Введение к работе
Актуальность работы
Задача снижения полимерных отходов в настоящее время стоит особенно остро. Одной из существенных особенностей является высокая стойкость синтетических полимерных материалов к физико-химическому и биологическому разложению. Придание синтетическим полимерам свойства биоразлагаемости под действием микроорганизмов и природно-климатических факторов, таких, как действие света, кислорода воздуха, влаги, агрессивных сред и др., позволяет значительно сократить количество полимерного мусора и улучшить экологическую обстановку.
Оптимальным решением проблемы является создание саморазрушающихся материалов для изделий с коротким жизненным циклом (упаковочные материалы, одноразовая посуда, одноразовые авторучки, бритвы, транспортные паллеты и т.д.). Такие изделия существовали бы в неизменном виде во время хранения и эксплуатации, а будучи выброшенными на свалку, под воздействием определенных факторов (почвенные микроорганизмы, свет, кислород воздуха, вода и т.д.) разлагались бы в течение непродолжительного времени. При этом не исключается возможность вторичного использования указанных материалов.
Существующие в настоящее время биоразлагаемые полимеры, например полилактиды или полигидроксиалканоаты, дороже традиционных полимеров. Но даже если стоимость будет сравнима, синтетические полимеры, особенно полиолефины, еще долго будут занимать ведущие позиции в производстве пластиков. Возможность получения более дешевых биоразлагаемых материалов связана с использованием полимерных композиций, включающих, наряду с традиционными термопластичными синтетическими полимерами, биоразлагаемые наполнители природного происхождения.
Известны биоразлагаемые полимерные композиции, содержащие в качестве наполнителя крахмал. Однако, крахмал является ценным пищевым продуктом, поэтому производство на его основе крупнотоннажного материала, предназначенного для изготовления изделий кратковременного использования, экономически неоправданно.
Исследования, проводимые в рамках данной работы, направлены на изучение структуры и свойств смесевых композиций на основе полиэтилена с растительными наполнителями. Полученные результаты позволят оценить возможность создания изделий из полиэтилена и растительных наполнителей и установить свойства в зависимости от природы наполнителя, состава, масштабного фактора и др.
Актуальность данного исследования очевидна еще и потому, что в качестве лигноцеллюлозных наполнителей могут использоваться отходы многих производств. Помимо утилизации отходов, что само по себе злободневно, происходит замена невозобновляемого сырья - нефти и газа, источника получения синтетических полимеров, на возобновляемое, кроме того, такая замена экономически целесообразна.
Цель и задачи работы
Целью работы являлось создание, изучение структуры и свойств новых композиционных материалов на основе полиэтилена, лигноцеллюлозных наполнителей и компатибилизатора.
Для достижения вышеуказанной цели были поставлены следующие задачи:
Создание биоразлагаемых композиций на основе полиэтилена низкой плотности, содержащих наполнители растительного происхождения;
Подбор компатибилизатора, позволяющего достичь лучшего совмещения компонентов и требуемых свойств композиций.
Оценка эффективности сополимера этилена с винилацетатом в качестве компатибилизатора для композиционных материалов по следующим параметрам: механические характеристики, теплофизические характеристики, биоразлагаемость.
Выявление наиболее эффективных лигноцеллюлозных наполнителей, позволяющих придавать биоразлагаемые и другие необходимые эксплуатационные (механические, технологические и др.) свойства композиционным материалам;
Изучение влияния различных лигноцеллюлозных наполнителей на полимерную матрицу и надмолекулярную структуру композиционных материалов, установление причин эффективности изучаемых наполнителей.
Научная новизна работы
В работе продемонстрирован принципиально новый научно-обоснованный подход к созданию биодеструктируемых полимерных композитов на основе тройных систем - полимер-компатибилизатор-наполнитель, основанный на взаимосвязи параметров структуры, типа наполнителя и степени гидрофильности компатибилизатора.
Предложены шесть различных материалов растительного происхождения, ранее не применявшиеся для решения подобных задач, в качестве наполнителей для создания биоразлагаемых полимерных композиций. Установлены факторы, определяющие их эффективность.
Впервые предложен модельный эксперимент, позволяющий установить диффузию низкомолекулярных органических веществ из наполнителя в полимерную матрицу при сдвиговом течении расплава.
В работе впервые установлена корреляция кинетических параметров твердофазного окисления полимерных композитов с фракционным составом и насыпной плотностью дисперсного наполнителя.
