Биоразлагаемые композиции на основе полиэтилена высокой плотности и крахмала тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ
Работа выполнена в Кабардино-Балкарском государственном университете им. Х.М. Бербекова.
заслуженный деятель науки Кабардино-Балкарской Республики, доктор химических наук, профессор Шустов Геннадий Борисович
доктор технических наук, профессор Данилова-Волковская Галина Михайловна
доктор технических наук, профессор Каскулов Мусабий Хабасович
Северо-Кавказский горнометаллургический институт (государственный технологический университет)
Защита состоится « 23 » декабря 2005 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.076.09 при Кабардино-Балкарском государственном университете им. Х.М. Бербекова по адресу: 360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова.
Автореферат разослан «¿Д.» 005 г.
Ученный секретарь диссертационного совета доктор химических наук, профессор
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Объем производства полимерных материалов в последние годы непрерывно и быстро возрастает. Как следствие, большое значение приобретают вопросы как повышения качества, надежности и долговечности получаемых из них изделий, так и вопрос их уничтожения и захоронения после истечения срока эксплуатации. Одним из наиболее приемлемых способов решения этих важных вопросов является создание биодегради-руемых материалов. Достигается это при развитии трех основных направлений: создание биодеградируемых полиэфиров, создание пластических масс на основе воспроизводимых природных полимеров, придание биоразлагае-мости промышленным высокомолекулярным синтетическим материалам.
Важное место в исследованиях занимает проблема придания свойств биоразложения хорошо освоенным многотоннажным промышленным полимерам: полиэтилену, полипропилену, поливинилхлориду, полистиролу, по-лиэтилентерефталату. Так как, перечисленные полимеры и изделия из них при захоронении могут храниться «вечно», то вопрос придания им способности биоразлагаться стоит особенно остро.
В лабораториях Кабардино-Балкарского государственного университета им Х.М. Бербекова разрабатывается одно из направлений получения биоразлагаемых полимеров, а именно получение композиций многотоннажных полимеров с биоразлагаемыми природными добавками, способными в определенной степени инициировать распад основного полимера - полиэтилена. В качестве источника питательной среды для микроорганизмов в композициях служит крахмал. Выбор именно этого природного полимера обусловлен наличием его производства в республике, что является важным экономическим аспектом. Крахмал производиться на территории ОАО «Кабардинский крахмальный завод» (КБР, Майский район, ст. Александровская).
*-■ В связи с изложенным выше, автору представляется очевидной актуаль-
ность и перспективность работы, которая посвящена созданию биоразлагаемых композиций на основе полиэтилена высокой плотности и кукурузного крахмала.
Цель работы: основная цель состояла в придании полиэтилену высокой плотности биоразлагаемости без существенного влияния при этом на его эксплуатационные свойства. В связи с этим были сформулированы следующие основные задачи работы:
- приготовление композиций «полиэтилен + крахмал», исследование их деформационно-прочностных и диэлектрических показателей;
- изучение реологических свойств полученных композиций;
- исследование методами ИК-спектроскопии, электронной и сканирующей зондовой микроскопии и рентгеноструктурный анализ используемых материалов и композиций на их основе;
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА _ 1
- исследование стойкости композиций «полиэтилен + крахмал» в различных агрессивных средах и анализ поведения композиций в воде;
- исследование воздействия микроорганизмов почвы и УФ-облучения на полученные композиции;
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем: проведенные исследования позволили установить определяющую роль крахмала в формировании надмолекулярной структуры смесей полиэтилена и крахмала. Впервые была показана зависимость диэлектрических характеристик от содержания крахмала в полиэтилене, которая позволяет в перспективе определять легко разрушаемый состав. Определено пороговое значение содержания крахмала в композициях (20 масс.%), выше которого наблюдается резкое изменение физико-механических свойств исследуемых образцов композиций. Изучено влияние соотношения компонентов в исходной полимерной композиции на физико-механические и физико-химические свойства конечного продукта Исследованы биодеструкция при захоронении в почву (тип почвы - светло-серые лесные и серые лесные) и фоторазрушение под воздействием УФ-облучения ( X > 300 нм) полученных композиций.
