Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии получения биодеградируемого материала, путем введения нанонаполнителя с нанесенным на его поверхность активатором разложения, на базе вторичного полимерного сырья

Номер контракта: 14.607.21.0002

Руководитель: Иванов Дмитрий Анатольевич

Должность руководителя: зав. лабораторией

Докладчик: Антипов Анатолий Евгеньевич, ст. преподаватель

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
биодеградируемый полимерный материал, утилизация, нанодобавки, вторичное сырье, активатор деградации, монтмориллонит, наноглина

Цель проекта:
Современная техника требует создания полимерных материалов, устойчивых к воздействию окружающей среды (воды, кислорода воздуха, солнечного света и биологических агентов-микробов, грибов, насекомых и др.). В связи с этим возникает необходимость создания и использования специальных стабилизаторов и биопротекторов. Эти факторы приводят к увеличению срока службы многих изделий из полимерных материалов. Однако, параллельно возникает иная проблема – проблема утилизации изделий после окончания срока их службы. Если учесть, что из десятков миллионов полимерной продукции, выпускаемой ежегодно в мире, 41% идет на изготовление упаковки, можно представить себе масштаб надвигающегося на человечество бедствия. Разработка технологии получения биоразлагаемых полимеров на основе вторичных полимеров, направленная на решение этой задачи, является актуальной и востребованной не только с научной, но и с практической точки зрения. Поэтому целью настоящей работы является разработка технологии получения нового биодеградируемого материала на основе вторичного сырья, а также технологии получения нанонаполнителя с нанесенным на его поверхность активатором разложения.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения ПНИ планируется получение следующих значимых результатов работ:
- Будет разработана технология получения биодеградируемого материала, путем введения нанонаполнителя с нанесенным на его поверхность активатором разложения, на базе вторичного полимерного сырья и технология его переработки в изделия;
- Будет получен патент на способ получения тонкого дисперсного глинистого нанонаполнителя – нанодобавки для придания биоразлагаемости многотоннажным полимерным материалам;
- Будет получен патент на способ получения биоразлагаемых материалов с использованием нанонаполнителей для улучшения свойств композиции;
- Будет разработано техническое задание на проведение ОТР по созданию промышленной технологии получения на базе вторичного полимерного сырья биодеградируемого материала путем введения нанонаполнителя с нанесенным на его поверхность активатором разложения.
В ходе выполнения ПНИ планируется получение биодеградируемой полимерной композиции со следующими характеристиками:
• Прочность при растяжении, МПа
- в продольном направлении 12,0 - 14,7
- в поперечном направлении 11,0 - 13,7
• Относительное удлинение при разрыве, %
- в продольном направлении 100 - 300
- в поперечном направлении 120 - 400
• Статический коэффициент трения 0,1 - 0,5
• Удельное поверхностное электрическое сопротивление, не более 1•1016 Ом
• Коэффициент дымообразования, не более 1600 м2/кг
• Кислородный индекс, не менее 18 %
• Показатель токсичности продуктов горения (при времени экспозиции 30 мин.), не менее 17 г/м3.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Ситуация с экологической обстановкой в России пока оставляет желать лучшего. Доля перерабатываемых промышленных отходов составляет не более 35%, а твердых бытовых – от силы 4%. Кроме того, стоимость сжигания ТБО почти в пять раз выше стоимости захоронения мусора. Как следствие, число свалок и полигонов, в том числе и несанкционированных, растет с большой скоростью. Пытаясь хоть как-то взять ситуацию под контроль, Правительство РФ в 2012 году приняло Государственную Программу «Охрана окружающей среды 2012 – 2020 гг.». Однако, уже сейчас порядка 15% территории России находятся в критическом состоянии по экологическим показателям. Одним из путей решения этой проблемы является создание биоразлагаемых полимерных материалов. В этой области можно выделить три основных направления: 1. Создание биодеградирумых полиэфиров. Известен целый ряд биоразлагаемых полимеров, включая класс полигидроксиалканоатов. К их числу относятся, например, полилактид и полигидроксибутират, а также сополимеры на их основе, называемые иногда биополимерами. Их производство дорогостоящее, хотя со временем их доступность возрастет. 2. Создание пластических масс на основе воспроизводимых природных полимеров. 3. Придание биоразлагаемости промышленным высокомолекулярным синтетическим материалам.
Проблема придания многотоннажным промышленным полимерам (полиэтилену, полипропилену, поливинилхлориду, полистиролу, полиэтилентерефталату и др.) свойств биоразложения занимает важное место в исследованиях. Так как перечисленные полимеры и изделия из них при захоронении могут сохраняться практически «вечно», то вопрос придания им биоразлагаемости стоит особенно остро. Третье направление является наиболее интересным с точки зрения создания промышленной технологии, т.к. выпуск биоразлагаемых материалов может быть осуществлен на действующих мощностях. Мировой рынок биополимеров демонстрирует высокие темпы роста - в 1995 году суммарные производственные мощности по выпуску биополимеров в мире составляли около 20 тыс. т, в 2006 году - 360 тыс. т., а по итогам 2009 года превысили 800 тыс. т. Объем мирового рынка биополимеров в денежном выражении в 2010 году оценивается в 3,2 млрд. долларов США, а к концу 2015 года прогнозируется рост до 4,9 млрд. долларов США. Наиболее широкое распространение биополимеры получили в сфере производства упаковочных материалов, применяемых в пищевой промышленности, и сельскохозяйственном секторе, а также среди изделий медицинского назначения. В условиях ужесточающихся требований к защите окружающей среды и росте стоимости утилизации потенциал замещения традиционных полимеров биополимерами составляет около 205 млн. т. или 90 % от текущего объема их общемирового потребления.
