В мире существует проблема, которая остро нуждаются в применении искусственных биодеградируемых полимеров, — это охрана окружающей среды. Создание материалов из биодеградируемых полимеров необходимо, прежде всего, для решения глобальной экологической проблемы утилизации отходов, в частности переработки пластика, который является основным упаковочным материалом. Разработан материал на основе полиамида с добавлением натурального каучука в целях ускоренного разложения материала после эксплуатации.
Ключевые слова: биоразложение, натуральный каучук, полиамид, биоразлагающий материал, модификация полимерного материала, конструкционный материал.
В настоящее время интенсивно ведутся работы по созданию и исследованию биоразлагаемых (непосредственно под воздействием микроорганизмов или подвергающихся быстрой эрозии под воздействием окружающей среды, с последующей деградацией микроорганизмами) полимеров. В развитых странах большая часть одноразового упаковочного материала уже производится из биоразлагаемых материалов. Существуют некоторые подходы, используемые для борьбы с загрязнением природы и связанные с производством полимеров.
В процессе биодеградации макромолекулы сначала распадаются на небольшие участки (олигомеры), которые затем перерабатываются бактериями. Во многих случаях продуктами распада является углекислый газ и вода [1].
В настоящее время существует проблема в длительности и трудности деградации полимеров и изделий на их основе, что является источником загрязнения окружающей среды. Решением проблемы является создание биоразлагаемых полимерных композитов для промышленности путем введения в основной полимер биоразлагаемого полимера растительного происхождения — неочищенного натурального каучука.
Традиционные способы получения деградируемых полимеров основываются на:
- Использование водорастворимых и биодеградируемых полимеров;
- Введение в основной недеградируемый полимер водорастворимых и деградиремых соединений и полимеров;
- Применение микроорганизмов — деструкторов иммобилизированных в полимер с последующей его деградацией в условиях депонирования.
Однако ни один из этих способов не является универсальным. Так использование водорастворимых и биодеградируемых полимеров ограничено невысоким комплексом эксплуатационных показателей композиций на их основе, что не дает возможности применить их для изготовления высокопрочных изделий в частности медицинских инструментов одноразового использования из металлозамещающих материалов.
Второй способ существенно снижает комплекс эксплуатационных показателей, что также приводит к ограничению сфер использования.
Третий способ — применение микроорганизмов — деструкторов требует четкого временного прогноза работы полимерного изделия. Запуск механизма разложения с помощью микроорганизмов-деструкторов обусловливает определенные условия депонирования: температура, концентрация, влажность и т. п. При этом велика опасность включения этого механизма в период хранения или эксплуатации изделия.
Назначение и область применения.
Биоразлагаемый композиционный материал на основе полиамида и натурального каучука может использоваться для различных сфер применения включая медицинскую промышленность, в то же время как высокопрочный конструкционный материал, то есть являться металлозамещающим.
В качестве основного полимера для получения биоразлагаемых полимерных композиций, предлагается использовать полиамид — наиболее широко представленный среди полимерных материалов, выпускаемый в РФ крупнотоннажно.
Несмотря на то, что в РФ не производится натуральный каучук его потребление очень высоко. Так шины на 30 % состоят из высокоочищенного натурального каучука. Поэтому сырьевая база новых деградируемых в условиях депонирования полимерных композитов не является новой для Российской промышленности.
Предлагаемый способ предусматривает использования в качестве материала, способствующего деструкции полимерного композита, неочищенный натуральный каучук. Технология производства натурального каучука предполагает дорогостоящую, экологически опасную стадию очистки полимера от соединений растительного происхождения, которые вызывают деструкцию изделий на их основе. Преимущества материала:
- Введение в полимерную композицию натурального каучука не снижает комплекс эксплуатационных показателей изделий с его использованием, так как натуральный каучук является высокомолекулярным полимером и имеет высокое сродство к полимерам, из которых изготавливаются изделия.
- Снижаются затраты на очистку натурального каучука.
- Экологический фактор за счет использования возобновляемого сырья — натурального каучука.
- Экономичность за счет использования в композиции менее дорогостоящего компонента — неочищенного натурального каучука.