Практическая значимость работы В результате выполнения работы получены композиции на основе полиэтилена и крахмала, способные сохранять исходные физико-механические и физико-химические свойства и био-разлагаться под действием микроорганизмов почвы и УФ-облучения после истечения срока эксплуатации.
Сохранение комплекса заданных физико-механических свойств полиэтилена в процессе хранения, переработки и эксплуатации является одним из основных требований предъявляемых промышленностью и народным хозяйством. На основе показателей текучести расплава полученных композиций установлено, что все они могут перерабатываться на традиционном для синтетических пластмасс оборудовании методом экструзии. Полученные результаты позволили выделить несколько рецептурных состава оптимально согласующихся с требованиями предъявляемыми к полимерным пленочном материалам, которые могут подвергаться био- и фоторазрушению. Использование природных полимеров в разумных пределах для придания биоразлагаемости ПЭ после истечения срока его эксплуатации позволяет решить проблему утилизации полимерных отходов. В перспективе результаты работы могут быть использованы для создания био-разлагаемых полимеров на территории республики.
Личный вклад автора: все исследования спланированы и проводились автором лично или при непосредственном его участии.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на: десятой международной конференции «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений», Вторые Кирпичниковские чтения (Казанский государственный технологический университет Министерства образования Российской Федерации, Казань,
2001 г.); научно-практической конференции «Химия в технологии и медицине» Дагестанского госуниверситета (Махачкала, 2001 г.); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Перспектива -
2002 (Нальчик, 2002 г.); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Перспектива-2003 (Нальчик, 2003 г.); II Всероссийской научно-технической конференции «Новые полимерные композиционные материалы» (Нальчик 2005 г.)
Публикации. Основные результаты исследований изложены в 9 научных работах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов, списка цитируемой литературы из 160 наименований. Она изложена на 116 страницах машинописного текста и включает 16 таблиц и 33 рисунка.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение. Обоснована актуальность темы исследования, цель работы, научная новизна и практическая ценность работы.
Глава 1. Литературный обзор. В данной главе приведен обзор и анализ литературы, посвященной вопросам создания биодеградируемых материалов, а также утилизации и захоронению полимерных отходов. Обоснован выбор материалов в качестве объектов исследования композиций на основе полиэтилена и крахмала, приведены характеристики методов исследования биоразлагаемости полимеров. Дано описание свойств и областей применения биоразлагаемых полимерных материалов.
Глава 2. Экспериментальная часть. Включает краткое описание используемых в работе реактивов и материалов, а также методов исследования: реологических, физико-механических, диэлектрических и морфологических исследований образцов, а также методов исследования био- и фоторазложения полученных композиций.
Глава 3 посвящена обсуждению полученных результатов.
3.1. Исследование реологических и физико-механических свойств исходного ПЭ-273 и композиций ПЭ-273 + крахмал.
Под биоразлагаемыми полимерами следует понимать полимеры, разлагаемые под влиянием микроорганизмов (бактерий, грибков, морских водорослей) в аэробных и анаэробных условиях
Для придания полиэтилену высокой плотности биоразлагаемости к нему добавляли природный полимер - крахмал. Следует отметить, что, несмотря на предварительную подготовку крахмала в процессе исследования, приготовить удалось смеси, содержащие от 1,5 до 30 масс. % крахмала, пластифицированные глицерином (на 100 г смеси 10 мл глицерина). Композиции готовились из двух партий и были захоронены в двух различных типах почв, наиболее характерных для территории КБР (серые лесные и светло-
серые лесные). Так как по своим основным параметрам эти два типа почв очень близки, а при исследовании реологических и физико-механических показателей образцов до и после закапывания в почву значения практически совпадают, то на обсуждение выносятся результаты, полученные при захоронении композиций и исходного полиэтилена в серые лесные почвы. Полученные композиции после определения показателя текучести расплава представляют собой твердый белый (иногда серый или желтоватый) продукт с тонкой пенообразной структурой Из полученных экструдированных образцов при прессовании образуются прочные эластичные пленки.
