Исследование эффективности переработки использованного пластика методом ИК-Фурье спектроскопии с помощью спектрометра Labor FTIR-990

Во всех аспектах повседневной жизни наблюдается ускоренный рост в потреблении пластика, так как он является дешевым, долговечным, устойчивым к коррозии, легким материалом, который не подвержен разложению и может быть легко преобразован в различные продукты. Проблемы невозобновляемых ресурсов, регулирования объема пластиковых отходов и их утилизации стали вызовом для окружающей среды и исследователей, а также мотивацией к поиску альтернативных решений. Биоразлагаемый пластик может выступить в качестве полноценной замены обычному пластику. В данном исследовании было предложено применение смеси разлагаемого полимера, полигидроксибутирата (PHB), с использованным полиэтиленом (UPE) в целях его переработки. PHB был добавлен к UPE в различных процентным соотношениях (5, 10, 15, 20 и 25 %). Исследование осуществлялось с применением метода литья полимерной пленки из раствора (ксилол). На ИК-Фурье спектрах композитов отмечены пики на 2210,229 см^-1, что соответствует пику PHB, используемого в исследовании. Рентгеноструктурный анализ (XRD) выявил пики на 38°, указывающие на водородную связь C-H-O=C групп C=O и CH3. Композит с концентрацией PHB 15% (15 г U/PE, 3 г PHB и 2 г пластификатора) обеспечил наилучший результат при тестировании на прочность при растяжении. Водопоглощение для всех композитов U/PHB было выше по сравнению с UPE и PHB. Было отмечено, что при разложении в почве скорость уменьшения веса увеличивалась в период с 30 до 90 день, также наблюдалось уменьшение размеров и веса композита в конце 21-дневного исследования разложения композита в суспензии. 

1. Введение

В последние несколько лет разработка биополимеров и полимеров на биологической основе, которые являются альтернативной традиционным синтетическим полимерам на основе нефти, вызывает значительный интерес. В наши дни изобретение "более зеленых" полимерных технологий – то есть более эффективных и более экологически чистых – является основой множества глобальных исследований. Исследователи переключали внимание с невозобновляемых материалов на принцип "зеленых" исследований по поиску устойчивых, возобновляемых, экологически чистых, перерабатываемых материалов, которые незаменимы для благополучия окружающей среды. Таким образом, "зеленые" технологии становятся центром интереса для исследований в промышленной сфере по всему миру. 

Из-за отсутствия надлежащих методов утилизации отходов на основе пластика, а также их негативного воздействия на окружающую среду, во многих странах растет беспокойство по поводу использования пластика. Кроме того, существует проблема высокой стоимости и ограничения продуктов на основе нефти. Пластмассы на основе нефти изначально синтезировались из нефтехимических продуктов и были разработаны для повышения долговечности изделий, но дефицит синтетических сырьевых материалов и истощение нефтяных ресурсов привели к росту цен в ключевых секторах по всему миру, включая энергетику, промышленность и медицину. 

В наше время высокий спрос на пластмассы на основе возобновляемых ресурсов возник как результат дефицита и удорожания нефтехимических ресурсов. Материалы на биологической основе должны облегчить ситуацию с загрязнением окружающей среды и зависимостью от невозобновляемых ресурсов. Таким образом, внимание привлечено на полимеры, происходящие от возобновляемых биологических источников, которые являются биосовместимыми и биоразлагаемыми. Для решения растущих проблем разрабатываются биоразлагаемые композитные материалы в контексте "зеленых" технологий для целевого применения в различных отраслях. 

Полиэтилены являются материалами с наиболее разнообразными применениями в промышленности. Полиэтиленобладает преимуществом в легкости проектирования характеристик за счет структуры и содержания сомономеров. Переработка пластмасс основывается на использовании отработанных полимерных материалов для производства новых изделий. Сбор пластмасс является основной проблемой процесса переработки. В исследованиях было обнаружено улучшение прочности смесей PLA/PHAs, если содержание PHAs не превышает 20% по массе. Это наблюдение объясняется нетипично медленной кинетикой кристаллизации PHAs. Частицы PHAs диспергируются в небольших доменах (около 1 мкм), приводя к образованию резиноподобных аморфных частиц PHAs в хрупкой и жесткой матрице PLA. 

С другой стороны, пластификаторы часто вводят в материалы на основе PLA для улучшения их технологичности и других свойств, необходимых для конкретного применения. Добавление пластификаторов в PLA позволяет производить гибкие пленки, снижая их природную хрупкость. Пластификаторы заменяют межмолекулярные связи между полимерными цепями на связи между макромолекулами и соединениями малой молекулярной массы, что приводит к конформационным изменениям и увеличению деформируемости. Снижение температуры стеклования и переработки материала позволяет плавить термочувствительные полимеры при более низких температурах.  Были изучены несколько соединений в качестве потенциальных пластификаторов для PLA, таких как эфиры цитрата, глицерин, малонатные олигомеры, адипаты и полиадиаты, полиэтиленгликоль (PEG). Однако их включение в PLA без проявления фазового разделения со временем было ограничено концентрациями ниже 20% по массе во всех случаях. Исследования показали, что количество от 10 до 20% по массе пластификаторов требуется для значительного снижения температуры стеклования PLA (Tg), а также для получения нужных механических свойств для производства пленок. 

