором реализуется принцип совместного воздействия на материал высокого давления и сдвиговых деформаций.
С использованием различных физико-химических методов анализа проведено сравнительное исследование структурных и морфологических изменений, происходящих в двойных и тройных полимерных композициях под действием сдвиговых деформаций, определены механические характеристики пленок из исследуемых смесей, а также изучены закономерности их термо- и фотоокислительной деструкции. Рассчитаны эффективные кинетические параметры, на основании которых предложена модель диффузионно-лимитируюшего разложения некоторых индивидуальных компонентов смеси.
Показано, что механические свойства исследуемых композиций и их способность к биодеструкции зависят как от исходного соотношения компонентов, так и от природы используемого полисахарида.
Практическая значимость. Разработан способ получения двойных смесевых композиций природных полисахаридов и их производных с ПЭНП, а также тройных смесей, содержащих в качестве третьего компонента ПЭО или второй полисахарид, в роторном диспергаторе под действием сдвиговых деформаций.
Обнаружено, что в процессе смешения полисахаридов с ПЭНП в условиях сдвиговых деформаций происходит частичное разрушение кристаллической структуры исходных полимеров, т.е. их аморфизация.
Установлено, что механические характеристики пленок из полученных композиций достаточно высоки и могут быть использованы для создания изделий кратковременного назначения и упаковочных материалов. Наличие биоразлагаемости у данных композиций обуславливает их ценность с точки зрения экологических требований, предъявляемых к подобным изделиям.
Показано, что наибольшей биоразлагаемостью обладают двойные смеси на основе крахмала и хитина. В ходе проведенных экспериментов продемонстрировано, что увеличение биоразлагаемости остальных двойных смесей может быть достигнуто путем добавления третьего компонента (ПЭО или второго полисахарида), в результате чего используемые материалы на их основе еще в большей степени способствуют улучшению экологической обстановки.
Личный вклад автора заключается в отработке условий проведения процесса смешения полимеров под действием сдвиговых деформаций, фракционировании и исследовании полученных образцов, разработке анализа изучаемых композиций методом ДСК, а также в активном участии в интерпретации и обобщении результатов эксперимента.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на конференциях отдела полимеров и композиционных материалов ИХФ РАН «Полимеры-2008», «Полимеры-2009», «Полимеры-2010», «Полимеры-2011» (Россия, Москва, 2008 - 2011 гг.); III Международной конференции по механохимии (Россия, Москва, 2008 г.); International Conference "Polymerfest" (Италия, Палермо, 2009 г.); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2009» и «ЛОМОНОСОВ-2010» (Россия, Москва, 2009 - 2010 гг.); XVII International starch convention Moscow-Cracow (Россия, Москва, 2009 г.); X Международной конференции по химии и
физикохимии олигомеров (Россия, Волгоград, 2009 г.); XVI International
Conference on Mechanics of Composite Materials (Латвия, Юрмала, 2010 г.); V Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры - 2010» (Россия, Москва, 2010 г.); Mth International Scientific Conference on Polymeric Materials (Германия, Галле (Заале), 2010 г.); VI Московском международном конгрессе "Биотехнология: состояние и перспективы развития" (Россия, Москва, 2011 г.); 5th Asia-Europe Symposium on Processing and Properties of Reinforced Polymers (Германия, Дрезден, 2011 г.); юбилейной научной конференции «Химическая физика вчера, сегодня, завтра» (Россия, Москва, 2011 г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 6 научных статьях и 17 тезисах докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, результатов и обсуждения, выводов и списка литературы (251 ссылки). Работа содержит 153 страницы текста, включая 57 рисунков, 2 схемы и 14 таблиц.