В качестве реологических характеристик исследовались значения показателя текучести расплава (ПТР), основные физико-механические свойства - на примере напряжения и деформации разрушения при одноосном растяжении. Результаты выполненных исследований представлены в табл. 1.
Физико-механические свойства прессованных образцов композиций на основе полиэтилена и крахмала
№ Состав композиций,% ПТР190 1111 21,6 ПТР190 2,16 стр,МПа е о™ при разрыве
1 100 0 6,36 0,11 36,3 >500
2 98,5 1,5 17,57 0,30 17,7 35
3 97 3 34,87 0,58 17,7 53
4 95 5 45,93 0,77 17,7 27
5 93 7 37,94 0,63 15,1 15
6 90 10 31,5 0,53 10,8 9
7 85 15 17,06 0,28 16,7 12
8 80 20 36,36 0,61 12,3 19
9 70 30 43,02 0,71 *
* композиция настолько хрупкая, что разрушается без внешнего воздействия.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что с увеличением процентного содержания крахмала в композициях происходит возрастание показателя текучести расплава (ПТР), а прочность и удлинение при разрыве снижаются, т.е. композиции становятся более хрупкими. При содержании в композициях 30 масс. % крахмала теряются все эксплуатационные характеристики, а ПТР соответственно выше по сравнению с ПТР остальных составов. Наиболее легко разрушаемыми из полученных композиций являются композиции с содержанием крахмала 10 и 20 масс. %. Так как введение уже небольших количеств крахмала до 1.5 масс. % приводит к резкому падению прочности почти в 2 раза, а ПТР при этом возрастает в 3 и более раз, можно
предположить, что происходит распределение крахмала между надмолекулярными образованиями, ослабление связи между ними и повышение их подвижности. Одновременно с увеличением содержания крахмала повышается жесткость образцов, они становятся более хрупкими.
Следует отметить, что исследование ИК-спектров исходного полимера и полученных смесей показало, что в процессе термической обработки происходят некоторые изменения в области 1300-900 см"1. Это по видимому, свидетельствует об образовании полиэтилена с крахмалом, соединений включения и Н-комплексов. Кроме того, исследования, выполненные с использованием рентгеноструктурного анализа, электронной и сканирующей зондовой микроскопии также показали влияние крахмальной компоненты на формирование морфологических особенностей композиций «полиэтилен + крахмал». Рентгеноструктурный анализ показал, что степень кристалличности композиций при введении крахмала меняется незначительно и позволяет заключить, что крахмал не входит в кристаллические области полиэтилена. Данные полученные методом электронной и сканирующей зондовой микроскопии позволяют говорить о неоднородности распределения крахмальной фазы в поверхностных слоях композиций (рис.1).
ПЭ-273 + 10 % крахмала ПЭ-273 + 15 % крахмала
Рис. 1. Фотографии поверхности пленок ПЭ-273 и композиций на основе ПЭ-273 и крахмала. Получены на оптическом микроскопе МБС-1 с разрешением 10 мкм
3.2. Исследование диэлектрических свойств композиций «полиэтилен + крахмал»
При термической обработке полученных композиций происходят изменения диэлектрических свойств Так, показана зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры Т для исходного полиэтилена (рис 2). На рис.2 видно, что значения неизменны до 120 °С, значения тангенса с учетом этой частоты 104 Гц (10'3 - 10"2) соответствуют приводимым в литературе. Это соответствие важно с той точки зрения, что затем наблюдения и выводы, относящиеся к композиции «ПЭ + крахмал» можно распространить (обобщить) в большей степени на другие полиолефины При температуре выше 120 °С наблюдается подъем зависимости тангенса tg8 от Т с возможным пиком при 190 °С (рис. 2).
