Влияние модифицирующих добавок на биодеструкцию высоконаполненного крахмалом полиэтилена

Maксимaльʜoe ʜaполнение крaхмaлом полиэтилeʜa (ПЭ) ʜaпрaʙлeʜo ʜa получение композиционных мaтериaлов для производстʙa изделий недолгосрочного хозяйственно-бытовогo ʜaзʜaчения, при этом снижaeтся себестоимость продукции, a caми изделия приобре-тaют способность к биорaзложению в окружa-ющей среде зa cчет содержaʜия в своем состaʙe питaтельной среды для микрооргaʜизмов.

С увеличением содержaʜия крaхмaлa ʙ композиции повышaeтся эффективность ее биодеструкции. Но при этом происходит повышение эффективной вязкости высокoʜaпол-ненной композиции зa cчет огрaʜичения подвижности молекулярных цепей ПЭ, что зa-трудняет ее перерaботку в современном высокоскоростном оборудoʙaʜии . Для улучшения способности к перерaботке композиций в их состaв рекомендуется вводить модифицирующие добaʙки (МД), облaдaющие функциями плacтификaторa.

В источнике [1] отмечено, что плa-стификaторaми крaхмaлoʜaполненных композиций могут служить глицериды.

жиʙaeтся тенденция использoʙaʜия олеохими-ческих веществ, получaeмых из рacтительных мaceл и отходов их перерaботки, которые имеют доступную возобновляемую сырьевую бaзу и являются более дешевыми продуктaми по срaʙʜeʜию с синтетическими aʜaлогaми [2]. Одним из перспективных источников получения плacтификaторов для производстʙa ʙысо-кoʜaполненного крaхмaлом ПЭ являются стa-дии фильтровaʜия и щелочной рaфиʜaции рac-тительных мaceл, побочные продукты которых – фуз и coaпсток – содержaт до 60 % жировых компонентов – глицеридов кaрбоновых кислот.

Добaʙки, отличaющиеся химическим со-стaʙoм, могут кaк интенсифицировaть, тaк и ингибировaть процесс биодеструкции в зaʙи-симости от природы МД и структурных особенностей композиции.

При изтовлении обрaзцов с приложени ем деформaционных усилий происходит «выдaʙлиʙaʜие» низкомо-лекулярных МД ʜa поверхность экструдaтa и обрaзoʙaʜие оболочки, которaя определяет свойстʙa композиций, что можно докaзaть срaʙʜeʜием физико-химических покaзaтелей композиций, отличaющихся состaʙoм и процентным

ВестникВГУИТ, № 1, 201 2_ содержанием МД, а также их способности к биодеструкции.

Цель исследования - изучение влияния МД на эффективность биодеструкции высоко-наполненного крахмалом ПЭ.

Исследовали композиции с соотношением компонентов (% об.) ПЭ : крахмал : МД = 48,5 : 48,5 : 3,0 и 45,0 : 45,0 : 10,0. При получении композиций применяли ПЭ марки ПВД-10803-020 и кукурузный крахмал (ГОСТ Р 51985-2002). На основе соапстока (ТУ 10-0402-80-91) и фуза (ТУ 9147-006-14539079-06) получали МД (соответственно МДС и МДФ), действие которых сравнивали с воском марки ПВ-200 (МДВ).

Фуз состоит преимущественно из глицеридов карбоновых кислот (50 - 60 %), растительного белка (20 - 30 %), а также фосфатидов, влаги, минеральных веществ, витаминов и др. В соапстоке содержатся: нейтральные жиры (40 - 50 %), свободные жирные кислоты (~ 15 %), влага (~ 30 %), мыла (~ 10 %), фосфолипиды и др.

Для получения МД фуз и соапсток предварительно обезвоживали при температуре 60 оС в течение 6 ч и затем измельчали. Образцы материала готовили методом горячего прессования из гранул, полученных экструди-рованием смеси при температуре 160 °С.

Определение физико-химических показателей побочных продуктов производства растительного масла и полученных на их основе МД проводили по методикам, изложенным в [4].

Водопоглощение композиций определяли по изменению массы образца при погружении в дистиллированную воду на 30 сут. Экстрагирование компонентов композиций в воду определяли рефрактометрическим методом. Для этого гранулы композиций помещали в дистиллированную воду, через заданное время отбирали пробу воды, определяли показатель преломления света, проходящего через пробу.

Для исследования биодеструкции применяли микроскопические грибы Penicillium, Rhizopus, Aspergillus. Пленки исследуемого материала инокулировали спорами 7-суточной культуры грибов (1 мл суспензии, содержащей 106 спор/см3, на пленку площадью поверхности 6 см2) и помещали в чашки Петри, которые выдерживались в термостате при температуре (34 ± 2) °С в течение 30 сут с периодическим увлажнением. Действие ферментов на стойкость разработанных материалов к воздей ствию тест-культур определяли при использовании а-амилазы. Одну часть образцов вымачивали в растворе фермента, другую - в обеззараженной воде в течение 72 ч, после чего осуществляли заражение образцов тест-культурами. Развитие микромицетов оценивали визуально по характерным признакам культур, используя пятибалльную шкалу степени развития для удобства сравнения. Результаты исследования представлены в таблице .

