Поиск возможности биоразложения композитов на основе полиэтилена и крахмала

Актуальность

Разработка и организация массового производства полностью биоразлагаемых полимерных материалов из возобновляемого растительного сырья (крахмала, древесной муки и др.) и синтетических полимеров является перспективной и актуальной. Такие материалы сочетают свойства синтетического компонента и способность к биодеградации за счёт присутствия в системе полностью биодеградируемого природного компонента.

Масса полимерных отходов в России составляет значительную величину: 2,5–2,7 млн т в год, что создаёт немало экологических проблем, а уровень использования полимерных отходов в российской промышленности составляет не более 6–8%.
Разработка и организация массового производства полностью биоразлагаемых полимерных материалов из возобновляемого растительного сырья (крахмала, древесной муки и др.) и синтетических полимеров является перспективной и актуальной. Такие материалы сочетают свойства синтетического компонента и способность к биодеградации за счёт присутствия в системе полностью биодеградируемого природного компонента. Такой подход к созданию биоразлагаемых, экологически безопасных полимерных композиционных материалов является одним из наиболее перспективных путей решения проблемы ввиду доступности возобновляемых природных полимеров и широкого разнообразия синтетических. Таким образом, мы поставили перед собой цель: изучить поведение материалов композита при контакте с водой с точки зрения возможности последующего разложения материала в природных условиях.

Цель

Изучить поведение материалов композита при контакте с водой с точки зрения возможности последующего разложения материала в природных условиях.

Задачи

1. Изучить научную литературу по созданию композитов из синтетических и природных полимеров.

2. Приготовить композиты на основе полиэтилена и двух видов крахмала в виде плёнки.

3. Изучить способность к набуханию материалов в воде, имитирующей жидкости природной среды.

4. Подобрать эффективный модификатор для устойчивости композитов.

5. Оценить возможность биоразложения композитов по итогам эксперимента.

Описание

Работа выполнена на кафедре «Промышленный дизайн, технология упаковки и экспертиза» Московского государственного университета пищевых производств в ноябре 2021 года – феврале 2022 года.

Исследования проводились на образцах материалов из полиэтилена, кукурузного и рисового крахмалов и модифицирующих добавок, полученных смешением компонентов в соответствии с рецептурой. Были получены два композита: 1) на основе полиэтилена и кукурузного крахмала; 2) на основе полиэтилена и рисового крахмала.
В работе для определения поведения материала в контакте с различными средами был использован метод определения стойкости к действию химических сред. В качестве сред была выбрана вода, так как она присутствует в окружающей среде и является компонентом пищевых продуктов.

По 3 образца каждой композиции были помещены в воду. Выбор именно этой среды обусловлен имитацией природных условий. Вода так или иначе встречается в каждой природной среде, а также входит в состав пищевых продуктов.
При набухании в воде как для рисового, так и для кукурузного крахмала наиболее благоприятной является добавка НПАВ. Присутствие в композиции этой добавки способствует максимальному набуханию. Максимальный процент набухания составил 3%. Менее эффективной для набухания в воде являлась добавка ОС-20. Максимальный процент набухания составил чуть больше одного процента.

Таким образом, по результатам проведённой работы можно сделать общий вывод, что композиты на основе синтетических и природных полимеров могут в дальнейшем использоваться как биоразлагаемые материалы для упаковок. Набухание материала (которое сопровождается увеличением его массы за счёт проникновения в образец жидкости) будет способствовать биоразложению, так как микроорганизмы смогут легче проникать внутрь и поедать компоненты материала. В отличие от полиэтилена композит на его основе при добавлении крахмала способен набухать, а значит можно предположить возможность биоразложения композита в природе по итогам эксперимента.

Результаты работы/выводы

1. Проведена повсеместная комплексная разработка композитов из синтетических и природных полимеров.

2. Приготовлены композиты на основе полиэтилена и двух видов крахмала в виде плёнки.

3. Подобран эффективный модификатор для стабилизации созданных композитов – НПАВ.

4. Наибольшая эффективность при контакте с водой проявилась у композита на основе полиэтилена и рисового крахмала. Максимальный процент набухания составил 3 процента.

5. Набухание композита позволяет сделать вывод, что и в природных условиях этот материал будет разлагаться быстрее.

Перспективы использования результатов работы

Практическая значимость работы огромна, так как наш композитный материал при дальнейших исследованиях и экспериментах может стать прототипом биоразлагаемой упаковки, что существенно снизит экологическое загрязнение неразлагаемыми отходами.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Московский государственный университет пищевых производств

Награды/достижения

Конференция «Наука для жизни» 2021/2022 – призёр

Мнение автора

«Медицинский класс в московской школе» и «Инженерный класс в московской школе» – проекты предпрофессионального образования, позволяющие получать знания в предпрофессиональной области и делать интересные и наукоёмкие работы. На Открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» можно не только представить свою работу, но и послушать работы других школьников, найти единомышленников, воспользоваться ценными советами членов профессионального жюри для продолжения работы»