Рис.2. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tg5 от температуры Г для образцов исходного нестабилизированного ПЭ-273.
Режимы предварительной термообработки: Т= 100°С, вакуум,
5 часов (1) и Т= 100°С, без вакуума, 1 час. (2). Частота - 10 кГц
Указанная температурная зависимость существенно изменяется при введении крахмала. Например, при его содержании 1,5 масс. % фоновые значения tg5 несколько повышаются. Сама фоновая область расширяется. Намечавшийся пик при температуре 190 °С исчезает, зато обнаруживается четкий максимум при 85-90 °С (рис. 3).
40 80 120 160 200 240 Т. 'С
Рис. 3. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры Тдля композиции ПЭ-273 + 1,5% крахмала. Частота - 10 кГц
Так как этот пик для исходного ПЭ не имел места, его появление можно отнести или к крахмалу, или к свойствам собственно композиции ПЭ + К. Это предположение подтверждается при рассмотрении графика зависимости tgS от Г композиций ПЭ + 3 и 5 масс. % К (рис. 4, 5).
0 40 80 120 160 2и0 Г, 'С
Рис. 4. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tg5 от температуры Г для композиции ПЭ-273 + 3% крахмала. Частота - 10 кГц
II 40 SO L20 160 20 и 240 T.'C
В первом случае имеются уже 2 низкотемпературных пика: примерно при 45 °С и 100 °С. Во втором, появляется уже 3-4 низкотемпературных пика, притом, что общий фон значений tg5 растет и на всем температурном интервале tg5 не меньше, чем 10
2 (рис. 4, 5). Эти наблюдения позволяют предположить усиление влияния добавки на свойства композиции уже при этих концентрациях.
Это усиление вклада крахмала в свойства композиции интересным образом проявляется при изучении составов с более высоким содержанием крахмала (рис. 6) При 10 % -ном содержании крахмала резко увеличивается (в 5-50 раз по сравнению с 5 %-ным содержанием) фон значений tg6. Низкотемпературные пики сливаются в один широкий интервал (25-130 °С) пик. Очевидно, что этот состав, а в еще большей степени и состав с 15 %-ным содержанием крахмала, обнаруживает свойства рыхлой, возможно максимально полярной, легко разрушаемой в перспективе.
Отдельно стоит рассмотреть в сравнении композиции с высоким содержанием крахмала. На рис.6 приведена зависимость tg8 от Т для композиций с содержанием 7, 10, 15 масс. %. Довольно неожиданно, было обнаружено, что состав с 7 масс. % крахмала даже на фоне значений tgS от 0,05 до 0,15 (10-15 масс. % К) имеет очень высокие диэлектрические потери во всём температурном интервале, начиная от 35 °С и выше. По этой причине композиции такого состава непригодны для эксплуатации. Дальнейшее повышение содержания крахмала до 10 масс. % повышает показатель текучести расплава и понижает прочность на разрыв. При содержании крахмала 15 масс. % потери составляют не более 0,15 % , т.е. отношение той доли тепла которое рассеялось в три раза меньше, оставшегося в полимере. По всей видимости, это наиболее разрушаемая в перспективе композиция. Аналогично поведение композиции с 20 % крахмала.
Рис. 5. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь
tg8 от температуры Г для композиции ПЭ-273 + 5 % крахмала. Частота - 10 кГц
О 40 80 120 160 200 Г,° С
Рис.6. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tg5 от температуры Г для композиций ПЭ + крахмал.
Частота - 10 кГц
Итак, если судить в целом по исходным реологическим, диэлектрическим и прочностным характеристикам, то наиболее подходящими нам как по эксплуатационным характеристикам, так и в плане возможности утилизации являются составы с 1,5; 3; 5; 10 масс. % крахмала (табл. 1, рис. 2-6).
3.3. Химическая стойкость композиций ПЭ +К.
Было изучено также действие агрессивных сред на полученные образцы по ГОСТ 12020-72. В качестве агрессивных сред использовались: НС1 - 10%-й раствор, NaOH - 10 %-й раствор. Кроме этого, изучалось поведение композиций при контакте с дистиллированной водой.