Впервые обнаружено ускоряющее влияние содержания компатибилизатора - СЭВА на рост колоний микроорганизмов в пленочных материалах на основе тройных систем ПЭНП - природный наполнитель - СЭВА.
Впервые обнаружено разупорядочивание кристаллической структуры ПЭНП в композитах в процессе биодеструкции в грунте (уменьшение степени кристалличности ПЭНП на 5-25% в зависимости от наполнителя).
Выявлен и определен до вида плесневый гриб (Trichoderma atroviride), являющийся наиболее активным биодеструктором композиционных материалов при биоразложении в грунте.
Практическая значимость
По результатам проведенного исследования авторами был получен патент РФ на изобретение № 2473578 «Биоразлагаемая термопластичная композиция», опубликованный 27.01.2013 г. В рамках данного изобретения производителям предлагается изготовление изделий с коротким сроком обращения: пленки, упаковочная тара, одноразовая посуда и т.д. Изделия из данных материалов можно получать различными способами: экструзия, литье под давлением, формование, термопрессование. Варьируя тип наполнителя, его содержание и степень дисперсности, а также содержание СЭВА и метод переработки возможно получение изделий с заданными свойствами.
Вклад автора. Личный вклад диссертанта состоял в проведении исследований, обработке и анализе полученных данных, формулировании положений и выводов, а также подготовке патентов и статей к опубликованию. Все изложенные в диссертации новые результаты получены автором лично или при непосредственном его участии в подготовке и поведении экспериментов.
Защищаемые положения
Основными факторами, определяющими биоразлагаемые свойства композиционных материалов на основе полиэтилена низкой плотности и растительных наполнителей, помимо химического состава наполнителя, являются его насыпная плотность, фракционный и гранулометрический состав, а также водопоглощение.
Ключевым биодеструктором, переходящим на композиционные материалы из грунта, является плесневый гриб Trichoderma atroviride.
Существует принципиальная разница в кинетике термоокисления композиционных материалов в твердофазном состоянии (90оС) и в расплаве (130оС). На окисление расплава заметное влияние оказывают растворенные в полимере компоненты наполнителя, а при окислении в твердой фазе значительную роль играет плотность наполнителя.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались (тезисы опубликованы) и обсуждались на: 1. VIII ежегодной международной молодежной конференции «ИБХФ РАН-ВУЗы», Москва, 2008. 2. IX ежегодной международной молодежной конференции «ИБХФ РАН-ВУЗы», Москва, 2009. 3. XXIII Международных «Плехановских Чтениях», Москва, 2010. 4. международной конференции «Renewable Wood and Plant Resources: Chemistry, Technology, Pharmacology, Medicine». Санкт- Петербург, 2011. 5. IV международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, 2011. 6. XI ежегодной международной молодежная конференция «ИБХФ РАН-ВУЗы», Москва, 2011. 7. Первом Международном конгрессе «Экологическая, продовольственная и медицинская безопасность человечества», Москва, 2011. 8. XXV Международных «Плехановских Чтениях», Москва, 2012. 9. Международной конференции «Наукоемкие химические технологии-2012», Тула, 2012. 10. Международной конференции «Биология - наука XXI века», Москва, 2012. 11. Международной конференции «Polymerwerkstoffe 2012», Halle, Германия, 2012. 12. Международной конференции «Возобновляемые лесные ресурсы: инновационное развитие в лесном хозяйстве», Санкт-Петербург, 2012. 13. Всероссийской молодежной научной школе «Химия и технология полимерных и композиционных материалов», Москва, 2012. 14. XII ежегодной международной молодежной конференции «ИБХФ РАН-ВУЗы», Москва, 2012.
Проект «Биоразлагаемые композиционные материалы на основе синтетических и природных полимеров» был удостоен золотой медали по итогам конкурса инноваций IV Международного форума «EXPOPRIORITY'2012» в номинации «Современные материалы и технологии их создания».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 34 печатных работ: 12 статьей в отечественных и зарубежных журналах (5 статей входят в перечень журналов рекомендованных ВАК), 1 глава в книге, 21 публикация тезисов в сборниках трудов научных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 127 страницах, содержит 57 рисунков, 16 таблиц. Работа состоит из введения, 3 глав, заключения (выводов) и списка литературы, включающего 113 наименований.
