СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И СКОРОСТИ ДЕСТРУКЦИИ БИОРАЗЛАГАЕМЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА И КРАХМАЛА

COMPARATIVE ANALYSIS OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES AND DESTRUCTION RATE OF BIODEGRADABLE FILMS BASED ON POLYVINYL ALCOHOL AND STARCH

Esmurzieva Elina Ahmedovna

Student, Ingushetia state University, Russia, Magas

Aleksander Semenov

Professor, Ingushetia state University, Russia, Magas

Аннотация. В работе проведено исследование композитных плёнок на основе поливинилового спирта (ПВС) и картофельного крахмала с добавлением пластификатора глицерина.

Получение биоразлагаемых, полимерных пленок на основе поливинилового спирта и крахмала для решения уже устоявшихся экологических проблем.

Изучено влияние массового содержания крахмала (15, 30, 50 %) на физико-механические свойства (механическую прочность) и скорость биодеструкции в водной среде и почвенном субстрате. Установлено, как влияет изменение природного компонента с 15 до 50 % .

Показано, каким оптимальным компромиссом между прочностью и способностью к деструкции обладает состав ПВС:крахмал разных соотношений. Установили какая композиция с заданными соотношениями крахмал/ПВХ является наиболее привлекательной для для использования в упаковке, как недорогой, экологический, биоразлагаемый материал.

Ключевые слова: Поливиниловый спирт, крахмал, биоразлагаемые плёнки, механические свойства, биодеструкция.

Загрязнение окружающей среды пластиковыми отходами признано одной из наиболее острых экологических проблем современности.

Ежегодно в мире производится свыше 400 млн тонн пластика, при этом значительная его часть используется для изготовления одноразовой упаковки с жизненным циклом, исчисляющимся минутами, тогда как время разложения таких материалов в природной среде достигает нескольких сотен лет [1]. Традиционные синтетические полимеры, такие как полиэтилен и полипропилен, практически не подвергаются биодеградации, а так называемые «биоразлагаемые» добавки (оксо-добавки) лишь ускоряют фрагментацию до микропластика, не решая проблему в целом [2].

Одним из перспективных путей модификации ПВС является введение природных биоразлагаемых наполнителей, среди которых наиболее доступен и дёшев крахмал — полисахарид, ежегодно возобновляемый в огромных количествах. Композиты ПВС/крахмал привлекают внимание исследователей благодаря сочетанию технологичности, способности к водной и микробиологической деструкции и регулируемым механическим характеристикам [4, 5].

Цель работы — установление закономерностей влияния массовой доли крахмального наполнителя на физико-механические свойства и кинетику деструкции плёнок ПВС/крахмал и выявление состава, оптимального с точки зрения практического применения.

Задачи:

1. Приготовить пленки с содержанием крахмала 0, 15, 30 и 50 % (от массы ПВС) при фиксированном количестве ПВС.
2. Определить механические свойства (временное сопротивление и относительное удлинение) при разрыве для всех полимеров.
3. Исследовать деструкцию образцов в дистиллированной воде и почвенном субстрате, оценить потерю массы через каждую неделю по 4 раза.
4. Провести анализ полученных данных и выделить полимер сочетающую  механические свойства с высокой скоростью биодеградации

Экспериментальная часть

Материалы и реактивы

· поливиниловый спирт марки 16/1; картофельный крахмал по ГОСТ 7699-78; глицерин; вода дистиллированная.

Получение биоразлагаемых пленок:

5 г ПВС растворяли в 50 мл воды при 90 °С и постоянном перемешивании до прозрачного раствора. Крахмал (0,75; 1,5; 2,5 г) предварительно клейстеризовали в 10 мл воды при 80 °С в течение 10 мин. Растворы смешивали, добавляли 1 мл глицерина и перемешивали ещё 15 мин. Составы с массовой долей крахмала 0, 15, 30, 50 % (относительно ПВС) обозначены соответственно как ПВС-0, ПВС-15, ПВС-30, ПВС-50. Плёнки отливали на чашки Петри и сушили при 40 °С 24 ч. Толщина плёнок 0,20 ± 0,03 мм.