Химическая деструкция, которая наблюдается при контакте полимеров с агрессивными веществами, представляет собой сложный физико-химический процесс. При этом могут происходить самые различные изменения в структуре полимера.
При рассмотрении изменения массы в зависимости от времени в кислой среде для образцов полиэтилена и его композиций с крахмалом не наблюдается резких потерь массы или набухания образцов. Значения находятся в интервале от -0,4 до 2%. Причем после 12 суток испытаний изменения массы не происходит.
В тоже вреди следует отметить более резкие изменения ПТР композиций уже после 3-х суток экспозиции образцов в кислой среде. Так при действии раствора соляной кислоты на композиции с содержанием крахмала 3, 5 и 7 масс.% значение ПТР уменьшается в 2-3 раза, а для композиции с содержа-
нием 15 масс. % крахмала показатель текучести расплава увеличивается в 2 раза. Наиболее стабильным в этом отношении является состав с содержанием 10 масс. % крахмала. Следует отметить, что после выдерживания всех композиций в растворе соляной кислоты начиная с 6 суток ПТР практически не меняется вплоть до 18 суток. Однако, независимо от этого ПТР композиций выше ПТР расплава чистого полиэтилена (рис. 7), кроме составов с содержанием 1,5, 3, 5 масс. %.
0 3 б 9 12 15 18 £, сутки
Рис.7. Зависимость показателя текучести расплава (ПТР) от времени экспозиции / в кислой среде для образцов ПЭ и его композиций с крахмалом. Содержание крахмала, масс %: /-0; 2-1,5; 3-3; 5; 5-7; 5-10; 7-15
Следовательно, происходят структурные преобразования молекул крахмала, что является причиной снижения значений ПТР, т.е. увеличения вязкости расплава полимера.
Полиэтилен не реагирует со щелочами любой концентрации. Но в тоже время известно, что разные виды крахмала адсорбируют большое количество щелочи (до 35-60 %). Кроме того, растворы щелочей понижают температуру клейстиризации крахмала.
В целом значение ПТР полученных композиций значительно выше ПТР исходного полиэтилена (рис. 8). Наиболее стабильными в этом отношении являются композиции с содержанием крахмала 1,5 и 15 масс. %. Если в первый момент, при экспозиции в щелочной среде образцов до 3 суток, ПТР композиций понижается, то начиная с 6 до 18 суток практически не меняется, оставаясь, несмотря на это выше ПТР чистого полиэтилена в 3-6 раз, что говорит о понижении вязкости расплава полученных композиций по сравнению с вязкостью расплава исходного полиэтилена.
от времени экспозиции г в щелочной среде для образцов ПЭ и его композиций с крахмалом. Содержание крахмала, масс. %.
/ - 0; 2- 1,5; 5- 3; 5; .5- 7; б - 10; 7- 15
Наряду с исследованием воздействия агрессивных сред на образцы полученных композиций было изучено влияние на них дистиллированной воды. Основной процесс набухания образцов происходит на 6-е сутки экспозиции, а на 12-е сутки экспозиции в дистиллированной воде практически наступает равновесие в системе. При этом изменение ПТР после экспозиции в дистиллированной воде для 4-х композиций на 3-е сутки проходит через минимум (рис. 9). Установлено, что, как и в случае воздействия растворов соляной кислоты и щелочи, наблюдается стабилизация ПТР образцов исходного полиэтилена и композиций после 12 суток экспозиции в дистиллированной воде (рис. 7-9).
от времени экспозиции / в воде для образцов ПЭ и его композиций с крахмалом Содержание крахмала, масс %. 1-0; 2- 1,5; 3 - 3; 4 - 5; 5 - 7; б- 10; 7- 15
Отметим также, что ПТР исследуемых композиций сохраняет более высокие значения, чем исходный полиэтилен после воздействия на них агрессивных сред и воды в течение 18 суток (рис 7-9). Можно предположить, что, так как любая почва является определенной химической средой, то и поведение полученных композиций при закапывании в почву может быть аналогичным.
