ИЗУЧЕНИЕ БИОДЕГРАДИРУЕМЫХ СВОЙСТВ НОВЫХ ПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА

Нурбабаева Жансая Нурлановна

магистрантка 2 курса, Казахский национальный университет

имени аль-Фараби, г. Алматы, Казахстан

E-mail: J_92.92@mail.ru

Уркимбаева Перизат Ибрагимовна

научный руководитель, канд. химических наук, доцент, Казахский национальный университет имени аль-Фараби, г. Алматы, Казахстан

Пластмассы, полимерные материалы, производимые из нефти, очень широко используются во всем мире. С увеличением потребностей, утилизация отходов пластмасс стало серьезной глобальной проблемой. Таким образом, разработка новых пластмасс, полимерных материалов, которые могут разлагается микроорганизмами в почве и морской воде имеет очень широкое развитие [3].

Идея создания биоразлагаемых материалов находится в центре внимания ученых всего мира уже более 30 лет, однако наиболее интенсивные исследования в этой области начали проводиться в последнее десятилетие. Это связано с огромным производством полимерных материалов во всем мире, и при использовании этих материалов образуются миллионы тонн отходов, которые начинают оказывать отрицательное влияние на окружающую среду [2].

Под биоразлагаемостью полимеров мы понимаем способность материала разрушаться в естественных условиях на составные, безвредные для окружающей среды вещества под действием микроорганизмов, УФ-облучения, света, солнечной радиации и других природных факторов.

Биодеградируемые полимеры – это универсальные биоматериалы, которые имеют разнообразные важные применения в области биомедицины. Использование биоабсорбируемых имплантатов при ортопедических операциях становится все более частым. Успехи в отрасли полимеров позволили создать имплантаты с такой механической прочностью, которая необходима для их эффективного применения при проведении подобных операций. Биоабсорбируемые материалы используются при фиксации переломов [1].

В настоящее время известно около 40 различных видов биодеградируемых полимеров, проходящих экспериментальные и клинические испытания. Прогресс современной имплантологиии, связанный с применением биорезорбируемых биополимеров, побуждает исследователей искать новые пути их разработки за счет модификации состава, создания определенной пространственной конфигурации и выбора оптимальных вариантов, отвечающих требованиям, предъявляемым остеологами к имплантационным материалам [4]. Одним из важнейших направлений современной имплантологии является поиск и разработка путей создания имплантационных материалов с желаемой скоростью биодеградации. Биодеградация синтетических биополимеров –  процесс сложный и неоднозначный [5].

ПВС - универсальный полимер, имеющий большое промышленное применение, который получают только путем синтеза, основная цепь ПВС содержит С-С связи, которые способствуют быстрой биодеградации [6].

Так же было установлено, что ПВС, имеющий среднюю молекулярную массу выше, чем 100000 полностью и легко деградирует в почве с бактериями. Поливиниловый спирт (ПВС) признан одним из немногих виниловых полимеров, которые хорошо растворимы в воде, а также хорошо подвержены конечной биодеградации в присутствии соответствующих микроорганизмов. Поэтому, все большее внимание уделяется производству экологических материалов на основе ПВС для применения их ив широком диапазоне применений.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1 Характеристика исходных веществ и растворителей

Поливиниловый спирт (ПВС) производства «Fluka Chemie GmbH» (Швейцария) с молекулярной массой (М_w) = 205 000, использовался без дополнительной очистки.

ПВС имеет высокую эластичность и используется для изготовления бензостойких шлангов. Он обладает высокой прочностью на разрыв и гибкостью. Эти свойства зависят от влажности воздуха, так как полимер адсорбирует влагу. Вода действует на полимер как пластификатор. При большой влажности у ПВС уменьшается прочность на разрыв, но увеличивается эластичность. Прочность полимеров в конечном итоге зависит от сил взаимодействия между частицами (атомами, молекулами), из которых состоят эти вещества.

N-винилкапролактам (ВК)- производства фирмы “ALDRICH” (США), использовался без дополнительной очистки.

2-гидроксиэтилакрилат (ГЭА)- производства фирмы “ALDRICH” (США), использовался без дополнительной очистки.

Для приготовления растворов использовали дистиллированную воду.

