Влияние внешних воздействий на биодеструкцию высоконаполненных полисахаридами термопластов

Объектами исследования были выбраны композиции на основе термопластов (полиолефинов), с содержанием гидрофильного наполнителя (полисахарида) в количестве 50 мас. %. Образец представляет собой прямоугольник размером 100х100 мм и толщиной 1 мм, непрозрачный, белого цвета. Объектом сравнения был образец материала из ненаполненного термопласта. Часть образцов помещали в морозильную камеру (t = -20 ºС), часть – в воду (t = 20 ºС, рH = 6,5), и часть – в почву (чернозем типичный, t= 20 ºС, рH = 6, влажность около 9 %). Выдерживали в течение 30 суток, после чего извлекали из опытной среды и кондиционировали на воздухе в течение 24 часов, далее определяли прочность при разрыве и оценивали визуальные изменения. Подготовка и испытания опытных образцов при определении прочностных показателей проводилась по ГОСТ 11262-80. Визуальные изменения оценивали, прежде всего, по степени деформации образца, изменению цвета, появлению неровностей поверхности.

Эффективность биодеструкции при ограниченном доступе кислорода оценивали по интенсивности газовыделения, предварительно обработав гранулят композиции речной водой из Воронежского водохранилища (определение видового состава микроорганизмов не проводилось), после чего 100 г обработанного материала помещали в герметичную емкость, соединенную с градуированной бюреткой, заполненной раствором хлорида натрия, в емкость добавляли 50 мл речной воды для создания благоприятных условий биодеструкции; объем выделившегося газа определяли при вытеснении раствора в уравнительную склянку (рисунок 1).

Рисунок 1 - Определение газовыделения в условиях ограниченного доступа кислорода

При действии всех рассматриваемых внешних факторов в образцах не наблюдалось деформации формы. Действие отрицательных температур не сопровождается какими-либо визуальными изменениями. После нахождения в воде для образцов характерны незначительные неровности поверхности, связанные с набуханием гидрофильного наполнителя. Образцы, помещенные в почву, имеют незначительные вкрапления, видимо, являющиеся частицами почвы, проникшими в микротрещины.

На рисунке 2 представлены результаты определения прочностных показателей материала.

■ ненаполненный полиолефин

■ образец "полиолефин : полисахарид"

рН= 6, рН= 6,5 w= 9% внешняя среда, параметры

Рисунок 2 - Показатели прочности при разрыве образцов через 30 суток воздействия внешних факторов

Нижний температурный предел эксплуатации термопластов, традиционно используемых в индустрии упаковки, может достигать минус 100 °С (для полиэтилена), но также может быть и довольно высоким (для полипропилена - минус 20 °С). Введение наполнителей, которые воздействуют на надмолекулярную структуру материала, может изменять температурные пределы эксплуатации пластмасс. В зависимости от характеристик наполнителей, их химического состава, дисперсности, формы, твердости, а также их концентрации, можно как снижать морозостойкость композиционного материала, так и повышать ее. Так, например, известно [6], что введение стекловолокна в термопласты (до 30%) способствует снижению теплозависимости, причем не только при нагревании, но и при температурах до минус 60°С.

После воздействия отрицательной температуры (-20 °С) в исследуемых образцах не наблюдалось значительного снижения прочностных показателей, что также характерно и для ненаполненного термопласта (рисунок 2). Таким образом, замораживание в указанных температурных пределах не влияет на эксплуатационные свойства высоконаполненных полисахаридами термопластов, что дает возможность их рекомендовать в качестве упаковочных материалов для продуктов, подвергаемых заморозке и разморозке.

Установлено, что наибольшее влияние на снижение прочности опытных образцов оказывает водная среда, что, видимо, связано с процессами гидролиза наполнителя, и как следствие, снижением межмолекулярных взаимодействий в гетерогенной системе. Таким образом, длительное хранение продуктов с повышенной влажностью не рекомендуется в изделиях (упаковка, тара, посуда и проч.) из исследуемого материала.

Результаты определения газовыделения при биодеструкции исследуемого материала в условиях ограниченного доступа кислорода воздуха, представлены на рисунке 3.

время, сутки

-♦-ненаполненный полиолефин

-■-образец "полиолефин: полисахарид"

Рисунок 3 - Динамика газовыделения в условиях ограниченного доступа кислорода

Известно [7], что полисахариды, способные под действием воды или ферментов разлагаться на глюкозу и другие моносахара, в анаэробных условиях могут быть источником питания таких микроорганизмов, как дрожжи, молочнокислые бактерии, анаэробные бактерии рода Clostridium и прочие. Также известно [8], что полигоны депонирования ТБО функционируют как биологические реакторы, где гидролиз в анаэробной зоне полигона на глубине 0,5-5,0 м осуществляют первичные анаэробы (клостридии и бациллы), а активный метаногенез – вторичные анаэробы (метаногены, сульфатредуцирующие и денитрифицирующие бактерии), при этом на стадии активного метаногенеза в структуре микробиоценоза преобладают бактерии родов Clostridium, Pseudomonas, Bacillus, Methanobacterium , на стадии стабильного метаногенеза – бактерии родов Bacillus, Desulfovibrio, Methanobac-terium, Methanococcus .

При проведении эксперимента в отсутствие доступа воздуха в емкости с зараженным гранулятом композиции наблюдалось интенсивное газовыделение в первые 10 суток; так как изначально воздух из емкости не откачивался, то, видимо, это связано с развитием микроорганизмов – аэробов. После 10 суток выдерживания объем выделяемого газа значительно снижается, но через 15-16 суток вновь проявляется активность микромицетов , выраженная в увеличении объема выделяемого газа. Можно предположить, что отсутствие кислорода привело к ингибированию аэробных организмов, с последующим развитием анаэробов.

Таким образом, преобладающим фактором, оказывающим влияние на эксплуатационные показатели композиционного материала, является влажность; при отсутствии кислорода биодеструкция композиции продолжается, видимо, анаэробными организмами.