Экологически безопасная пленка для упаковки штучных изделий

К середине XX в. упаковка выдвинулась в число приоритетных отраслей экономики индустриально развитых стран. Состояние упаковочной отрасли и потребительские свойства упаковок для промышленных товаров в значительной мере характеризуют культуру товарного производства и торговли. В последние десятилетия интенсивно растет потребность в гибкой полимерной упаковке, которая имеет ряд технико-экономических и эстетических достоинств [1].

Пленочная полимерная упаковка имеет предельно короткий жизненный цикл и после завершения назначенного применения переходит в разряд отходов, требующих утилизации. В результате интенсивного наращивания объемов тароупаковочного производства в конце XX - начале XXI в. в угрожающем для экологии масштабе возросло количество отходов бытового потребления. Внимание к защите окружающей среды от засорения отходами полимерной упаковки стало фундаментальной долговременной тенденцией упаковочной индустрии [2].

В начале XXI века актуальным направлением снижения остроты проблемы, возникшей при утилизации отходов полимерной упаковки, являлось компостирование (способ обезвреживания отбросов с помощью компостов – органических удобрений) и изготовление упаковки из биоразлагаемых и биоразрушаемых полимерных композитов. Последние чаще всего представляют собой полимерные связующие, наполненные органическими веществами, которые являются питательной средой для бактерий, грибов, дрожжей и др. Такие пластики ускоренно деструктируют под воздействием микроорганизмов и факторов окружающей среды [3,4].

Проведенные ранее эксперименты [5] показали, что при попадании упаковки в почвенный слой, прочность при разрыве, как основной показатель её биоразложения, после упрочнения, длящегося несколько месяцев, экспоненциально снижается вследствие обрастания микроорганизмами, утилизации ими частиц наполнителей и биодеструкции макромолекул [6]. В принципе, за промежуток времени, исчисляемый десятилетиями, биоразрушаемая пленка должна деградировать полностью, превратясь в воду и углекислый газ [5].

В последнее время наметилась тенденция изготовления многослойной упаковки из водорастворимых полимеров [7, 8]. Такая упаковка позволяет пленки в почвенном слое за счет наличия влаги быстро растворяться, а сами водорастворимые полимеры, являясь экологически безопасными, способны удерживать влагу, тем самым, улучшая в засушливых районах водно-воздушный баланс почвы. Изучению водорастворимых полимеров посвящена не одна монография [9, 10]. Но в связи с тем, что физико-механические свойства водорастворимых пленок во многом зависят от времени их выдержки после налива соответствующих растворов на инертные подложки, температуры и влажности окружающей среды, то целью работы являлся сравнительный анализ свойств различных водорастворимых полимеров и их смесей в одинаковых условиях с целью определения оптимального состава для экологически безопасной упаковки.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В качестве объектов исследования использовали поливиниловый спирт (ПВС), натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (NaКМЦ), полиакриламид-гель (ПАА) и крахмал картофельный.

Реологические свойства водных растворов изучали с помощью вискозиметра Сар 2000+ в системе цилиндров "конус-плита".

Для измерения концентрации ионов водорода использовали рН-метр рН-150М. Измерения проводили согласно ГОСТ 8.134-98, погрешность измерений составляла ±0,2 рН.

Для изучения пленки получали методом налива на полиэтиленовую (инертную) подложку, адгезия к которой минимальна. Время от момента налива водных растворов на инертную подложку до проведения испытаний – 3 суток. Температура окружающей среды 23±2 ْ С, влажность – 83±2%.

Поверхность пленок исследовали с помощью оптического микроскопа Intel Р1ay.

Изучение структуры пленок проводили методом ИК спектроскопии на спектрофотометре «Nicolet 2400». Оптическую плотность характеризовали интенсивностью поглощения D, определенной методом базовой линии. В качестве характеристических полос использовали полосу 3350 см–1, которую можно отнести к внутримолекулярным водородным связям, и полосы 3405 и 3305 см–1, относящиеся к межмолекулярным водородным связям [11].

Полученные результаты обрабатывали методами математической статистики с надежностью 0,95. Повторность опытов – трехкратная.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для исследований были приготовлены водные растворы ПАА и NaКМЦ, их смеси, а также водные растворы ПВС, отличающиеся между собой концентрациями второго матричного полимера и наполнителя (таблица 1).