Характеристика исходных веществ
Для изготовления биоразлагаемого композиционного материала на основе полиамида с 30 % наполнением стекловолокном (ПА 6-СВ-30), очищенного натурального каучука (ОНК) и неочищенного натурального каучука (НК) использовались композиции в следующем соотношении:
1. Композиция А — ПА 6-СВ-30 с наполнением 5 % очищенным натуральным каучуком;
2. Композиция Б — ПА 6-СВ-30 с наполнением 10 % очищенным натуральным каучуком;
3. Композиция В — ПА 6-СВ-30 с наполнением 5 % неочищенным натуральным каучуком;
4. Композиция Г — ПА 6-СВ-30 с наполнением 10 % неочищенным натуральным каучуком;
Определение прочности и относительного удлинения образцов при разрыве проводилось согласно ГОСТ 11262–80 на универсальной испытательной машине марки АI-7000-М при скорости раздвижения зажимов 25 мм/мин. Твердость по Шору D определялась по ГОСТ 24621–91 на дюрометре марки HD 3000, ударная вязкость по Шарпи по ГОСТ 4647–80 — на маятниковом копре марки GT-7045-MDL.
Физико-механические испытания образцов полимеров 30 % наполнения стекловолокном
Таблица 1
Влияние степени наполнения ПА СВ 30 натуральным каучуком на физико-механических свойства композиций
|
|
ПА CВ 30 |
ПА СВ 30 + 5 % НК О |
ПА СВ 30 + 10 % НК О |
ПА СВ 30 + 5 % НК |
ПА СВ 30 + 10 % НК |
|
Прочность при разрыве, МПа |
148,73 |
139,30 |
114,08 |
134,53 |
107,92 |
|
Изменение, % |
|
- 6,3 % |
- 23,3 % |
- 9,5 % |
- 27,4 % |
|
Относит. удлинение при разрыве, % |
4,2 |
3,7 |
3,4 |
3,8 |
3,8 |
|
Модуль упру-гости, МПа |
5586,23 |
5573,8 |
5061,7 |
5248,83 |
4506,70 |
|
Изменение, % |
|
-0,2 % |
-9,4 % |
-6 % |
-19,3 % |
|
Ударная вязкость по Шарпи, кДж/м2 |
67,7 |
65,6 |
57,2 |
58,3 |
58,4 |
|
Изменение, % |
|
-3 % |
-15,5 % |
-13,8 % |
-13,7 % |
|
Твердость по Шору D |
87 |
85 |
84 |
85 |
84 |
|
Изменение, % |
|
-2,3 % |
-3,4 % |
-2,3 % |
-3,4 % |
Таблица 2
Влияние степени наполнения ПА СВ 30 натуральным каучуком на индекс расплава композиций, 230оС/2,16кг
|
Образцы |
Индекс расплава, г / 10 мин |
|
ПА CВ 30 |
8,7 |
|
ПА СВ 30 + 5 % НК О |
14,8 |
|
ПА СВ 30 + 10 % НК О |
14,7 |
|
ПА СВ 30 + 5 % НК |
15,5 г |
|
ПА СВ 30 + 10 % НК |
14,0 |
Прочность при растяжении композиции снижается на 6–9,5 % с введением 5 % масс. натурального каучука и на 23–27 % с введением 10 % масс. но остается достаточно высокой для изготовления биоразлаемых композиционных материалов высокой прочности.
Индекс расплава полимера закономерно увеличивается на 60 %-78 % с введением в композицию НК и практически не зависит от количества и степени очистки введенного НК.
Чем больше величина ударной вязкости, тем лучше материал сопротивляется динамической нагрузке. Образцы из хрупких материалов ломаются легко, с небольшой затратой работы на разрушение. Образцы из пластичных материалов наоборот — требуют на разрушение большей энергии. Ударная вязкость снижается с введением НК и зависит от степени очистки натурального каучука. При введении 5 % масс. неочищенного каучука по сравнению с очищенным в композицию ударная вязкость сильно снижается с 3 % до 13,8 %, что указывает на присутствие в НК низкомолекулярных добавок таких как белки, углеводы, мыла и сахара.
Литература:
1. Биоразлагаемые полимерные материалы/© Унипак.Ру, 1999–2009. — URL: http://ref.unipack.ru/13/ (дата обращения 9.10.2009)
