Филиал “Назарбаев Интеллектуальная школа физико-математического направления” города Костанай автономной организации образования “Назарбаев Интеллектуальные школы”

Получение пластмасс на основе биоразлагаемых материалов.

Секция: Химия

Выполнил:Асылбаев Чингиз Сайлауулы

Научные руководители:

Антаева Гулжихан Темировна,

Жаилганова Ботагоз Балтабаевна

Костанай 2021

Содержание

Абстракт

Темой данной работы является “ Получение пластмасс на основе биоразлагаемых материалов”.

Целью исследовательской работы является создание и оптимизация методов получения полностью биоразлагаемых пластмасс и нахождение способа снижения объема нефти, используемой при традиционном производстве полиэтиленовых изделий.

Гипотеза: Если различные природные полимеры смешать с традиционными пластификаторами под воздействием карбоксильных кислот, то можно получить твердые и относительно инертные пластмассы.

Основными задачами данного проекта являлись: изучить физические и химические свойства биоразлагаемых пластмасс; определить оптимальные соотношения пластификатора и биоматериала; приготовить пробные материалы; сделать анализ полученных результатов.

По результатам проделанной работы были получены образцы пластичных полимеров на основе крахмала, агар-агара и желатина.

Теоретическая значимость данной работы определяется расширением области применения и выявлением новых качественных характеристик биоразлагаемых пластиков.

Практическая значимость работы заключается в разработке эффективного и доступного способа получения био-пластиков для последующей замены некоторых материалов из полиэтилена.

Введение

Актуальность: Пластиковое загрязнение имеет множество форм и является актуальной проблемой XXI века. В соответствии с данными Агентства по охране окружающей среды США, в 2011 году пластмассы составили более 12 % твёрдых бытовых отходов (в 1960-х годах пластмассы составляли менее 1 % твёрдых бытовых отходов)[9]. Время разложения полиэтиленовых пакетов в зависимости от их толщины и плотности составляет от 5 до 15 лет[10]. Механические загрязнения данного типа пагубно влияют на экосистемы и в свете растущих процессов индустриализации необходимость быстро разлагающихся аналогов очень высока.

Цель: создать/улучшить методы производства экологически безвредных пластмасс из природных полимеров(крахмал, агар-агар, желатин).

Объект исследования: биоразлагаемый пластик.

Предмет исследования: свойства полисахаридов и фибриллярных белков

Гипотеза: Пластик поддающийся природному разложению можно получить путем смешивания крахмала, агар-агара, желатина с карбоксильными кислотами, глицерином и другими традиционными пластификаторами.

На основании цели работы и гипотезы, выделены следующие задачи исследования:

1. Изучить свойства и химическую активность крахмала, агар-агара и желатина;

2. Определить возможные пластификаторы для каждого природного полимера;

3. Приготовить пробные экземпляры пластмасс;

4. Изучение физических и химических свойств полученных полимеров:

Теоретическая значимость работы определяется расширением области применения белкового сырья(желатин) и полисахаридов(крахмал, агар).

Практическая значимость работы заключается в частичной и полной замене полиэтилена в сфере фасовки.

Новизна работы заключается в сравнении различных биопластиков по их физическим и химическим характеристикам и в определении узкоспециального применения полученных образцов.

Глава 1.Теоретическая часть

1.1 Синтетические полимеры

Синтетические полимеры – это семейство высокомолекулярных соединений, которые полностью синтезируются в результате прохождения химических реакций полимеризации [14].

Синтетические полимеры можно классифицировать:

Термопласты (или пластмассы) – вещества, которые размягчаются при нагревании и застывают при охлаждении, не теряя при этом своих исходных свойств. Именно эта группа является наиболее значимой с точки зрения промышленности. К ней относятся такие широко применяемые полимеры, как полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен и другие.

Реактопласты (или термореактивные полимеры) – вещества, которые при переработке в готовое изделие проходят необратимую трансформацию, и при повторном нагревании уже не размягчаются или деформируются, а разрушаются [14].

