Пластики, эластомеры и нанокомпозиты. Биоразлагаемые полимеры. Часть 2

Первое время при работе с крахмалосодержащими полимерными смесями сухие крахмальные гранулы использовались непосредственно в смесях в качестве наполнителя. Поскольку большинство полимеров являются гидрофобными, гидрофильный крахмал термодинамически не смешивается с этими полимерами и, следовательно, приводит к слабой межфазной связи между крахмалом и полимерной матрицей. Это, в свою очередь, приводило к плохим механическим свойствам смесей, например, низкой прочности на растяжение, низкому удлинению и хрупкости. Ввиду этого была проведена совместимость между гранулами крахмала и полимерной матрицей. Малеиновый ангидрид (МА) является наиболее часто используемым, а также является одним из наиболее эффективных связующих агентов для крахмалсодержащих смесей. В литературе как биоразлагаемые полимеры, например, этиленвинилацетат (EVA), полиэтилен низкой плотности (LDPE) и полиэтилен высокой плотности (HDPE), так и небиоразлагаемые полимеры, например, PBS, PCL и PLA, функционализировали с помощью МА и использовали в качестве компатибилизаторов в соответствующих смесях крахмал-полимеров. Заметное увеличение прочности было достигнуто после добавления совместителей. Модуль и удлинение смесей были затронуты относительно меньше.

По сравнению с гранулированным крахмалом TPS предлагает большое преимущество в обрабатываемости материала и контроле морфологии, поскольку TPS может быть деформирован и диспергирован до гораздо более тонкого состояния, чем сухой природный крахмал. Микроструктуры, улучшающие свойства, такие как непрерывная структура, могут быть сформированы во время смешивания в расплаве. Полимеры, используемые для смешивания с TPS, включают LDPE, полистирол (PS) и наиболее часто биоразлагаемые полимеры, такие как сложные эфиры, полиуретан (PU) на основе касторового масла, полиэфир амида, PCL и поли-3-гидроксибутират-гидроксивалерат (PHBV). В общем, типичные недостатки TPS, такие как восприимчивость к влаге, хрупкость и низкая прочность были уменьшены в различной степени путем смешивания с этими полимерами. Однако механические свойства этих смесей по-прежнему снижались по мере увеличения содержания TPS. Это ограничивало содержание TPS в смесях, если необходимо максимально поддерживать прочность матрицы. Однако отчеты о совместимости между TPS и полимерной матрицей на удивление редки.

В последние годы наноглину также изучали на предмет ее влияния на механические и барьерные свойства смесей TPS и TPS / полимер. Например, сообщалось об увеличении прочности на разрыв на 70% нанокомпозитных пленок TPS / гекторит на уровне глины 30%. Также сообщалось о повышенных механических свойствах нанокомпозитных пленок картофельный крахмал / монтмориллонит (ММТ). Наблюдалось и увеличение прочности на растяжение и деформации на 450% и 20% соответственно после добавления 5% глины к нанокомпозитам кукурузный крахмал / MMT. Сравнительно недавно сообщалось о значительном увеличении прочности на растяжение (до 92% выше) и снижении проницаемости водяного пара (до 67% ниже) пленок TPS / MMT, полученных экструзией из расплава и последующей отливки. Крахмал также может вспениваться водяным паром для получения компостируемых упаковочных пен. Чтобы обеспечить водостойкость, в качестве вспенивающего материала можно использовать ацетилированный крахмал, который является менее полярным материалом и более водостойким. Для этой же цели TPS также сначала смешивают с гидрофобными полимерами (например, PHBV, PCL, PBS, PVA и PLA) и затем вспенивают. Помимо водяного пара, CO2 также используют в качестве пенообразователя в пенопластах TPS / PLA.

Следующий интересующий нас биоразлагаемый полимер — это целлюлоза. Целлюлоза является наиболее распространенным возобновляемым биополимером на земле. Около 33% всего растительного вещества составляет именно целлюлоза. Самая чистая натуральная форма целлюлозы — это хлопок, в котором ее содержание составляет примерно 90%. Древесина содержит около 50% целлюлозы. Целлюлоза также может быть синтезирована некоторыми бактериями. Целлюлоза представляет собой полисахарид, имеющий молекулярную структуру, аналогичную крахмалу. Однако D-глюкозные звенья связаны b-гликозидными связями в целлюлозе вместо a-гликозидных связей в крахмале. Благодаря этой b-гликозидной связи молекулы целлюлозы принимают расширенную и жесткую палочковидную конформацию. Множественные гидроксильные группы из одной цепи образуют водородные связи с молекулами кислорода в другой цепи, прочно удерживая цепи рядом друг с другом и образуя элементарные кристаллиты (целлюлозные нановискатели, CNW) с исключительно высокой прочностью на растяжение. Эти нановискеры, заключенные в аморфную гемицеллюлозу и лиглин, образуют микрофибриллы и далее клеточную стенку растительных клеток. В следующей главе продолжим рассказ о структуре и свойствах целлюлозы.