2. Материалы 

В исследовании использовались гранулы полигидроксибутирата (PHB) размером 5 мм и молекулярной массой 550 кг/моль производства компании Good fellow Cambridge Limited, Хантингдон, PE 29 6WR, Англия. Использованный полиэтилен (UPE) был собран с улицы, конкретно со школьного поля. Также использовались ксилол и пластификатор (глицерин) производства компании Sigma-Aldrich Ltd. Эксперимент проводился с использованием вытяжного шкафа в лаборатории аналитической химии, Оба Кекере, Федеральный технологический университет, Акуре (FUTA), Нигерия.

Подготовка образцов и процесс смешивания

Используемые материалы из полиэтилена были промыты чистой водой и высушены в духовке при 60°C в течение 30 минут, а затем измельчены. В таблице представлен состав смесей. Использовался метод отливки полимерной пленки из раствора. 120 мл ксилола было залито в колбы с круглым дном объемом 250 мл, взвешенные частицы использованного полиэтилена, PHB и пластификатор были добавлены в пропорциях, указанных в таблице. Температура камеры поддерживалась на уровне 150°C в течение 25 минут. После полного расплавления гранул камеру открывали и удаляли конденсат. Смесь была тщательно перемешана, затем отлита на нержавеющую пластину, смазанную вазелином для последующего легкого удаления образца. Эта процедура была проведена для всех составов смесей. Органический растворитель, оставшийся в композитах, был осушен на воздухе в течение 3 дней.

Инфракрасная спектроскопия (FTIR) 

Композиты были доставлены в исследовательскую лабораторию в Илори, штат Квара, для проведения ИК-Фурье спектроскопии. Спектры были получены в режиме ослабления полного внутреннего отражения (ATR) на ИК-Фурье спектрометре (LABOR FTIR-990). Диапазон волновых чисел составлял 4000-500 см^–1, спектральное разрешение 5 см^–1. 

Рисунок 1 – ИК-Фурье спектр PHB

Результаты и обсуждение

ИК-Фурье спектроскопия (FTIR)

С помощью ИК-Фурье спектров композитов было исследовано влияние увеличения концентрации PHB в композитах. Спектр PHB показал пики связи C=O при 1702.048 см−1 и алифатическое соединение карбонильной группы PHB. Абсорбционный спектр полимера подтвердил наличие характерной карбонильной полосы эфира для PHB, которая наблюдается около 1334.749 см−1, а пик при 2210.229 см−1 соответствует метильной группе CH3. Спектр композитов показал аналогичные полосы поглощения при 2210.229 и 1702.048 см−1 во всех смесях. 

Заключение 

PHB и UPE были успешно смешаны методом отливки пленки с растворителем (ксилол). ИК-Фурье спектр смеси показал характеристические пики спектров PHB и UPE, из которых они были изготовлены. Исследования продемонстрировали улучшение морфологических и функциональных свойств композитов, что может быть связано с хорошей кристалличностью пластифицированных композитов PHB и UPE. Исследования механических свойств показали, что относительное удлинение при разрыве увеличилось до 31.37 ± 0.98 в композитах с содержанием U/ PHB 15%, что указывает на то, что пленки можно легко превратить из жестких в платсичные. Высокая эффективность пластификатора наблюдалась для композитов U/PHB 15%, так как это вызвало значительное улучшение их пластичных свойств, при этом разделение фаз не наблюдалось, что подтверждает высокую совместимость между матрицами PHB и UPE. Исследование изгиба показало более высокую прочность на изгиб у композита по сравнению с использованным полиэтиленом и PHB, вероятно за счет межмолекулярных связей и увеличения аморфного содержания. Тесты на поглощение воды показали изменение свойств во всех пленках, в то время как скорость передачи кислорода увеличилась. Значения водопроницаемости пленок удовлетворяют стандартам экологически чистых композитов. Исследование разложения показало увеличение скорости потери веса в период с 30 до 90 день, также были замечены изменения текстуры и цвета, что указывало на разложение.  Исследование с участием микробов Bacillus subtilis показало значительный рост изолятов, что указывает на то, что микробы обладают свойствами ферментов, необходимыми для разложения пластика, что подтвердилось в исследовании разложения в суспензии: изолят поглощал композиты, что было видно по потерянному весу, зафиксированному в конце 21 дня. Это исследование показало хорошую совместимость PHB и UPE, что потенциально несет пользу для окружающей среды и может служить началом для коммерческой переработки использованных полиэтиленовых материалов методом смешивания с PHB.
 

Компания INSCIENCE занимается поставкой решений в области ИК-Фурье спектроскопии