Введение к работе
Актуальность работы. Перед современной наукой о полимерах крайне остро возникает вопрос утилизации синтетических полимерных материалов. Со времен начала промышленного применения пластмасс темпы их производства росли и продолжают расти в геометрической прогрессии и на сегодняшний день составляют сотни миллионов тонн ежегодно. Одним из наиболее динамичных направлений использования пластмасс является упаковочная промышленность, потребляющая от 40 до 50% от общего объема производства пластиков что позволяет говорить о том, что из миллиардов тонн твердых бытовых отходов больше половины составляют изделия кратковременного или разового применения. Существующие направления утилизации (сжигание, пиролиз, рециклинг) не решают проблемы в силу малой распространенности и целого ряда недостатков, присущих каждому методу. Радикальным решением проблемы «полимерного мусора» является создание и освоение широкой гаммы полимеров, способных распадаться на безвредные для живой и неживой природы компоненты. В течение последних десятилетий активно ведутся работы по созданию биодеградируемых (биоразлагаемых, биоразрушаемых) полимерных композиций, однако в таких материалах часто сложно добиться приемлемой стоимости и наличия необходимого комплекса потребительских свойств. Но справедливо стоит отметить, что совершенствование технологий синтеза таких полимеров, а также использование для этого возобновляемых источников сырья ведет к неуклонному расширению объемов применения биодеградируемых полимерных композиций.
Спектр полимерных материалов, относимых к биодеградируемым, достаточно широк. Чаще всего в качестве биодеградируемых полимеров используются целлюлоза, крахмалы, полилактиды, а также полигидроксиалканоаты – полимеры гидроксипроизводных карбоновых кислот. Один из наиболее распространенных и хорошо изученных полимеров этого класса – поли-3-гидроксибутират (ПГБ). Будучи схожим по основным физическим характеристикам с традиционными полиолефинами, ПГБ отличается высокой хрупкостью и, как все биополимеры, значительной стоимостью. Частично нивелировать данные недостатки возможно созданием композиционных материалов на основе комбинации полимеров. Смесевые полимерные композиции позволяют получить материал с уникальным комплексом свойств, которого зачастую невозможно добиться при использовании композиций на основе индивидуальных полимеров. К настоящему моменту в литературе имеется немало публикаций, относящихся к теме совмещения ПГБ и его сополимеров с иными полимерами, преимущественно пластмассами (ПЭНП, ПА, сополимер ВС-ВА, ПВС и др). Изучению свойств композиций ПГБ с эластомерами (СКЭПТ, НК) уделяется гораздо меньше внимания, несмотря на то, что такие композиции дают ряд ценных преимуществ: возможность варьирования физико-механических свойств материала в широких пределах, подавление хрупкости ПГБ, регулирование стоимости конечной композиции и кинетики биодеградации.
В настоящей работе предложены подходы к разработке широкого спектра полимерных материалов на основе комбинации биодеградируемого пластика (ПГБ) и эластомера, в качестве которого детально исследован полиизобутилен (ПИБ). ПИБ в отличие от ПГБ является неполярным полимером, обладающим высокоэластическими свойствами в широком диапазоне температур эксплуатации, стойкостью к термической деструкции и к химическому воздействию многих агрессивных сред. Последние его особенности позволяют исключить влияние побочных факторов в процессе изучения биодеградации и сделать важные выводы об особенностях структуры полимерных материалов в таких процессах. Полученные в ходе проведенных исследований данные открывают широкие возможности по разработке целого спектра биодеградируемых полимерных материалов на основе двухфазных композиций.
Цель данной работы заключается в разработке подходов к созданию биодеградируемых полимерных материалов на основе двухфазных композиций, одну из фаз в которых составляет кристаллизующийся пластик (ПГБ), а вторую – эластомер (ПИБ) с возможностью регулирования комплекса эксплуатационных и технологических свойств для замещения крупнотоннажных традиционных полимерных материалов.
Для достижения поставленной цели осуществлялось решение следующих основных задач:
-
изучение структуры исследуемых композиций на основе смесей ПГБ-ПИБ при температурах эксплуатации;
-
разработка подходов к регулированию структуры исследуемых композиций путем варьирования условий их получения и состава;
-
изучение реологического поведения расплавов полимерных смесей ПГБ-ПИБ с целью определения условий переработки на типичном для полимерной промышленности оборудовании;
-
исследование взаимосвязи состава и структуры полимерных композиций с их технологическими свойствами и основными эксплуатационными характеристиками, в том числе способностью к биодеградации;
-
оптимизация технологических и эксплуатационных характеристик разрабатываемых композиций с целью создания доступных аналогов биодеградируемым полимерным материалам.
Научная новизна работы заключается в следующем.
Разработаны научно-обоснованные подходы по созданию полимерных материалов на основе биодеградируемого пластика (ПГБ) и эластомера (ПИБ) с заданной двухфазной структурой путем варьирования условий получения композиций и их состава. Впервые в качестве биодеградируемых материалов предложена комбинация ПГБ-ПИБ, сочетающая в себе достоинства каждого из полимеров, и исследованы структура и свойства данных композиций. Показана перспективность и достоинства применения для биодеградируемых композиций смесей термодинамически несовместимых полимеров. Выявлено значительное взаимное влияние фаз ПГБ и ПИБ на деструкцию смесевого композиционного материала.
Практическая значимость работы заключается в расширении спектра биодеградируемых полимерных композиций, а также в увеличении возможностей практического использования одного из самых перспективных биопластиков – ПГБ. Получены практические рекомендации по составу и технологии получения композиций ПГБ-ПИБ, не уступающим по основным показателям промышленным материалам, используемым для производства биоразрушаемой упаковки.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на Всероссийской научно-технической конференции «Общество, наука, инновации» (Киров, 2010, 2011, 2012, 2013), VI международной конференции молодых ученых «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2010), VII открытой украинской конференции «Высокомолекулярные соединения-2012» (Киев, 2012).
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 18 печатных работах, из них 3 статьи (2 в журналах, рекомендованных ВАК).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов и библиографического списка. Диссертация изложена на 159 страницах, содержит 7 таблиц, 50 рисунков, библиографический список включает в себя 227 наименований отечественной и зарубежной литературы.