1.1.1 Физические и химические свойства полиэтилена

Полиэтилен — термопластичный полимер этилена, относится к классу полиолефинов. Является органическим соединением и имеет длинные молекулы с ковалентными связями между атомами углерода [13]. Полиэтилен обладает специфическими свойствами (вложение[12] смотрите Таблицу 1.).

Таблица 1. Физико-химические свойства полиэтилена.

Утилизация и биоразложение полиэтилена

Изделия из полиэтилена пригодны для переработки и последующего использования. Полиэтилен (кроме сверхвысокомолекулярного) перерабатывается всеми известными для пластмасс методами (экструзия, экструзия с раздувом, литье под давлением, пневматическое формование) [13].

Таблица 2. Утилизация и биоразложение полиэтилена

1.2 Природные полимеры

В последние годы во всем мире все более активно развивается направление получения биополимеров на основе воспроизводимого растительного и животного сырья. Главными сырьевыми источниками для производства изделий из полимеров, способных к последующему регулируемому биоразложению в природе, являются молочная кислота, гидроксиалканоаты, хитин, хитозан, производные целлюлозы, крахмала и др. Под воздействием микроорганизмов, воды и почвы эти полимеры разлагаются главным образом на углекислый газ и воду. Одно из важнейших преимуществ применения биополимеров взамен синтетических – возможность использования в качестве сырья постоянно воспроизводимых в природе веществ и продуктов, в отличие от нефти, угля и газа, имеющих ограниченные запасы в природе [15].

1.2.1 Физические и химические свойства крахмала

Крахмал (C₆H₁₀O₅)n — смесь полисахаридов амилозы и амилопектина, мономером которых является альфа-глюкоза [1].

Химически модифицированный крахмал представляет собой крахмал с замещенными гидрофильными группами на эфирные группы самого разнообразного состава. Пластики с высоким содержанием нативного крахмала гидрофильны, проявляют способность к дезинтеграции при незначительном контакте с водой. Химическая модификация крахмала приводит к изменению гидрофильных, реологических, физических и химических свойств.

Поперечное сшивание за счет взаимодействия гидроксильных групп также относится к реакции химической модификации крахмала, которое предотвращает сильное набухание гранул крахмала при желатинизации [15].

Безвкусный аморфный порошок белого цвета, нерастворимый в холодной воде. Под микроскопом видны отдельные зёрна; при сжатии порошка крахмала он издаёт характерный скрип, вызванный трением частиц.

В горячей воде набухает (растворяется), образуя коллоидный раствор — клейстер. В воде, при добавлении кислот (разбавленная H₂SO₄ и др.) как катализатора, постепенно гидролизуется с уменьшением молекулярной массы, с образованием т. н. «растворимого крахмала», декстринов, вплоть до глюкозы [1].

Качественная реакция на крахмал:

• взаимодействует с йодом (окрашивание в синий цвет), образуется соединение включения;

• в отличие от глюкозы, не даёт реакции серебряного зеркала;

• подобно сахарозе, не восстанавливает гидроксид меди (II).

1.2.2 Физические и химические свойства казеина

Казеин — сложный белок (фосфопротеид), образующийся из казеиногена при створаживании молока [16].

Гидрофильность казеина(способность удерживать влагу) изменяется под воздействием температуры пастеризации. Чем выше температура пастеризации тем выше гидрофильность и соответственно термостойкость казеина.

Казеин химически взаимодействует с:

1. Серной кислотой

2. Углеводами при длительной тепловой обработке

3. Щелочами

1.2.3 Физические и химические свойства целлюлозы

Целлюлоза — органическое соединение, углевод, полисахарид с формулой (C₆H₁₀O₅)n. Нерастворима в воде, слабых кислотах и большинстве органических растворителей. Однако благодаря большому числу гидроксильных групп является гидрофильной.

Целлюлоза нерастворима в доступных растворителях не термопластична (температура размягчения выше температуры разложения). Состоит из остатков молекул глюкозы, которая и образуется при гидролизе целлюлозы:

(C₆H₁₀O₅)n + n H₂O → n C₆H₁₂O₆ [15]

1.2.4 Физические и химические свойства агар-агара

Агар-агар, или ага́р — смесь полисахаридов агарозы и агаропектина, получаемая путём экстрагирования из красных водорослей [4].