3.4. Исследование воздействия ультрафиолетового излучения на полученные композиции.
Ускоренные испытания малой длительности проводились в устройстве для облучения (везерометре) согласно ГОСТ 11279.2-83. В везерометре образцы в виде пластинок устанавливают на наружной стороне вертикального цилиндрического барабана, вращающегося вокруг ультрафиолетовой лампы. Облучение образцов происходит при температуре 40 °С и длине волны Л>300 нм. Известно, что облучение в течение 100 ч в везерометре эквивалентно приблизительно одному году экранирования в природных условиях. В везерометр устанавливались образцы в виде полосок размером 100* 10* 1мм. Изменение физико-механических характеристик исходного полиэтилена и композиций на его основе наблюдали в течение 12 суток (288 часов). Результаты представлены в табл. 2,3. и на рис. 10,11.
Образцы исходного полиэтилена подвергаются разрушению уже после 42 часов облучения, при облучении в течение 96 часов удлинение возрастает, а нагрузка при разрыве снижается (рис 10, табл. 3)
Физико-механические и реологические показатели исходного ПЭ-273 и композиций на основе ПЭ-273 + крахмал (2 партия материалов)
№ Состав, масс.% ПТР21,6 г/10 мин ПТР2Д6г/10 мин Ор,, МПа ^отн - - 0
1 100 0 5,98 0,10 36 >600%
2 98,5 1,5 11,24 0,19 14 23
3 97 3 20,01 0,33 10 29
4 95 5 32,33 0,54 14 34
5 93 7 36,63 0,61 7,7 20
6 90 10 33,80 0,56 13 35
7 85 15 23,96 0,40 13 31
8 80 20 36,40 0,61 10 28
9 70 30 43,02 0,72 разруш.
Изменение относительного удлинения при разрыве исходного ПЭ-273 и композиций на основе ПЭ-273 + крахмал при фотооблучении (2 партия материалов)
№ Состав, масс. % £отн ,% ИСХ £от„,% 42 ч. бот. % 96 ч. £от„,% 192 ч. ботн 5 ^ 288 ч .
1 100 0 >600 30 46 38 35
2 98,5 1,5 23 23 25 21 17
3 97 3 29 28 28 23 18
4 95 5 34 23 23 23 20
5 93 7 20 21 18 16 17
6 90 10 35 16 18 18 11
7 85 15 31 24 20 18 18
8 80 20 28 23 17 15 14
Рис. 10. Зависимость разрывного напряжения образцов исходного (1) и модифицированного крахмалом ПЭ от времени фотооблучении. Содержание крахмала: 1,5 (2); 3 (3); 5 (4); 7 (5); 10 (6); 15 (7) и 20 (8) масс. %
Вначале облучения до 42 часов при содержании в композициях 10 масс. % крахмала снижается относительное удлинение и разрывное напряжении почти в 2 раза, а к окончанию экспозиции (после 288 часов облучения) разрывное напряжение снижается в 6 раз, а относительное удлинение понижается в 3 раза (табл. 3, рис. 10). Тогда как для исходного полиэтилена
при облучении в течение 288 часов разрывное напряжение уменьшается только в 2,5 раза. Показатель текучести расплава при содержании 10 масс. % крахмала стабильно снижается. Следует отметить, что для композиций с содержанием крахмала 1, 5, 3, 5 масс. % не наблюдается такого резкого снижения ни относительного удлинения, ни прочности. Показатель текучести расплава для всех композиций «полиэтилен + крахмал» резко уменьшается к моменту 96 часов облучения, а дальнейшее фотооблучение (до 288 часов) не приводит к значительным изменениям вязкости расплава (рис. 11). Из полученных составов можно выделить состав содержащий 5 масс. % крахмала, как состав практический не теряющий своих деформационно-прочностных характеристик в процессе фотоблучения.
