Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0002

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0002
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова"
Название доклада
Разработка технологии получения биодеградируемого материала, путем введения нанонаполнителя с нанесенным на его поверхность активатором разложения, на базе вторичного полимерного сырья
Докладчик
Антипов Анатолий Евгеньевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью работы является снижение экологической нагрузки на природу, и сокращение расходов на утилизацию отработанных полимерных изделий.
Задачи: разработка способа нанесения активатора разложения на поверхность нанонаполнителя, разработка рецептуры - подбор модифицирующих добавок, наполнителей, компатибилизаторов, определение влияния наполнителей и нанодобавки на надмолекулярную структуру композиционных материалов, определение оптимальных параметров переработки полимерной композиции, изучение физико-химических свойств, реологических и диффузионных показателей разработанной полимерной композиции, определение способности композиции к биодеструкции, оценка экологичности разработанной полимерной композиции, изучение изменений, происходящих в композициях в результате воздействия моделируемых факторов окружающей среды (вода, микромицеты, почва).
Актуальность и новизна исследования
Проект ставит перед собой цель разработать новые методы или технологии получения функциональных органических и неорганических добавок для существующих и широко эксплуатирующихся полимерных материалов, чтобы придать им свойство биодеградабельности. Такой подход является перспективным и экономически оправданным, т.к. не требует существенной доработки или переделки существующих технологических линий на территории РФ, но при этом обеспечивает потребность в биодеградируемых полимерных материалах на уровне государства. Данный проект предлагает к разработке комплекс технологий, которые лягут в основу подобного подхода. Планируемый научно-технический уровень разработки при этом соответствует мировым стандартам, а предлагаемые к разработке технологии являются конкурентоспособными не только на территории РФ, но и за рубежом. Высокая конкурентоспособность результатов и их востребованность со стороны промышленного сектора крупнейших полимерных предприятий является залогом высокой актуальности разрабатываемой темы для представителей экономического сектора и бизнес сообщества, а также ее новизны для современного научного общества в целом.

Описание исследования

Объектом исследования и разработки является технология получения нового биодеградируемого материала, предназначенного для изготовления упаковочных материалов и других изделий из вторичных полимерных материалов (кроме изделий, контактирующих с пищевыми продуктами и организмом человека).

Цель работы: разработка технологии получения нового биодеградируемого материала на основе вторичного сырья, а также технологии получения нанонаполнителя с нанесенным на его поверхность активатором разложения.

Работы проведены с использованием современных методов исследования: рентгеноструктурный анализ в больших и малых углах дифракции при комнатной и повышеных температурах, рентгеновская флюоресцентная спектроскопия (элементный анализ), дифференциальная сканирующая калориметрия, термогравиметрический анализ, ядерный магнитный резонанс, метод Штурма, физико–механические испытания и ряд вспомогательных методик.

Проанализировав современное состояние указанной в проекте проблемы, на сегодняшний день можно выделить два основных направления научных изысканий для решения сопутствующих проблеме прикладных научных задач.

Первое направление ставит перед собой цель разработать новые функциональные биодеградируемые полимерные материалы, которые по совокупности эксплуатационных характеристик будут превосходить или, как минимум, оставаться на одном уровне с популярными современными небиодеградабельными материалами. Негативным последствием такого решения на сегодняшний момент остается малая экономическая привлекательность подобных материалов – биодеградируемые материалы с привлекательными эксплуатационными характеристиками оказываются на порядок дороже своих крупнотоннажных небиодеградируемых аналогов, что делает нерентабельным проведение подобной технологической подмены технологий.

Второе направление, в настоящее время более активно развиваемое научным сообществом, ставит перед собой цель разработать новые методы или технологии получения функциональных органических и неорганических добавок для существующих и широко эксплуатирующихся полимерных материалов, чтобы придать им свойство биодеградабельности. В рамках указанного направления в настоящем проекте реализуется комплексный подход, научная новизна которого, определяющая мировой уровень разработки в целом, заключается в том, что органомодификатор для монтмориллонита (или нанонаполнителя), обеспечивающий термодинамическое сродство органической полимерной матрицы и неорганической наноглины, одновременно играет роль активатора разложения вторичного полимера. Такой подход помимо придания полимерным материалам свойств биоразлагаемости позволяет добиться удовлетворительных физико-механических характеристик, что в свою очередь позволяет использовать в качестве полимерной матрицы вторичное сырье, а также дополнительно ввести еще один органический наполнитель (отходы АПК и/или крахмал), что будет способствовать еще более ускоренному разложению материала, а также положительно скажется на экономической привлекательности разрабатываемого биодеградируемого материала.

