Структура, свойства и биодеструкция композиций на основе полиэтилена и природных добавок

Дата размещения: 05 – 11 – 2009

ОБЪЯВЛЕНИЕ О ЗАЩИТЕ КАНДИДАТСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ

ХВАТОВ АНАТОЛИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И БИОДЕСТРУКЦИЯ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНА И ПРИРОДНЫХ ДОБАВОК

02.00.04 – физическая химия, 02.00.06 – высокомолекулярные соединения

Химические науки

Диссертационный совет Д 002.039.01

Учреждение Российской академии наук Институт биохимической физики

им. Н.М. Эмануэля РАН

119334 г. Москва, ул. Косыгина, д. 4

Тел. +7 (495) 939 74 00

e-mail:ibcp@ sky.chph.ras.ru

Предполагаемая дата защиты: 09 декабря 2009 г.

Автореферат Хватова А.В.

На правах рукописи

ХВАТОВ АНАТОЛИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И БИОДЕСТРУКЦИЯ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНА И ПРИРОДНЫХ ДОБАВОК

02.00.04 - Физическая химия

02.00.06. – Высокомолекулярные соединения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

Москва 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН

Научные руководители: доктор химических наук, профессор Попов А.А.

доктор биологических наук Лихачёв А.Н.

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Заиков Г.Е.

доктор химических наук Гумаргалиева К.З.

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН.

Защита состоится «___» _____________ 2009 года в ___ часов на заседании Диссертационного совета Д 002.039.01 при Учреждении Российской академии наук Институте биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН по адресу: 119334, Москва, ул. Косыгина, д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института химической физики им. Н. Н. Семенова РАН.

Автореферат разослан _______________ 2009 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 002.039.01

канд. хим. наук Смотряева М.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Высокие темпы роста производства и потребления пластмасс, характерные для развитых в промышленном отношении стран, обусловили возникновение относительно новой проблемы: все возрастающее количество отходов, загрязняющих окружающую среду. Одним из направлений решения этой проблемы является создание биоразлагаемых полимерных материалов. Известен целый ряд биоразлагаемых полимеров, включая класс полигидроксиалканоатов. К их числу относятся, например, полилактид и полигидроксибутират, и сополимеры на их основе, называемые иногда биополимерами. Их производство дорогостоящее, но со временем их доступность возрастет.

Другим, не менее важным, направлением является создание биоразлагаемых композитов на основе синтетических полимеров и природных биоразлагаемых компонентов, которые могли бы разрушаться при воздействии факторов окружающей среды.

В настоящее время существует большое количество работ, посвященных созданию такого рода биоразлагаемых композитов, описаны способы получения и сферы их возможного применения, описаны микромицеты, которые могут разрушать данные смеси. Однако, до настоящего времени не проводилось систематических фундаментальных исследований, которые бы раскрыли роль различных факторов, влияющих на процесс биодеструкции. Это температура, кислород, влага и воздействие микроорганизмов.

Не решен, в том числе, ряд вопросов, касающихся изменений, происходящих в надмолекулярной структуре и свойствах при введении природной добавки, а также в результате длительного воздействия факторов окружающей среды (кислорода, температуры, влаги, микромицет). Применение совокупности физико-химических, физико-механических, а также методов, принятых в микологии, позволяет расширить представления о биоконверсии композиционных материалов.

Цель и задачи работы

Целью работы являлось создание, изучение структуры и свойств новых композиционных материалов на основе ПЭНП и природных добавок (ПД). Моделирование влияния факторов окружающей среды (кислород, температура, агрессивная среда, микромицеты) на биодеградацию полимера и выявление изменений, происходящих в полимерной матрице, дает возможность оценить вклад каждого конкретного фактора на биоконверсию материала.