Молекулы агар-агара очень длинные, чем обусловлена высокая прочность на разрыв сделанного из него студня. Агар-агар не растворим в холодной воде. Он полностью растворяется только при температурах от 95 до 100 °C, чем отличается от других натуральных желе [3]. Горячий раствор является прозрачным и ограниченно вязким. При охлаждении до температур 35-40 °C он становится чистым и крепким гелем, который является термообратимым. При нагревании до 85-95 °C он опять становится жидким раствором, снова превращающимся в гель при 35-40 °C [4].

1.2.5 Физические и химические свойства желатина

Желати́н — бесцветный или имеющий желтоватый оттенок частично гидролизованный белок коллаген, прозрачная вязкая масса, продукт переработки (денатурации) соединительной ткани животных [5].

• Хорошо растворим и обладает высокой влагоудерживающей способностью;

• При концентрации выше 0,8 % желатин при охлаждении осаждается из раствора. Температура осаждения обычно определяется по вязкости 10%-ного раствора и соответствует температуре начала гелеобразования;

• Желатин проявляет амфотерные свойства. В кислой среде желатин несет положительный заряд, а в щелочной – отрицательный;

• Совместим со многими гидроколлоидами, сахаром, кукурузным сиропом, крахмалом, глюкозой, основными пищевыми кислотами и ароматизаторами [6].

1.3 Пластификаторы

Пластификаторы — это вещества, которые вводят в состав полимерных материалов для придания (или повышения) эластичности или пластичности при переработке и эксплуатации. Пластификаторы облегчают диспергирование ингредиентов, снижают температуру технологической обработки композиций, улучшают морозостойкость полимеров, но иногда ухудшают их теплостойкость. Некоторые пластификаторы могут повышать огне-, свето- и термостойкость полимеров [7].

1.3.1 Физические и химические свойства глицерина

Глицери́н — органическое соединение, простейший представитель трёхатомных спиртов. Представляет собой вязкую прозрачную жидкость со сладким вкусом [8].

Имеет молярную массу 92,09 г/моль. Гигроскопичен, поглощает воду из атмосферы в количестве до 40 % от собственной массы.

С водой, метанолом, этанолом, ацетоном смешивается в любых пропорциях, но не растворим в эфире и хлороформе, хотя и способен растворяться в их смесях с этанолом

Химические свойства глицерина типичны для многоатомных спиртов. Глицерин этерифицируется карбоновыми и минеральными кислородсодержащими кислотами с образованием соответствующих сложных эфиров [8].

Глава 2. Практическая часть

2.1 Методы исследования

Для реализации данного проекта автором был выбран эмпирический метод исследования, включающий в себя лабораторную работу по получению образцов биоразлагаемых аналогов полиэтилена. Процедура работы состояла из следующих этапов:

1. Подбирались природные полимеры после обработки которых синтезировался биоразлагаемый и соответствующий характеристикам полиэтилена пластик. В качестве возможных основ для биопластика предполагались: молоко(казеин), банановая кожура(в качестве источника целлюлозы), крахмал, агар-агар, желатин. Вследствие тестового эксперимента, основной выбор был сделан в пользу крахмала, агар-агара и желатина.

2. Крахмал/агар-агар/желатин размешиваются с водой в соотношении 1:10. так как для создания полимеров намного лучше подходят линейные молекулы, связи ветвистых молекул(амилопектин/агропектин/желатин) подвергаются гидролизу путем добавления уксусной кислоты и в результате разрываются на множество более коротких цепочек. Данные молекулы полимеризуются и образуют прочные связи. Для того, чтобы обеспечить некоторое скольжение между цепочками и сделать материал достаточно гибким, в смесь добавляется глицерин. Полученный раствор нагревается на плите до сгущения и затем разливается в форму тонким слоем для просушки и остывания.

3. Для изучения физико-химических свойств, полученные образцы были помещены в 1М, 3М азотную кислоту, дистиллированную воду, 1 М, 3М гидроксид натрия. Также образец каждого вида пластика был помещен в почву, для определения времени необходимого для микробного гидролиза и минерализации м