 

 

Результаты исследования

Изучено фотоокисление материалов на базе вторичного полимерного сырья и изменение состава функциональных групп в ПЭВД, происходящее при ускоренном фотоокислительном старении в присутствии сенсибилизирующих добавок.

В качестве добавок-активаторов разложения был разработан ряд нанонаполнителей на основе монтморрилонита, содержащего различные переходные металлы (Ni, Co, Fe, Mn, Cu). Были выбраны органомодификаторы, обеспечивающие совместимость полиэтиленовой матрицы с нанонаполнителями, также являющиеся фотосенсибилизаторами (малеинизированный ПЭВД, сополимер ПЭ и этиленвинилацетата, ароматическая четвертичная соль аммония). Критериями глубины окисления и разложения полимерной цепи были выбраны изменения концентраций карбонильных и винильных групп, измеренные методом ИК-Фурье спектроскопии (кислородный индекс — КИ, винильный индекс — ВИ) при УФ-облучении изделий.

Были разработаны методики синтеза нанонаполнителей-активаторов разложения; получены и охарактеризованы наполнители, содержащие переходные металлы и композиты на их основе.

В УФ-спектрах полученных композиций наблюдается усиление поглощения при длине волны <250нм по сравнению с ненаполненными образцами, что является необходимым условием для обеспечения начального этапа биоразложения, связанного с окислением и разрывом первичной цепи. Оптимальная длина волны, приводящая к разрыву и окислению цепи ПЭВД, составляет 210–220 нм.

В зависимости от состава и технологической предыстории фотоокисление вторичного ПЭВД происходит быстрее и эффективнее, чем исходного и стабилизированного. Время достижения КИ, соответствующего полной потере механических свойств для вторичного ПЭВД снижается на ~15%. 

Выбранные технологические добавки увеличивают скорость окисления и разложения полиэтиленовой цепи в 1.3–2.3 раза, при этом механические свойства изделий без облучения сохраняются на уровне исходных в течение длительного времени.

При введении в полимер, содержащий технологические добавки, специальным образом подготовленных нанонаполнителей существенно (в 1.15–1.6 раз) увеличивается скорость образования винильных групп, снижается характеристическое время окисления (в 1.15–1.5 раз), что указывает на возрастание скорости окисления цепи по сравнению с ненаполненным ПЭВД. Состав нелетучих карбонильных продуктов окисления цепи зависит от состава нанонаполнителя: для Fe-MMT при том же содержании винильных групп наблюдается существенно более высокая концентрация кетонов; скорость окисления цепи значительно (в 1.8–2.4 разабольше, чем для иных нанонаполнителей.

Результаты опубликованы: Менделеев Д.И., Старожицкая А.В., Герасин В.А. Влияние технологических добавок на скорость фотоокислительного старения ПЭВД и композитов ПЭВД/глина // Материалы XXVIII симпозиума по реологии, Москва, 28.09–02.10.2016, с. 123

 

Практическая значимость исследования
Использование разрабатываемой технологии позволит начать производство материалов, используемых в упаковочной промышленности и обладающих биоразлагаемыми свойствами, что позволит снизить количество накапливаемых полимерных отходов и частично решить проблему их утилизации как на стадии производства материала, так и после его применения. Использование вторичного полимерного сырья позволит в значительной мере снизить стоимость конечного биоразлагаемого материала, что позволит создать конкурентоспособную продукцию. Высокая конкурентоспособность результатов и их востребованность со стороны промышленного сектора крупнейших полимерных предприятий является залогом высокой актуальности разрабатываемой темы для представителей экономического сектора и бизнес сообщества, а также ее новизны для современного научного общества в целом.