Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время упаковка является практически неотъемлемой частью любого продукта. Большая часть упаковок производится из полимерных материалов, что поднимает вопрос об их утилизации после использования. Упаковочные отходы обычно захороняют на полигонах твердых бытовых отходов. В этой связи постоянно идет разработка новых упаковочных материалов, которые быстро распадаются и легко ассимилируются микроорганизмами почвы, не нанося вред окружающей среде. Существуют два пути придания подобного биоразложения полимерным упаковочным материалам. Первый путь - это наполнение промышленных упаковочных материалов (полиэтилена, полипропилена, полиэтилен-терефталата и др.) крахмалом, что приводит к более быстрому обрыву цепей полимера. Второй путь - использование в качестве упаковки изначально биоразлагаемых полимеров. Одним из таких материалов является полилактид (ПЛА), получаемый из кукурузного крахмала и используемый для упаковки пищевых продуктов и в медицинских целях. Он обладает физико-механические свойствами, не уступающими традиционно используемым промышленным полимерам, и способен перерабатываться в изделия всеми методами переработки пластмасс.
Другой тенденцией упаковочной отрасли является разработка упаковок с дополнительными функциями, в том числе «активных», которые могут продлевать срок хранения продукта благодаря прямому воздействию упаковки на продукт. Одними из таких материалов являются полимерные электреты, которые могут продлевать срок хранения пищевых продуктов за счет негативного воздействия электрических полей, создаваемых электретом, на жизнедеятельность микроорганизмов, вызывающих порчу продуктов. Поэтому создание электретного материала на основе полилактида, который был бы и биоразлагаемым, и активным, является многообещающим. Однако, полилактид, являясь полярным полимером, плохо электретируется в поле коронного разряда. Процессы релаксации заряда в полилактиде протекают достаточно быстро.
В этой связи целью работы стали поиск и исследование путей увеличения стабильности электретного состояния в пленках полилактида, поляризуемых в коронном разряде.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
изучить свойства короноэлектретов на основе ПЛА;
оценить зависимость электретных характеристик полилактида от условий его поляризации;
исследовать влияние структуры, геометрии, предыстории образцов на скорость релаксации заряда в электретных материалах на основе ПЛА;
изучить влияние ионизирующих излучений на стабильность свойств ПЛА короноэлектретов;
исследовать изменение стабильности электретного состояния в композициях полилактида при введении дисперсных наполнителей;
оценить скорость биоразложения электретных материалов на основе ПЛА;
изучить возможность применения разработанного электретного материала на основе полилактида в качестве упаковки.
Научная новизна работы. Впервые показано, что повышение степени кристалличности полилактида увеличивает его электретные свойства за счет роста площади границы раздела аморфной и кристаллической фаз, выступающей поставщиком энергетических ловушек носителей заряда, инжектируемых в полимер в коронном разряде.
Установлено влияние электретного состояния полилактида и композиций на его основе с дисперсным наполнителем на спектры диэлектрической релаксации. Показано, что при электретировании полилактидных пленок увеличивается энергия активации процессов диэлектрической релаксации, связанных с сегментальной подвижностью макромолекул и с поляризацией микрокристаллов полимера.
Обнаружено, что геометрическая глубина залегания заряда в полилактиде при введении наполнителя уменьшается, однако возрастает энергия, необходимая для выхода инжектированных носителей заряда из ловушек или разориентации диполей в объеме полимера.
Практическая ценность работы. Рекомендованы технологические параметры производства электретов на основе полилактида в коронном разряде, позволяющие повысить величину и стабильность его электретных свойств в 2,5 - 3 раза.
Разработан электретный упаковочный материал на основе композиций полилактида с дисперсным наполнителем, который позволяет продлевать срок хранения куриных яиц (в ~ 1,5 раза).
Положения, выносимые на защиту:
Влияние технологических параметров поляризации полилактида на его электретные свойства.
Влияние степени кристалличности на электретные свойства полилактида.
- Введение дисперсного наполнителя в полилактид является наиболее
эффективным методом повышения величины и стабильности его электретных
свойств.
Изменение глубины залегания гомо- и гетерозаряда в пленках полилактида при наполнении его дисперсным наполнителем.
Отражение перевода полилактида и его композиций в электретное состояние на спектрах диэлектрической релаксации; увеличение энергии активации процессов диэлектрической релаксации полилактида при электретировании.
- Электретный упаковочный материал на основе полилактида увеличивает
срок хранения куриных яиц в 1,5 раза.
Достоверность и обоснованность результатов, и выводов исследования
обеспечиваются применением современных и высокоточных
экспериментальных методов (диэлектрической спектроскопии,
рентгеноструктурным анализом, ДСК, ИК-спектроскопии) по исследованию электретного состояния полимеров и их композиций, большим объемом экспериментальных данных, согласованностью полученных результатов с результатами опубликованных работ других исследователей.
Апробация работы. Результаты работы доложены на Научной школе
«Технические решения и инновации в технологиях переработки полимеров и
композиционных материалов» (2012, Казань), 17th International School on
Condensed Matter Physics (2012, Варна, Болгария), XII, XIII и XIV
Международных конференциях молодых ученых «Пищевые технологии и
биотехнологии» (2012, 2014, 2015, Казань), , XIII Международной научной
конференции «Физика диэлектриков» (2014, Санкт-Петербург),
XIth International Conference of Food Physicists “Food Physics and Innovative Technologies” (2014, Пловдив, Болгария), 15th International Symposium on Electrets (2014, Балтимор, США), Национальной научной конференции по физике (2014, Пловдив, Болгария), XII Международной научно-практической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (2015, Курск), 9th International Physics Conference of the Balkan Physical Union (2015, Стамбул, Турция).
Личный вклад автора заключается в сборе и анализе литературных данных, участии в постановке задач и их дальнейшем решении, в проведении экспериментальных исследований, обсуждении результатов, в формулировании выводов по проделанной работе и подготовке публикаций.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 5 статей в журналах, индексируемых в базах данных Scopus/Web of Science, 8 статей в журналах из списка ВАК, 8 работ в сборниках научных трудов и материалах международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 132 страницах, содержит 68 рисунков, 23 таблицы и список литературы из 146 источников.