Хотя в России работы по созданию биоразлагаемых материалов ведутся давно, однако до настоящего времени такая область промышленности в России отсутствует. Одной из причин этого является высокая стоимость биоразлагаемого материала по сравнению с традиционными пластиками. Другим экологически обоснованным способом утилизации отработанных пластмассовых изделий является их переработка с получением вторичного полимерного сырья. Стоимость такого сырья составляет примерно две трети от стоимости первичного полимерного материала. Объединение двух перечисленных выше способов позволит решить проблему полимерного мусора, а также получить полимерный биодеградируемый материал с необходимыми свойствами, по стоимости соизмеримой с традиционными полимерными материалами. Возможность получения более дешевых биоразлагаемых материалов связана также с использованием полимерных композиций, включающих, наряду со вторичным полимерным сырьем, наполнители природного происхождения. В связи с вышеперечисленным, получение материала на базе вторичного полимерного сырья, биоразлагаемость, которого будет достигнута за счет комплексного использования природного наполнителя (крахмал, либо отходы агропромышленного комплекса), а также наноразмерного наполнителя (наноглины), на поверхность которого будут нанесены активные вещества, способные активировать процессы разложения полимера, а затем и поглощения продуктов разложения микроорганизмами является актуальной задачей как с научной, так и с практической точки зрения. При попадании такого материала на полигон, биодеградируемый природный компонент при разложении нарушает сплошность фазы полимера, что увеличивает доступ бактерий к его свободной поверхности. При этом активное вещество, нанесенное на поверхность нанонаполнителя, распределенного в полимерной матрице, будет способствовать ускоренной деградации полимера до фрагментов, пригодных для переработки бактериями. Использование в качестве полимерной базы вторичного сырья, помимо снижения стоимости конечного продукта, также повышает и экологическую привлекательность такого материала. При этом механизм деградация полимера будет активироваться при совместном воздействии УФ- излучения и влаги (т.е. в условиях полигона). Во время эксплуатации свойства материала будут достаточно стабильными.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты проведенных ПНИ должны быть использованы для проведения опытно-технологических работ, направленных на создание промышленной технологии получения биоразлагаемых полимерных материалов с использованием предложенных наполнителей и технологических добавок.
На текущем этапе в рамках проекта сформулированы следующие научные задачи, которые планируется решить к концу выполнения работ по проекту:
• Разработка способа нанесения активатора разложения на поверхность нанонаполнителя. Известны методы получения органомодифицированных неорганических наноразмерных веществ, целью которых является предотвращение агрегации частиц в крупные образования и достижение равномерного распределения их в полимерной матрице. Такая обработка сочетается в проекте с закреплением на поверхности наночастиц (наноглины) активаторов биоразложения;
• Разработка рецептуры - подбор модифицирующих добавок, наполнителей, компатибилизаторов. Для выбора эффективных для решения поставленной задачи рецептур в рамках проекта применены математические методы планирования эксперимента, что позволило значительно сократить объем необходимых экспериментальных работ и достаточно достоверно определить область оптимальных композиционных решений;
• Определение влияния наполнителей и нанодобавки на надмолекулярную структуру композиционных материалов. Для этого в рамках ПНИ использованы методы оптической и электронной микроскопии, дифференциального термического и термогравиметрического анализа;
• Определение оптимальных параметров переработки полимерной композиции. Для их определения также использованы методы планирования эксперимента, результаты и зависимости, полученные на стадии разработки рецептуры;
• Изучение физико-химических свойств, реологических и диффузионных показателей разработанной полимерной композиции. В рамках проекта оценены прочностные, деформационные и термомеханические свойства композиций, вязкость расплава при температурах переработки и барьерные свойства по отношению к основным газам (О2, N2, СО2), воде и водяным парам;
• Определение способности композиции к биодеструкции. Для такой оценки используется модифицированный метод Штурма, прямые испытания при контакте с почвой и исследования в климатических камерах;
• Оценка экологичности разработанной полимерной композиции. В рамках проекта планируется провести оценку композиций на соответствие существующим санитарным и гигиеническим нормам и правилам;
• Изучение изменений, происходящих в композициях в результате воздействия моделируемых факторов.
В результате решения поставленных в рамках проекта задач будут получены значимые научные результаты, которые позволят снизить экологическую нагрузку на природу, и сократить расходы на утилизацию отработанных полимерных изделий путем создания на базе вторичного полимерного сырья нового биодеградируемого материала.
Возможными потребителями ожидаемых к получению в рамках проекта результатов являются ООО "Компания ЕвроБалт" (Санкт-Петербург), ГК «ОптиКом» (Москва), КвартаПласт (г. Челябинск), Группа компаний «Биаксплен» (основана в 2003 г. и на сегодняшний день в нее входят три завода в России: в Балахне Нижегородской обл., в Курске и в г. Железнодорожном Московской обл.), ЗАО «ТИКО – Пластик», ПФ ДАР, ООО «Артпласт», ЗАО «Национальная Упаковочная компания «ПАГОДА» и другие компании – производители изделий из полимерных материалов, кроме изделий, соприкасающихся с пищевыми продуктами.
Коллектив исполнителей в ходе выполнения ПНИ реализует ряд мероприятий для доведения ожидаемых в рамках проекта результатов до потребителя: исполнители публикуют полученные результаты в ведущих международных и отечественных научных изданиях, освещают результаты работы перед широкой общественностью в рамках выступлений на конференциях и симпозиумах мирового уровня, участвуют в тематических выставках и форумах, налаживают непосредственные контакты с возможными потребителями.

