Пластики, эластомеры и нанокомпозиты. Биоразлагаемые полимеры. Часть 6

В зависимости от вида бактерий и условий их роста молекулярная масса PHA находится в довольно широком диапазоне. PHA включают семейство сложных полиэфиров с разными боковыми группами и разным числом атомов углерода в повторяющихся звеньях. Наиболее изученными PHA являются поли-3-гидроксибутират (PHB) и его сополимер PHBV. Гомополимер PHB представляет собой высококристаллический термопласт с Tm около 175 градусов. Он обладает несколькими физическими свойствами, например Tm, Tg (15 градусов), кристалличностью (80%) и пределом прочности при растяжении (40 МПа), аналогичными свойствам полипропилена. Однако PHB значительно более хрупок, чем ПП (деформация при разрыве 6 против 400%). При введении звеньев 3-гидроксивалерата (3HV) в PHB нарушается регулярная структура и, следовательно, его кристалличность, скорость кристаллизации, Tg и Tm уменьшаются по мере увеличения содержания HV. В результате PHBV становится более жестким и гибким при более высоких процентах HV. В специальной литературе можно найти сравнения физических свойств PHB и PHBV с различными мольными отношениями HV.

Далее отметим, что PHA могут потребляться микроорганизмами в качестве источника энергии. Следовательно, они легко поддаются биологическому разложению в микробно-активной среде, такой как компост. Ферменты, выделяемые микроорганизмами, расщепляют PHA на мономеры. Затем мономеры используются клеткой в качестве источника углерода для роста биомассы. Многие факторы, например, площадь поверхности, микробная активность, pH, температура и влажность, влияют на скорость разложения PHA. Конечными продуктами разложения PHA в аэробных средах являются диоксид углерода и вода, в то время как метан также образуется в анаэробных условиях. Скорость разложения PHA зависит от условий окружающей среды. Например, PHBV полностью разлагается через 6, 75 и 350 недель в анаэробных сточных водах, почве и морской воде соответственно. Однако PHA не разлагаются при нормальных условиях хранения. Благодаря присущей им биосовместимости и биоразлагаемости, PHA нашли важное применение в медицинских и фармацевтических областях, включая лечение ран (например, швы, кожезаменители), сосудистую систему (например, сердечные клапаны, сердечно-сосудистые ткани и сосудистые трансплантаты), ортопедию (например, каркасы, спинальные приспособления, заменители костного трансплантата и устройства внутренней фиксации) и системы доставки лекарств.

PHB не смешивается или смешивается только частично с сополимером поливинилацетата и винилового спирта, PCL, PLA, полиоксиметиленом, этиленпропиленовым каучуком, сополимером EVA и эластомерами эпихлоридрина. При этом исследования механических свойств этих смесей ограничены. Некоторые исследователи упрочняли PHB, используя эпоксидированный натуральный каучук с малеинированным полибутадиеном в качестве агента, улучшающего совместимость. Прочность PHB была увеличена на 440%. PHB также был упрочнен поли-цис-1,4-изопреном (PIP) и PIP-g-PVA соответственно. Было обнаружено, что свойства при растяжении и ударная вязкость смесей PHB / PIP-p-PVA превосходят смеси PHB / PIP из-за более высокой совместимости первых. Также приготавливали смеси PHB / PEO методом литья в растворитель и обнаружили, что когда молекулярная масса PEO была низкой, смеси проявляли очень плохие свойства. Когда использовали PEO с низкой молекулярной массой, имел место синергизм, и прочность на разрыв, модуль упругости и удлинение смесей всё увеличивались, становясь значительно выше, чем у исходных материалов. Свойства PHA также были изменены натуральными волокнами. Было показано, что добавление натуральных волокон увеличивает модуль упругости, Tg и температуру тепловой деформации (HDT) композитов на основе PHB (или PHBV). Тем не менее, улучшение прочности на разрыв и ударной вязкости оказалось трудным и зависело от многих факторов, таких как длина волокна и соотношение сторон, межфазное соединение, источники, обработка и форма волокна (одиночное волокно / ткань).

Исследования композитов PHB / PHBV с льном, переработанным целлюлозным волокном, древесным волокном и волокном ананаса показали, что прочность на разрыв и ударная вязкость не улучшились или даже уменьшились при добавлении коротких натуральных волокон или натуральных волокон типа муки. Совсем недавно сообщалось о композите PHBV / PPF со значительно увеличенными пределом прочности на разрыв, модулем упругости и ударной вязкостью. Также обнаружили, что при использовании PHBV-g-MA в качестве компатибилизатора прочность и модуль были дополнительно улучшены, а ударная вязкость снижена из-за увеличенного межфазного связывания между PHBV и BPF. CNW также использовались для усиления PHBV. Композиты PHBV / CNW были приготовлены путем литья в растворитель и смешивания в плавлении, соответственно. Была достигнута однородная дисперсия, и композиты показали улучшенные предел прочности на разрыв и модуль упругости, а также увеличенную Tg в композитах, приготовленных на основе растворителя. Напротив, композиты, полученные в процессе плавления, показали пониженную прочность и постоянную Tg из-за агломерации CNW.