2         Синтез пленок

Круглодонную трехгорлую колбу на 250 мл снабженной моторной мешалкой,  термометром, воронкой помещают в водяную баню, установленную на терморегулируемую электроплитку. Загружают 150 мл дистиллированной воды и соответствующее количество ПВС (35, 40, 45 и 47,5 г.). Смесь нагревают до 75^оС и перемешивают до полного растворения ПВС. Между тем, в термостакане растворяют соответствующее количество винилкапролактам и 2-гидроксиэтилакрилат. Необходимо следить за тем, чтобы температура в колбе не превышала 75^оС. Далее, к растворенной смеси ПВС порциями добавляется заготовленный ранее раствор винилкапролактама и 2-гидроксиэтилакрилата. Смесь при температуре 75^оС и при постоянном перемешивании выдерживают 3ч. Полученную массу охлаждают до комнатной температуры и заливают в чашки Петри по 15 г и оставляли сушиться до полного высушивания и образования пленок.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Интерес исследователей к привитым водорастворимым сополимерам, образованных за счет водородных связей, не ослабевает благодаря комплексу их ценных физико-химических свойств, перспективных для практического использования в различных областях медицины, биотехнологии, мембранной технологии и т.д. Однако анализ патентной и научной литературы показывает, что ассортимент реально доступных, в практическом отношении, гидрофильных полимеров, способных к биодеградации, весьма узок и ограничивается буквально несколькими наименованиями. Это обуславливает  особую актуальность и значимость исследований, направленных на дизайн и выявления фундаментальных закономерностей структурообразования и  функционирования новых биодеградируемых полимерных материалов, получаемых на основе промышленно-доступных мономеров и полимеров.

В Республике Казахстан несмотря на наличие собственной уникальной сырьевой базы, производство биоразлагаемых гидрофильных полимеров отсутствует. В тоже время, вполне очевидна перспектива эффективного применения таких материалов в различных областях современной науки, техники и передовых технологиях.

Наряду с этим решение задач, поставленных в настоящей работе, может стимулировать фундаментальные исследования в области молекулярной биологии, биофизики и биохимии по моделированию с помощью синтетических макромолекул отдельных функций биополимеров, биологических мембран и энзимов. С увеличением потребностей, утилизация отходов пластмасс стало серьезной глобальной проблемой. Таким образом, разработка новых пластмасс, полимерных материалов, которые могут, разлагается микроорганизмами в почве и морской воде является актуальной задачей. В связи с этим возникает проблема расширения диапазона биоразлагаемых указанных водорастворимых полимеров. Решение этой задачи может быть достигнуто путем привитой модификации поливинилового спирта с N-винилкапролактам и 2-гидроксиэтилакрилатом.

Биодеградацию пленок проводили в обычной почве, взятой во дворе факультета химии и химической технологии. Для проведения биодеградации  полимерные пленки помещались в пластмассовую тару с почвой. Для проведения эксперимента две аналогичные пленки помещалась в тару с влажной почвой (при необходимости почва подвергалась орошению водой из-под крана) и в тару с сухой почвой. Эксперимент проводили в течение 30 дней.

Рисунок 1. Биодеградация пленок на основе ПВС

При изучении биоразложении данных образцов в почве было установлено, что на разложение пленок влияет содержание влаги и М_w ПВС. В частности, если в сухой почве деструкция пленок происходит в течение от 10 до 14 суток в зависимости от М_w ПВС, во влажной среде разложение достигается за 3 суток.

Список литературы:

1. Ермолович О.А., Макаревич А.В. и др. «Биоразлагаемые ориентированные плоские волокна на основе крахмалонаполненного полпропилена» // Химические волокна. 2006. №5. С. 26–30.
2. Ермолович О.А., Макаревич А.В. «Влияние добавок компатибилизатора на технологические и эксплуатационные характеристики биоразлагаемых материалов на основе крахмалонаполненного полиэтилена» // Журнал прикладной химии. 2006. Т. 79. №9. С. 1542–1547.
3. Суворова А.И., Тюкова И.С., Труфанова Е.И. «Биоразлагаемые полимерные материалы на основе крахмала» // Успехи химии. 2000. Т. 69. №5. С. 494–504.
4. Averous L. «Biodegradation multiphase systems based on plasticized starch» // a review. J Macromol Sci Polym Rev 2004; № 44. №. 231–274.
5. J.A. Brydson "Poly(vinyl acetate) and its Derivatives", Plastics Materials (Seventh Edition), 1999, Pages 386–397.
6. Rath SK, Singh RP. «On the characterization of grafted and ungrafted starch, amylose and amylopectin». J Appl Polym Sci 1998; № 7. С.1795–1810.