Химия и химические технологии/1.Пластмассы, полимерные и синтетические материалы, каучуки, резино-технические изделия, шины и их производство.

К.т.н., доц. Федотова А.В., к.т.н. Сдобникова О.А., Самойлова Л.Г., академик РАН Розанцев Э.Г

ФГБОУ ВПО «Московский Государственный университет
пищевых производств», Россия.

Изучение структурообразования в биодеградируемых пленочных материалах

Для решения современных экологических проблем утилизации полимерных материалов используются различные подходы. По характеру утилизации использованных пластиков их можно разделить на интенсивные и экстенсивные. В большинстве случаев выбирается интенсивный подход, однако для утилизации полимерных материалов, в частности, одноразовой упаковки, посуды и пр. наметился экстенсивный метод решения этой проблемы, т.е. использование биодеградируемых смесевых материалов на основе полисахаридов.

В мире активно стали использовать материалы на основе природных полимеров как в качестве специфических биоразлагаемых упаковочных материалов, так и в некоторых случаях в традиционных упаковочных средствах в качестве конструкционного или инициирующего биоразложение компонента. [1, 2].

В отечественной полимерной науке смеси полимеров с полисахаридами и/или олигосахаридами вызывают либо недоверие, либо полное неприятие. Такой подход, к сожалению, обоснован. Синтетические полимеры просты в использовании и изучении, так как имеют регулярное строение. Смеси биополимеров ведут себя малопредсказуемо; часто всё определяет источник сырья и другие не поддающиеся систематизации факторы. Поэтому естественно нежелание работать с материалами, которые часто не дают воспроизводимых результатов. Вследствие этого, в отечественной практике применение таких материалов ограничено.

Если материалы на основе смесей синтетических полимеров и биополимеров – уже достаточно привычное сочетание, то использование полисахаридов в сочетании с олигосахарами и крахмалами различной природы – пока в ближайшем будущем и является приоритетным для отечественной науки, т.к. защищено патентами [3, 4].

Структурные исследования данных материалов имеют огромное практическое и фундаментальное значение. Проблема изучения столь сложных объектов, естественно, требует специфических подходов, нехарактерных для обычных полимеров. Речь идёт о методах, основанных на изучении хаотических структур при помощи аппарата фрактальной размерности.

В качестве объектов исследований использовались модельные плёнки на основе метилцеллюлозы, модифицированной различными крахмалами.

Процессы структурообразования изучали с помощью поляризационной микроскопии. Для описания структуры методами фрактальной геометрии использовали специальную программу «MFRDrom», разработанную под руководством доктора ф.-м. наук Встовским Г.В.

Микрофотографии, как видно из рис. 1, показывают чётко видимые ячеистые структурные элементы модельных плёнок.

Рис. 1. Микрофотография (х200) образца пленки на основе смеси метилцеллюлозы н кукурузного крахмала.

Подобные структуры напоминают фотографии пористых сред, обладающих свойством самоподобия. Их расположение в поверхностных слоях плёнки хаотично, при этом наблюдаются чёткие граничные линии раздела крахмальных зёрен. Характерные беспорядочные структуры на микрофотографиях позволяют сделать вывод о возможности реализации в образцах надмолекулярных структур неэвклидовой геометрии, что является основополагающим свойством синергетических систем, обладающих фрактальностью [5, 6].

Исследования, проведённые с различными плёночными образцами, позволили получить несколько серий различных объектов с большим разнообразием морфологических форм надмолекулярной структуры, которая определялась составом плёнки и условиями её получения.

Наиболее естественным методом изучения самоподобия исследуемых в данной работе объектов является аппроксимация реальных структур, в том числе стохастических, визуально подобными или, по крайней мере, топологически эквивалентными предфракталами определённого поколения. Визуализация структур была сделана как непосредственно, так и по микрофотографиям структуры плёнок. Для представленной на рис. 1 структуры возможно использовать аппроксимацию регулярными предфракталами, полученными с помощью рекуррентных процедур разбиения исходного изображения на части, или покрытия аппроксимируемых структур элементами определённой формы и размера.

В данном случае удалось использовать модель структуры на базе ковра Серпинского. На основе предлагаемой модели светлые участки на рис. 1, проходящие по всей структуре в виде сетки, возможно рассматривать как матрицу, тёмные области, находящиеся между ними – как включения. При данном приближении может быть получена фрактальная размерность:

D = ln8 / ln3 » 1,892. Таким образом, для соответствующего состава композиции плёнки возможно использовать предлагаемую модель.

Для описания процесса формирования структуры можно использовать модель кластер-кластерной агрегации (ССА-процесс). При помощи ССА-процесса моделируются гелеобразования и формирования связанно-дисперсных систем (рис. 2).

А Б В

Рис. 2. Этапы процесса компьютерного моделирования фрактала при помощи ССА-процесса

В этом процессе нет центров зародышеобразования. Все частицы совершают случайные блуждания и образуют кластеры, которые продолжают диффундировать, формируя кластеры больших размеров. В пределе система может превратиться в один гигантский кластер (рис. 2-В).

Реальные процессы значительно сложнее и многообразнее приведённого на рис. 2 роста фрактального кластера. Поэтому всегда необходим сравнительный анализ экспериментальных методов измерения и наблюдения фрактальных структур на основе математических и компьютерных моделей.

Дальнейшим шагом при использовании предлагаемого подхода обязательно должно быть изучение физико-механических свойств данных объектов и выведение корреляционных функций, позволяющих обобщить данные фрактального анализа с прочностными характеристиками плёнок. Это открывает путь к количественной полимерографии, но методически всё же остаётся достаточно сложной задачей, т.к. требует более чёткого определения связей между свойствами материала и фрактальной размерностью.

Литература.

1. Биоразлагаемый полимерный материал с использованием нанонаполнителя.

Сдобникова О.А., Самойлова Л.Г., Федотова А.В., Любешкина Е.Г.

Химия, технология, качество. Состояние, проблемы и перспективы развития. Сб. материалов МЗНТК (22.05.2012, Магнитогорск, с. 84).

2. Упаковочный материал для термоформованной тары с регулируемым сроком эксплуатации.

Федотова А.В., Сдобникова О.А., Самойлова Л.Г., Панина Т.В., Савченко Н.А.

Ж. «Молочная промышленность», № 1, 2012, с. 22-23

3. Пешехонова А.Л., Краус С.В., и др. Патент РФ 2117016, 1996

4. Пешехонова А.Л., Сдобникова О.А. и др. Патент РФ 2146269, 2000

5. Ханчич О.А., Лошадкин Д.В., Розанцев Э.Г., Сдобникова О.А., Пешехонова А.Л. // Тезисы докладов учебно-методической конференции «Концепция преподавания дисциплин химического цикла в МГУ ПБ». Москва, 1999. – С. 13-14.

6. Лошадкин Д.В., Розанцев Э.Г., Ханчич О.А. Пластические массы, № 4, 1999. – С. 22-23.