Для успешного достижения вышеуказанных целей были поставлены следующие задачи:

- определить влияние добавки на структуру и свойства композиционных материалов в сравнении с исходным полиэтиленом;

- изучить изменения, происходящие в надмолекулярной структуре полиэтилена в результате длительного воздействия модельных факторов окружающей среды.

Научная новизна работы

Проведенные исследования позволили установить влияние природы и количества добавки на структуру и свойства материала на основе полиэтилена низкой плотности. Определено влияние модельных факторов окружающей среды (термоокисления, водной среды и микромицет) на изменение надмолекулярной структуры полимерной матрицы. Впервые показана возможность оценки глубины воздействия микромицет на композиционный материал методом дифференциальной сканирующей калориметрии.

Практическая значимость

Получен новый материал на основе ПЭНП и природных добавок (целлюлоза, соевая мука, дробина), обладающий необходимым комплексом эксплутационных свойств и способный к биодеструкции под действием факторов окружающей среды.

Новый способ оценки биодеструкции методом ДСК может быть использован для более глубокого анализа процессов, протекающих как в полимерах, так и в композиционных материалах при биоконверсии.

Личный вклад автора: все исследования проводились автором лично или при непосредственном его участии.

Защищаемые положения

1. Природные добавки (целлюлоза, дробина, соевая мука) в разной степени влияют на кристаллическую структуру, способность к ориентации и физико-механические характеристики композиционных материалов на основе ПЭНП.
2. Химическая природа добавки, степень ее дисперсности и процентное содержание оказывают различное влияние на закономерности процессов, протекающих в композитах под влиянием термоокисления, воды и микромицет.
3. Длительное воздействие термоокисления, воды и микромицет оказывает различное влияние на надмолекулярную структуру ПЭНП в композитах.
4. Новый способ оценки степени биокоррозии полимерных смесевых композитов на основе метода дифференциальной сканирующей калориметрии.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались (тезисы опубликованы) и обсуждались: 1. Международный конгресс Биотехнология: состояние и перспективы развития, 2005г., Москва 2. V Ежегодная международная молодежная конференция ИБХФ РАН – Вузы, 2005г. Москва 3. Конференция ''Полимерные композиционные материалы: Технология, обработка, применение'', 2006г., Москва, 4. VI ежегодная международной конференции ИБХФ РАН – Вузы, 2006г., Москва 5. Четвертая всероссийская каргинская конференция. Наука о полимерах 21-му веку, 2007г., Москва 6. IV Московский международный конгресс Биотехнология: состояние и перспективы развития, 2007г., Москва 7. XVIII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, 2007г., Москва.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ: 4 статьи в отечественных и зарубежных журналах и 15 тезисов в сборниках трудов научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 115 страницах, содержит 45 рисунков, 14 таблиц. Работа состоит из введения, 3 глав, заключения (выводов) и списка литературы, включающего 225 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и основные задачи исследования, показана практическая значимость.

В первой главе проводится анализ литературы, посвященной созданию биоразлагаемых полимерных материалов. Рассмотрены различные виды деструкции полимеров (воздействие света, кислорода, агрессивных сред и биологических объектов). Представлены данные по свойствам и применению ПЭНП.

Вторая глава посвящена описанию объектов и методов исследования.

Объектами исследования являлись ПЭНП и композиты на основе ПЭНП и природных добавок. Содержание добавок в смесях 5, 10 и 15%. В качестве природных добавок были выбраны соевая мука, целлюлоза марки Arbocel и дробина (отход пивоваренного производства). Помимо этого в каждую композицию был добавлен полиэтиленовый воск ПВ-300, в количестве 5%, для улучшения качества смешения и внешнего вида получаемых пленок. ПЭНП и добавки смешивали на вальцах, потом дробили, затем методом экструзии при температуре 140оС получали пленки толщиной 300±30мкм.

Теплофизические характеристики образцов снимали на дифференциальном сканирующем калориметре ДСМ-2М. Скорость сканирования 16оС/мин, навеска образца 10-13 мг.