Вследствие химического строения и особенности процесса получения водные растворы ПАА и ПВС имеют слабокислую реакцию, а водный раствор NаКМЦ – щелочную, что оказывает заметное влияние на их свойства (таблица 1).

Таблица – Исследуемые водные растворы и их свойства

Соотношение ингредиентов, масс.ч.	рН	Динам. вязкость Па·с (при градиенте сдвига 133 с-1)	Прочность при разрыве, МПа
100H 2 О+10ПВС+5крахмал	6,13	341	40
100Н 2 О+10ПВС+5NаКМЦ	7,05	2075	60
100Н 2 О+10ПВС+1,5 ЖС	6,33	80	15
100Н 2 О+10ПВС+5 ПАА	6,76	150	23
100Н 2 О+10ПВС	6,30	487	44
100Н 2 О+5NаКМЦ	9,60	170	30
100Н 2 О+5ПАА	6,50	65	20
100Н 2 О+5ПАА+5NаКМЦ	8,48	190	35

Проведенные реологические исследования позволили установить, что вязкость всех растворов с увеличением скорости сдвига монотонно уменьшается. При этом все составы обладают высокой текучестью, за исключением состава на основе смеси ПВС и NаКМЦ. Уже спустя полчаса с момента добавления NаКМЦ в порошкообразной форме в водный раствор ПВС и его набухания состав приобретает гелеобразные свойства, а его реологическая кривая хотя и имеет такую же зависимость, но значения почти на порядок выше (рис. 1).

Рисунок 1 – Зависимость динамической вязкости исследуемых составов от приложенных касательных напряжений

Анализ ИК-спектров пленок (рис.2), полученных из выбранных растворов, свидетельствуют об увеличении количества меж- и внутримолекулярных водородных связей при введении в водные растворы полимеров второго матричного полимера. Наибольшее количество меж- и внутримолекулярных водородных связей наблюдается в пленках, полученных на основе ПВС+NaКМЦ. На наш взгляд, это связано с тем, что именно в таком составе суммарно наблюдается наибольшее количество ионов гидроксила и атомов кислорода.

Рисунок 2 – ИК спектры исследуемых пленок

Сравнительный анализ морфологии поверхностей пленок из ПВС, NаКМЦ и их смеси свидетельствует об образовании в водном растворе смеси ПВС+NаКМЦ небольшого количества глобулярных структур, хотя сами пленки имеют фибрилярную структуру (рис. 3). Так как NаКМЦ является жесткоцепным полимером, то образование глобулярных структур в смеси ПВС+NаКМЦ может свидетельствовать о больших значениях сил электростатического отталкивания между макромолекулами.

а                                         б

в

Рисунок 3 – Структура пленок, полученных из водных растворов на основе (×60) а – NаКМЦ; б – ПВС; в – смеси NаКМЦ и ПВС(NаКМЦ: ПВС = 1:2)

Сравнительный анализ прочности при разрыве исследуемых пленок свидетельствует, что пленки на основе смеси ПВС+NаКМЦ обладают наибольшей прочностью при разрыве. Сравнивая значения прочности при разрыве исследуемых пленок, можно сделать вывод, что, совмещение любых двух из трех исследуемых полимеров в водной среде для приготовления пленок способствует росту прочности при разрыве.

В то же время введение в качестве наполнителя крахмала не приводит к заметному изменению вязкости и прочности при разрыве. Учитывая то, что использование крахмала в пленке позволяет ей, оказавшись в почвенном слое, привлекать различных насекомых, это благоприятно сказывается на водновоздушном режиме почвы.

ВЫВОД

Установлено, что использование в качестве наполнителя крахмала в водном растворе ПВС не приводит к значительным изменениям реологических свойств раствора и прочности при разрыве образующихся из него пленок. В тоже время, попав в почвенный слой, такая композиция способна одновременно удерживать влагу и привлекать насекомых, улучшая тем самым водно-воздушный режим.

В случае необходимости использования упаковочного материала на основе экологически безопасных водорастворимых полимеров с повышенной прочностью при разрыве целесообразно получать такой материал на основе водного раствора смеси ПВС и NаКМЦ.

Полученные результаты защищены поданными заявками на изобретения.