Таким образом, при облучении полиэтилена и композиций «полиэтилен + крахмал» происходят сложные структурные изменения. В целом действие УФ-излучения на исследуемые композиции вызывает модификации, частично обусловленные механизмом с участием свободных радикалов. Разложение в результате поглощения УФ-излучения связано с наличием флюоресцентных хромофор в крахмале и нефлюоресцентных хромофор в глюкозидных группах (рис. 10,11).
и модифицированного крахмалом ПЭ от времени фотооблучении. Содержание крахмала: 1,5 (2); 3 (3); 5 (4); 7 (5); 10 (6); 15 (7) и 20 (8) масс. %
3.5. Биоразложение в почве композиций ПЭ + К
Биоразложение полимера является сложным процессом, на скорость и завершенность которого влияют не только строение и свойства полимера и полимерного материала, но и окружающие условия. Из окружающих условий первостепенное влияние оказывают влажность, температура, рН, свет, а также такой комплексный фактор как контакт с почвой и тип почвы. В свою очередь тип почвы - это комплекс соответствующих факторов и соответствующее сообщество микроорганизмов.
Биоразложение в почве определялось при выдерживании полученных прессованных образцов в почве на протяжении 42 суток. Тип почвы: серые лесные и светло-серые лесные (наиболее распространенные на территории КБР). Предварительно были измерены почвенные характеристики: рН (водная вытяжка) = 6,5; рН (солевая вытяжка) = 6; гумус = 3,5 %; емкость поглощения 25-30 мг-экв/100 г почвы. Затем проводилось изучение их реологических и деформационно-прочностных характеристик Результаты представлены в табл. 4,5 и на рис. 12,13.
При биодеструкции в почве ярко выражено следующее: разрывное напряжение полученных композиций намного ниже разрывного напряжения образцов исходного полиэтилена (рис. 12, табл. 4), который даже после закапывания в почву не деструктирует (относительное удлинение более 600 %). Прочность образцов композиций «полиэтилен + крахмал» после 14 суток биодеструкции в почве практически не меняется, а относительное удлинение уменьшается для всех полученных композиций, за исключением композиций с содержанием крахмала 1,5 и 3 масс. %. С увеличением времени биодеструкции относительное удлинение продолжает снижаться. Например, для композиции с содержанием крахмала 7 и 15 масс. % относительное удлинение уменьшается в 2,5 раза, а прочность в 2 раза. Следует отметить, что для композиций с 5, 7, 10, 15, 20 масс. % крахмала при нахождении в почве до 14 суток биодеструкции ПТР снижается, соответственно увеличивается вязкость расплава данных композиций.
Изменение разрывного напряжения прессованных образцов композиций на основе полиэтилена и крахмала при биодеструкции
№ Состав композиции, масс. % МПа исх. стр, МПа 14сут. стр, МПа 28 сут. Стр, МПа 42 сут.
1 100 0 36,3 36,2 36,2 35,3
2 98,5 1,5 14,2 13,5 13,0 10,6
3 97 3 10,2 15,8 14,5 13,7
4 95 5 14,1 10,4 8,8 8,0
5 93 7 7,8 7,1 3,4 3,0
6 90 10 13,0 12,4 9,0 8,3
7 85 15 12,7 12,3 7,9 6,1
8 80 20 10,4 10,8 8,1 7,9
Изменение относительного удлинения при разрыве прессованных образцов композиций полиэтилена и крахмала при биодеструкции
№ Состав композиции, масс. % Б отч ,% исх. 8 „„.,% 14сут. е % & ОТН'Э /и 28 сут. £ отн->% 42 сут.
1 100 0 >600 >600 >600 >600
2 98,5 1,5 23 27 28 28
3 97 3 29 38 38 39
4 95 5 34 18 11 10
5 93 7 20 18 8 7
6 90 10 35 25 17 8
7 85 15 31 16 15 12
8 80 20 28 24 22 18
О 5 10 I? 20 25 30 40 45