Создание высокопрочных композиционных материалов биодеградируемых в условиях депонирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Создание высокопрочных композиционных материалов биодеградируемых в условиях депонирования

Даутова Алсу Нуретдиновна

Аннотация

В работе представлены исследования полимерных композиций на основе полиамида, наполненные стекловолокном (СВ) в количестве 30 и 50 % масс. марок ПА6-210КС и ПА СВ 50-1 соответственно. В качестве биодеградируемого компонента использовался неочищенный натуральный каучук (НК-Н) и подвергшийся очистке натуральный каучук (НК-О), вводимый в полимерную композицию в количестве 5 и 10 % масс.

Оценены результаты физико-механических испытаний образцов полимерных композиций. Определено, что с ростом количества введенного НК независимо от степени его очистки прочностные показатели падают. При этом с увеличением количества введенного НК-Н показатели снижаются в большей степени: для образцов с НК-О от 6 до 34%, НК-Н от 9 до 37%.

При испытаниях на аэробное биоразложение в почве в течение 6 месяцев наибольшей деградации подверглись образцы с содержанием НК-Н. Наивысшую потерю массы - 5.8% показал образец с содержанием НК-Н 10 % масс.

Ключевые слова: полимерные композиции, полиамид, натуральный каучук, биологическое разложение.

полимерный композиция стекловолокно биоповреждение

Введение

С возросшими требованиями к охране окружающей среды новые композиционные материалы наряду с высоким комплексам показателей в условиях эксплуатации должны обладать способностью к биологическому разложению в условиях депонирования. Считается, что биологическое разложение происходит в три этапа: биоповреждение, биофрагментация и ассимиляции, с участием абиотических факторов.

Микробная деградация натурального каучука исследуется в течение 100 лет. Стало ясно, что бактерии, а также грибы, способны разлагать каучук. В зависимости от образца, сезона и состояния почвы, в состав латекса натурального каучука входит: от 25 до 35 % масс. полиизопрена, от 1 до 1.8 % масс. белков, от 1 до 2 % масс. углеводов, от 0.4 до 1.1 % масс. нейтральных липидов, от 0.5 до 0.6 % масс. полярных липидов, от 0.4 до 0.6 % масс. неорганических компонентов, 0.4% масс. аминокислот, амидов и так далее, и от 50 до 70 % масс. воды. Находящиеся в латексе полимерные частицы НК размером 3-5 мкм покрыты слоем белков и липидов, которые отделяют гидрофобные молекулы каучука от гидрофильной среды [1]. Эти не каучуковые компоненты латекса содержатся в НК-Н и удаляются в процессе его очистки. Именно они способствуют ускорению деградации каучука в процессе его депонирования.

Полиамиды также являются биодеградируемыми полимерами, к которым относятся синтетические аналоги белков - поли-?-аминокислоты (полипептиды). Как правило, для деструкции полиамидов необходимо присутствие в среде соответствующих протеаз [2]. Микробная уязвимость полиамида объясняется биосинтезом протеазы. Ферменты, участвующие в биоповреждении требуют наличия кофакторов (то есть катионов, присутствующих в матрице материала и коферментов синтезированных микроорганизмами) для разрыва конкретных связей.

Биоповреждение полимерного материала может проходить по двум различным механизмам: по основному объему и эрозией поверхности. В случае объемной эрозии, фрагменты теряются от всей полимерной массы, и изменения молекулярной массы происходит из-за разрыва связей. Этот лизис провоцируется химическими веществами (например, водой, кислотами, основаниями, переходными металлами и радикалами) или путем излучения, но не ферментами. Они слишком велики, чтобы проникать через сетку матрицы. В случае эрозии поверхности, материал теряется, но не изменяется молекулярная масса полимерной матрицы. Если диффузия химических веществ по всему материалу идет быстрее, чем разрыв полимерных связей, полимер претерпевает объемную эрозию. Если разрыв связей идет быстрее, чем диффузия химических веществ, процесс происходит главным образом на поверхности матрицы [3].

Экспериментальная часть

Объектом исследования являлись полимерные композиции на основе полиамида наполненные СВ в количестве 30 и 50 % масс. марок ПА6-210КС и ПА СВ 50-1 по ОСТ 6-11-498-79 и ТУ 2243-015-11378612-2005 производства ЗАО НПП «Полипластик». В качестве вещества, способствующего биодеградации, использовался неочищенный НК и подвергшийся очистке НК марки RSS-1.