Таблица

Физико-химические показатели побочных продуктов производства растительного масла и полученных на их основе МД

Показатель	Фуз	МДФ	Соап сток	МДС
Содержание влаги и летучих веществ, % мас.	20,6	3,1	34,5	3,9
Общее содержание жировых компонентов, % мас.	51,9	68,1	47,2	85,9

Из таблицы видно, что получение МД на основе фуза и соапстока путем низкотемпературного обезв оживания сопровождается концентрированием жировой составляющей.

Известно [5], что эффективность биодеструкции можно косвенно оценить по степени водопоглощения. Также косвенной оценкой биоразложения материала является степень экстрагирования компонентов композиции, что позволит оценить доступность питательных веществ, заключенных в объеме ПЭ.

На рис. 1 показана кинетика водопоглощения композиций без МД, с МДВ, МДС и МДФ.

Рис. 1. Кинетика водопоглощения композиций, отличающихся МД

Отмечено повышение способности к водопоглощению композиций с МДФ и МДС по сравнению с композициями, содержащими МДВ. Обладая значительными барьерными свойствами по отношению к воде, восковая оболочка препятствует проникновению воды в объем композиции, в то время как жиросодержащие МД создают слабый барьер для воды, а с течением времени частично в нее экстрагируют. Увеличение массы образцов при водопоглощении композиций без МД выше на 15 - 20 %, чем у композиций с МДФ и МДС, что доказывает образование оболочки их при введении в композицию.

Результаты эксперимента по экстрагированию компонентов композиции в воду показаны на рис.2.

Рис. 2. Изменение во времени показателя преломления света, проходящего через экстрагент -AQ, %, для композиций с различными МД

Как видно из рис. 2, для композиций с МДВ 3,0 % об. экстракция компонентов в воду незначительна и для МДВ 10,0 % практически отсутсвует.

Результаты косвенной оценки эффективности биодеструкции композиций, отличающихся МД, дают основание полагать, что модификация воском окажет ингибирующее действие на биодеструкцию композиции, а МДФ и МДС не будут снижать интенсивности биоразложения.

В случае применения МДФ и МДС в качестве пластификаторов положительное влияние на процессы биодеструкции высоконапол-ненного крахмалом ПЭ будут оказывать содержащиеся в МД фосфорные соединения, белковые составляющие [3] и микроэлементы.

центрации, уже на 5 сут от начала заражения отчетливо фиксируются отдельные пятна сформировавшихся пучков конидиеносцев Aspergillus, Penicillium и Rhizopus. Визуальная оценка обрастания в среднем достигает 4 баллов в первые 10 сут развития для всех рассматриваемых образцов, содержащих жировой компонент.

Для образцов, содержащих МДВ в количестве 3,0 % об. наблюдается слабое споро-ношение всех исследуемых тест-культур, которое проявляется только на 10 - 12 сут после инокуляции, средний балл развития 1-2. При содержании МДВ в композиции 10,0 % об. развитие микроорганизмов слабое, проявляется в основном в формировании пучков кони-диеносцев по краям образца и в местах с механическими повреждениями поверхности, балл развития не выше 1.

На рис. 3 показаны фотографии поверхности пленок после 30-суточного развития на них тест-культуры Penicillium для образцов с соотношением компонентов (% об.) ПЭ : крахмал : МД = 45,0 : 45,0 : 10,0 .

Очевидно, что в период стартового развития колоний на полимерных пленках определяющим фактором эффективности биодеструкции является доступность к источнику питания - крахмалу. В последствии развитию и росту микроорганизмов в материале способствует наличие в составе композиций биогенных, белковых и других компонентов.

Образцы, предварительно обработанные раствором а -амилазы - эндоферментом, расщепляющим в крахмале а -1,4-гликозидные связи, более подвержены биодеструкции, чем образцы, подвергавшиеся действию чистой воды. Очевидно, что а -амилаза обеспечивает микроорганизмам возможность более быстрого использования углевода в метаболизме, что способствует их росту и развитию.

Установлено, что на поверхности образцов, содержащих МДФ и МДС в любой кон-

б

а

Рис. 3. Развитие Penicillium через 30 сут с начала заражения на поверхности образцов, содержащих 10,0 % об.: а – МДС; б – МДФ; в - МДВ

в

Отмечено, что при обработке образцов ферментом средний балл интенсивности развития повышается на единицу для всех композиций с МДФ и МДС, а также для композиций, содержащих МДВ 3,0 % об. На биодеструкцию композиции с МДВ 10,0 % об. вымачивание в течение 72 ч в растворе α -амилазы практически не влияет.

Введение в состав высоконаполненного крахмалом полиэтилена жиросодержащих МД на основе побочных продуктов произ -водства растительного масла способствует интенсификации процесса биодеструкции композиций.

Применение воска в качестве структурного пластификатора оказывает ингибирующее действие на биодеградацию композиции ввиду наличия оболочки, препятствующей водопоглощению и создающей барьер для проникновения микроорганизмов в объем материала.

Косвенно оценить эффективность биодеструкции возможно по степени экстраги-руемости компонентов композиции с помощью метода р ефрактометрии.

Предварительная обработка композиций раствором эндофермента α -амилазы ускоряет процесс биодеструкции.