Показатель асимметрии пика плавления рассчитывался по формуле b/(a+b) при c=d.

Термоокисление образцов исследовали на манометрических установках при температуре 90о и 130оС.

Физико-механические характеристики образцов определяли на разрывной машине РМ-10.

Рентгеноструктурный анализ проводили на установке Baird and Tatlock и на порошковом минидифрактометре «Промконтроль».

Исследование термоустойчивости образцов проводили на дериватографе NETZSCH TG-209 F1 Iris при скорости нагрева 10оС/мин.

Микроскопирование проводилась с помощью светового микроскопа марки Olympus CX-41 при увеличении микроскопа, равном 100 раз.

В опытах были использованы тест-культуры из коллекции кафедры микологии и альгологии МГУ: 1)Penicillium ochro-chloron, 2)Fusarium moniliforme, 3) Penicillium brevi-compactum, 4) Aspergillus terreus, 5) Aspergillus amsteladami, 6) Trihoderma horzianum, 7) Paecilomices varioti, 8)Cladesporium herbarium, 9) Chaectomium globosum, 10) Alternaria alternate, 11) Aureobas pullulans, 12) Aspergillus niger, 13) Aspergillus flavus, 14)Penicillium cyclopium, 15) Penicillium chrysogenum, 16) Trihoderma viride, 17) Penicillium purpurogenum. Инкубация грибов и испытание грибостойкости инокулированных образцов пленок проводилось в условиях рекомендованных ГОСТ 9.049-91.

Устойчивость исследуемых пленок в водной среде определялась в соответствии с ГОСТ 12020-72.

Третья глава посвящена результатам исследования, их обсуждению и состоит из нескольких разделов.

В первом разделе обосновывается выбор добавок и рассматриваются характеристики смесевых композитов различного состава.

Первоначально в работе была исследована возможность биодеструкции природных добавок 17-тью тест-культурами на твердой агаризированной среде (сусло-агар), в качестве единственного источника углерода для тест-культур были введены природные добавки (рост и развитие микромицет оценивалось по 5-ти бальной шкале).

Полученные данные свидетельствуют, что наибольшее развитие на природных добавках наблюдается для Fusarium moniliforme, Trihoderma horzianum, Paecilomices varioti, Alternaria alternate, Aspergillus niger, Aspergillus flavus, Trihoderma viride, Penicillium chrysogenum, однако, практически для всех видов оценить процент зарастания поверхности образцов сложно из-за неравномерного, пятнистого роста грибов, что вероятно, связано с тем, что исходные штаммы представлены клонами с неодинаковыми физиолого-биохимическими свойствами, скоростью адаптации и утилизации исходного субстрата. Поскольку наиболее быстрое начало формирования спороношения на 3-4 сутки наблюдалось для штаммов микромицет Penicillium chrysogenum и Aspergillus flavus, они были отобраны для дальнейших испытаний грибостойкости.

Для количественной оценки возможности потребления микромицетами природных добавок была произведена оценка прироста биомассы на соевой муке, целлюлозе и дробине (исследования проводились на жидкой среде Чапека, в которой в качестве единственного источника углерода выступали добавки), данные представлены на рисунке1. Показано, что все выбранные природные добавки могут являться источником питания для микромицетов, но наибольшее накопление биомассы наблюдается на соевой муке и дробине, имеющих в своем составе белковую компоненту.

Рис.1. Зависимость накопления биомассы от вида добавки.

Одной из главных характеристик компонентов композиционных материалов является их термоустойчивость при температурах смешения. В таблице 1 представлены данные, полученные в результате термогравиметрического анализа природных добавок.

Таблица 1.

Температуры начала терморазрушения ПЭНП и вводимых природных добавок.

Вещества	Температура начала разрушения
ПЭНП	240±5°С
Дробина	145±5°С
Соевая мука	160±5°С
Целлюлоза	250±5°С