Определение прочности и относительного удлинения образцов при разрыве проводилось согласно ГОСТ 11262-80 на универсальной испытательной машине марки АI-7000-М при скорости 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, показатель текучести расплава (ПТР) по ГОСТ 11645-73 - на автоматическом экструзионном пластометре GT-7100-MIB. Физико-механические показатели полимерных композиций на основе ПА-6 с НК-Н и НК-О приведены в табл. 1.

Табл. 1. Физико-механические показатели полимерных композиций на основе ПА-6 с НК-Н и НК-О

Табл. 2. Потеря массы образцов после извлечения из почвы

Образцы композиций были изготовлены методом прессования при температуре 240 °С на гидравлическом формовочном прессе марки U7014-Н10С в виде пленок толщиной 0.197±0.087мм

Образцы пленок исследуемых композиций были помещены в почву, приготовленную по ГОСТ 9.060-75.

Для испытаний использовалась почва, состоящая из смеси песка, конского навоза и лесной земли, взятых в равных количествах по массе.

Перед испытаниями почва была выдержана два месяца при температуре 23 °С.

В период выдержки почву ежедневно перемешивали и поддерживали ее влажность на уровне 30±5%.

Результаты и их обсуждение

По ГОСТ Р 54530-2011 при испытаниях на аэробное биоразложение время проведения испытания должно быть не более 6 мес. По истечении этого времени образцы извлекались из почвы, отмывались и высушивались в течение 4 часов при температуре 85 °С в термошкафу. Результаты потери массы образцами представлены в табл. 2.

По результатам физико-механических испытаний видно, что с ростом количества введенного НК независимо от степени его очистки прочностные показатели падают. При этом с ростом количества введенного НК-Н показатели снижаются в большей степени. Также незначительно снижается твердость образцов. Обращает на себя внимание тот факт, что существенно изменяется показатель текучести расплава, что, вероятно, связано с исполь-зованием НК, который выполняет роль пластифицирующего агента в полимерной композиции полиамид - натуральный каучук. Введение неочищенного НК приводит к снижению прочностных показателей в большей степени по сравнению с очищенным.

После аэробного разложения в почве потеря массы образцов извлеченных из почвы с содержанием СВ 50% меньше по сравнению с образцами со СВ 30%, что объясняется повышенным содержания неорганического компонента (СВ) в композиции. Наибольшую потерю массы показал образец с содержанием НК-Н в количестве 10 % масс.

Заключение

Несмотря на снижение физико-механических свойств, разработанных полимерных композиций, уровень показателей достаточно высокий для их использования в качестве конструкционных материалов.

Выводы

1. По результатам физико-механических испытаний образцов полимерных композиций на основе полиамида, наполненных стекловолокном, определено, что с ростом количества введенного НК независимо от степени его очистки прочностные показатели падают. При этом с увеличением количества введенного не очищенного натурального каучука показатели снижаются в большей степени: для образцов с очищенным натуральным каучуком от 6 до 34% и с неочищенным от 9 до 37%.

2. По результатам аэробного биоразложения в почве в течение 6 месяцев установлено, что наибольшей деградации подверглись образцы полиамида со стекловолокном 30 % масс. и с содержанием неочищенного натурального каучука в количестве 10 % масс. Потеря массы составила 5.8%.

Литература

1. К. Rose, А. Steinbuchel. Biodegradation of Natural Rubber and Related Compounds: Recent Insights into a Hardly Understood Catabolic Capability of Microorganisms. Appl. Environ. Microbiol. 2005. Vol.71. No.6. P.2803-2812.

2. Билибин А.Ю., Зорин И.М. Деструкция полимеров, ее роль в природе и современных медицинских технологиях. Усп. хим. 75:2. 2006. С.151-165.

3. N. Lucas, C. Bienaime, C. Belloy, M. Queneudec, F. Silvestre, J.E. Nava-Saucedo. Polymer biodegradation: mechanisms and estimation techniques. Chemosphere. 2008. Vol.73 No.4. P.429-442.

Размещено на Allbest.ru