XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Радикальным решением проблемы полимерного мусора, по мнению большинства специалистов, является разработка, производство и применение широкой гаммы полимеров, способных при соответствующих условиях биодеградировать на безвредные для экологической среды компоненты. Одним из самых распространенных биоразлагаемым полимером является полилактид– полиэфир молочной кислоты. При этом многие считают, что биоразлагаемые полимеры – это все полимеры, которые разлагаются за довольно короткий срок, но на самом деле полимеры, разлагающиеся за короткий срок, делятся на две основные подгруппы:Биоразлагаемые полимеры, получаемые из растительного сырья  (ПЛА и др.) Гидро - и оксо - разлагаемые полимеры, получаемые традиционным путем из нефти (Наиболее частым примером является полиэтилен с оксо-биоразлагаемой добавкой d2w)

(Рис.1. Деструкция биоразлагаемого полимера)

(Рис.2. Структура ПЛА)

Полилактид синтезирован из растительного сырья и является заменой полимеров, полученных из нефтепродуктов, таких, как полиэтилентерефталат, кроме этого, он дешев, нетоксичен и биосовместим с тканями человека. Он применяется в быту (пищевая упаковка, одноразовая посуда, пакеты, различная тара), а также в биомедицине.

Синтез полилактида осуществляется поликонденсацией молочной кислоты  и полимеризацией с раскрытием цикла лактида - циклического эфира молочной кислоты.Саму молочную кислоту получают преимущественно ферментативным путем из углеводного сырья (целлюлоза, крахмал, отходы свекловичного производства).

(Рис.3. Синтез ПЛА)

  Реакцией поликонденсации молочной кислоты не может быть получен полимер с высокой молекулярной массой ввиду ее обратимости. Для смещения равновесия и получения высокомолекулярного продукта в этом случае используется отгонка (в промышленности) или химическое связывание образующейся в процессе воды.Благодаря наличию в своем составе сложноэфирной группы, полилактид способен постепенно гидролизоваться в относительно мягких условиях. При гидролизе полилактида образуется молочная кислота, поэтому считается, что использование материалов на основе полилактида не наносит ущерб биосфере; полимер быстро разлагается в природной среде под действием бактерий (в течение двух месяцев), образуя в конечном итоге Н2О и CO2.

Полиэтилен — термопластичный полимер этилена, относится к классу полиолефинов. Полиэтилен является органическим соединением и имеет длинные молекулы. Мономер полиэтилена:[—CH2—CH2—].Представляет собой массу белого цвета (тонкие листы прозрачны и бесцветны). Химически - и морозостоек, диэлектрик, не чувствителен к удару (амортизатор), при нагревании размягчается (80—120°С), устойчив к действию воды, не реагирует со щелочами любой концентрации, с растворами нейтральных, кислых и основных солей, органическими и неорганическими кислотами, даже с концентрированной серной кислотой, но разлагается при действии 50%-й азотной кислоты при комнатной температуре и под воздействием жидкого и газообразного хлора и фтора. В отличие от непредельных углеводородов, не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия.Нестабилизированный полиэтилен на воздухе подвергается термоокислительной деструкции (термостарению).  Термостарение полиэтилена проходит по радикальному механизму, сопровождается выделением альдегидов, кетонов, перекиси водорода и др.

Так же для сравнения с ПЛА были взяты полиэтиленовые образцы производства Италии и образец российского производства «Биомешок ВкусВилл» с оксо-разлагаемой добавкой d2w, которая является катализатором реакции разрушения и окисления углеродных связей в молекулах полимера через “запрограммированный” рецептурой период времени. Пакет итальянского производства, по отзывам имеет наименьшее время разложения. Разлагаемая упаковка безопасна для будущих поколений.

(Рис.4.«БиомешокВкусВилл»)

Идентификация полимеров методом ИК-спектроскопии.

  Метод ИК-спектроскопии основан на пропускании инфракрасного излучения через вещество происходит возбуждение колебательных движений молекул и  их отдельных фрагментов. При этом наблюдается ослабление интенсивности света, прошедшего через образец. Однако поглощение происходит не во всём спектре падающего излучения, а лишь при тех длинах волн, энергия которых соответствует энергиям возбуждения колебаний в изучаемых молекулах. Следовательно, длины волн (или частоты), при которых наблюдается максимальное поглощение ИК-излучения, могут свидетельствовать о наличии в молекулах образца тех или иных функциональных групп и других фрагментов, что широко используется в различных областях химии для определения структуры соединений. Для подтверждения происхождения биоразлагаемых полимеров, были сняты ИК - спектры чистого полиэтилена, «БиомешкаВкусВилл», а так же полилактида.

(Рис. 5 (а) ИК-спектр ПЭ)

(Рис. 5(б)ИК-спектр биоразлагаемого пакета)

Видно, что спектр биоразлагаемого пакета практически совпадает со спектром чистого полиэтилена, значит биоразлагаемый пакет, на самом деле, представляет собой полиэтилен с оксо-биоразлагаемойдобавкой, ускоряющей процесс разложения. Тогда как по ИК-спектру полилактида видно, что данный полимер не является полиэтиленом.

(Рис. 5(в)ИК-спектр полилактида)

Гидролиз ПЛА .Одним из самых значительных преимуществ полилактида от полиэтилена является его гидролиз. Полиэтилен является одним из самых стойких полимеров. У него максимальная термостойкость, среди его ближайших гомологов, 404°С, полиэтилен устойчив к окислению на воздухе, так же из-за отсутствия гетероатомов в цепи полиэтилен не подвергается гидролизу 

Вывод:

Биоразлагаемый пакет из супермаркета произведен из синтетического полимера - полиэтилена с оксо-добавкой d2w. Результаты ИК-спектроскопии подтверждают этот факт. При разложении с помощьюd2w  ПЭ распадается на фрагменты, которые деструктируют быстрее, чем «чистый» ПЭ, но намного медленнее, чем природные биоразлагаемые полимеры.Без добавки он не подвергается действию гидролиза, т. е.  гидролитической деструкции и оказывается индифферентен к действию ультрафиолетового излучения. Природный биоразлагаемый  полимер – полилактид  подвергается процессу биодеструкции под действием УФ-излучения и воды в течение короткого периода времени в естественных условиях. Полилактид может использоваться как экологичный материал для упаковки без специальных добавок, ускоряющих его распад в окружающей среде.

Список литературы

Биоразлагаемые полимерные смеси и композиты из возобновляемых источников. Под редактирование Лонг Ю; перевод с английского под редактирование В.Н. Кулезнева, 2014 г.- 464 с.

Молекулярная механика биополимеровКостюков Виктор Валентинович,2020 г.-140 с.

Код для цитирования: Скопировать