Текущие результаты проекта:
полимера, нанокомпозит теряет способность гореть (самозатухает в открытом пламени). Способность к щелевой экструзии – практически аналогична «чистому» полимеру. В мастербатче перерабатываемось остается достаточно хорошей, с точки зрения, технологии переработки, однако из-за существенного повышенной вязкости, механические свойства становятся заметно хуже по сравнению с «чистым» полимером. Зато мастербатч – является абсолютно негорючим наноматериалом.
• Выполнена оптимизация лабораторного процесса получения нового биодеградируемого материала, в т.ч. технологических параметров различных стадий и способа введения нанонаполнителя. В качестве объекта лабораторных испытаний выбран приготовленный при оптимизированных условиях нанокомпозиционный материал (НК) на основе вторичного ПЭВД, содержащий специальным образом органомодифицированный Na+ -монтмориллонит (ММТ), имеющий регистрационную марку МГ-1 (наноглина, модифицированная ДОДАБ по нашей собственной оригинальной технологии). По результатам проведенных лабораторных испытаний установлено, что изготовленные экспериментальные образцы НК обладали характеристиками, полностью соответствующими требованиям п. 4.1.2 ТЗ Соглашения.
• Проведены работы по определению физико-механических характеристик и способности нового биоразлагаемого материала к биоразложению на соответствие требованиям ТЗ. Анализ полученных данных свидетельствует об увеличении в НК по сравнению с матричным полимером модуля Юнга – более, чем вдвое, предела текучести – на 55%, прочности при разрыве – на 33%, относительное удлинение (эластичность) – сохраняется практически неизменным.
• Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов нанонаполнителя с нанесенным на его поверхность активатором разложения.
• Разработан и откорректирован по результатам проведенных испытаний лабораторный технологический регламент получения нанонаполнителя с нанесенным на его поверхность активатором разложения.
• Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов нового биодеградируемого материала.
• Разработан и откорректирован по результатам проведенных испытаний лабораторный технологический регламент получения нового биодеградируемого материала и проведена подготовка вторичного полимерного сырья для проведения исследований.
• Проведен комплекс работ по достижению заданных в проекте индикаторов и показателей эффективности выполнения проекта.