Механические испытания

Из плёнок вырезали полоски 10 × 50 мм. Разрушающее напряжение σ (Мпа) и относительное удлинение при разрыве ε (%) определяли с помощью подвеса грузов известной массы (20–500 г) и измерения деформации. Для каждого состава проводили 5 параллельных измерений, данные усредняли.

Исследование биодеструкции в почвенном субстрате

В качестве модельной среды использовали универсальный цветочный грунт (pH 6,5, содержание органического вещества 45 %) с влажностью, поддерживаемой на уровне 60 % от полной влагоёмкости. Навеску грунта помещали в пластиковые контейнеры объёмом 200 мл. Образцы плёнок 20×20 мм, предварительно взвешенные, закапывали на глубину около 2 см. Контейнеры выдерживали при комнатной температуре (22–24 °С), периодически увлажняя до постоянной массы. Через 7, 14, 21 и 28 суток образцы извлекали, аккуратно очищали мягкой кистью от почвы, промывали дистиллированной водой, сушили при 50 °С до постоянной массы и взвешивали.

Результаты и их обсуждение

Механические свойства

Результаты механических испытаний представлены в таблице 1. Чистая плёнка ПВС-0 характеризуется высокими прочностью (18,2 Мпа) и эластичностью (110 %), что объясняется сильными межмолекулярными водородными связями в матрице ПВС. Введение 15 % крахмала приводит к умеренному снижению прочности примерно на 9 %, а относительное удлинение падает до 89 %. Дальнейшее увеличение доли крахмала вызывает монотонное ухудшение механических характеристик: при 50 %-ном наполнении разрушающее напряжение снижается более чем в 2,5 раза (до 7,0 Мпа), а относительное удлинение — почти в 4 раза (до 28 %). Это свидетельствует о том, что крахмальные зёрна, даже клейстеризованные, выступают как дефекты структуры, нарушая сплошность полимерной матрицы и создавая концентраторы напряжений. Добавленный глицерин способствует некоторой пластификации, однако при высоком содержании крахмала его действия недостаточно, чтобы компенсировать охрупчивание.

Таблица 1.

Механические свойства плёнок ПВС/крахмал

Биодеструкция в почве

Динамика потери массы в почвенном субстрате приведена в таблице 2 и на рисунке 1 (здесь представлено словесное описание). Картина принципиально иная, чем в водной среде: скорость разложения сильно зависит от содержания крахмала. Чистая плёнка ПВС-0 за 28 суток теряет лишь около 12 % массы, что согласуется с известными данными о способности ПВС к микробной деградации, но достаточно медленной [3, 8]. Введение 15 % крахмала увеличивает потерю массы почти вдвое (23 % за тот же период). Наиболее существенный эффект наблюдается для образцов ПВС-30 и ПВС-50: они теряют 36 и 42 % массы соответственно. При этом плёнка ПВС-50 уже к 14-м суткам становится хрупкой, фрагментированной и теряет механическую целостность, тогда как ПВС-30 сохраняет форму до 21 суток.

Таблица 2.

Потеря массы (%) плёнок в почвенном субстрате

Выводы

1. Методом полива из водных растворов получены прозрачные эластичные плёнки на основе поливинилового спирта с добавлением картофельного крахмала (0–50 % от массы ПВС) и глицерина в качестве пластификатора. Толщина плёнок 0,20±0,03 мм.
2. Установлено, что увеличение массовой доли крахмала вызывает монотонное снижение разрушающего напряжения (от 18,2 до 7,0 Мпа) и относительного удлинения при разрыве (от 110 до 28 %),
3. Все композиции полностью разрушаются в дистиллированной воде в течение 24 часов, при этом состав композита слабо влияет на скорость водной деструкции.
4. В почвенном субстрате потеря массы за 28 суток возрастает с 12,3 % для чистого ПВС до 42,3 % для состава с 50 % крахмала. Крахмал является эффективным биоразлагаемым наполнителем, многократно ускоряющим биодеструкцию.
5. Композит ПВС-30 (30 % крахмала) сочетает приемлемые механические свойства (σ = 13,3 Мпа, ε = 65 %) и высокую скорость разложения в почве (потеря 36 % за месяц) и может быть рекомендован в качестве основы для создания недорогих одноразовых упаковочных материалов с программируемым сроком службы.