В настоящее время каждый человек постоянно имеет дело с полимерами в быту: это пластмассы, полиэтилены, пластики, ПВХ, полипропилен и многие другие. В тоже время, после короткого времени использования, многие полимеры мы просто выбрасываем. Так, например, среднее время использования полиэтиленового пакета составляет 20 минут. А время разложения такого пакета в земле превышает 100 лет. И это очень серьезная экологическая проблема. Поэтому актуальной является задача создания биоразлагаемых полимеров.
Под биоразложением понимается процесс разрушения полимера на простые составные части в естественных условиях под действием микроорганизмов и ультрафиолета. Из существующих до стадии реализации дошло несколько методов создания таких полмеров. Среди них – введение биоразлагаемой добавки на основе специальных макромолекул под названием d2w. Необходимо ввести в состав полиэтилена всего 1% такой добавки и через 3 года начнется активная фаза биоразложения.
Второй способ – использование изначально природных полимеров: например, кукурузы и сахарного тростника. Именно из этих составляющих изготавливают полилактид для печати в 3D-притерах.
Однако, несмотря на все преимущества использования биоразлагаемых материалов, необходимо, чтобы свойства этих полимеров оставались высокими. В том числе такое свойство как прочность. Мы не нашли в литературе данных о влиянии нанодобавок на прочность биоразлагаемых полимеров, поэтому решили провести несколько экспериментов. Во-первых, мы решили проверить, как будет влиять биоразлагаемая добавка на прочность при разрыве полиэтилена. Во-вторых, проверили, насколько может увеличиться прочность при изгибе PLA-пластика при введение углеродных нанотрубок.
Методика эксперимента
Для решения первой задачи был создан специальный стенд для испытаний прочности полиэтилена на растяжение (Рис.1). В качестве образцов для испытаний использовался полиэтилен низкого давления с биоразлагаемой добавкой и без неё от одного производителя, одинаковой толщины. Образцы имели определенную форму и размеры. Далее на штативе закреплялся образец, к нижней стороне закреплялась чаша, на которую постепенно добавлялись грузики весом 50 грамм и фиксировалось удлинение образца. Для каждого вида полиэтилена использовалось минимум 5 образцов.
а
б
в
Рис. 1. Стенд для испытания прочности полимеров на разрыв: а – принципиальная схема, б – линейные размеры образцов, в – внешний вид установки
Для второго эксперимента сначала образцы были напечатаны на 3D-принтере, который установлен у нас в школе (Рис. 2). Толщина образцов равнялась 1 мм. При этом для одной группы образцов между слоями PLA-пластика наносился слой из многослойных углеродных нанотрубок, купленных у российской фирмы. Далее образцы помещались в стенд для испытания прочности на изгиб, который позволял регистрировать изменение изгиба с точность до одной сотой миллиметра.
![missing image file](/i/2017/3/26849757_opt.jpg)
б
Рис. 2. а – печать образца на 3D-принтере, б - стенд для испытания прочности на сжатие
Результаты
Как показали испытания, полиэтилен без добавки d2w растягивается равномерно и практически сразу при минимальной нагрузке (Рис. 3). При этом максимальное значение нагрузки при разрыве достигает 500 г. Добавка d2w влияет на повышение прочности при растяжении только на начальном этапе - при нагрузках, не превышающих ~150 г, однако дальнейшее увеличение нагрузки приводит к более резкому удлинению образов по сравнению с полиэтиленом без биоразлагаемой добавки. Возможно это связано с тем, что при малых нагрузках первоочередную роль играют соли металлов, входящие в состав добавки – они механически сдерживают полиэтилен от удлинения в направлении приложенной нагрузки. Однако далее, вследствие отличий от состава чистого полиэтилена, материал быстрее разрушается и полностью разрывается при средней нагрузке ~400 г.
![missing image file](/i/2017/3/8.jpg)
Рис. 3. Результаты испытания образцов на прочность при растяжении: 1 – полиэтилен без d2w, 2 – полиэтилен с добавкой d2w
Перед испытаниями PLA-пластика на прочность при изгибе, мы исследовали его структуру в оптическом микроскопе. И убедились, что каждый слой печатается не плотно, а с зазорами между волокнами пластика. Среднее расстояние между ними составило коло 150 микрометров (Рис. 4). Поэтому углеродные нанотрубки между слоями могли закрепиться только в месте контакта волокон соседних слоев. Очевидно, что большее влияние нанотрубки оказали бы при введении их в сам пластик, а не только между слоями. Однако с технической точки зрения (в условиях нашей школы) при печати на 3D-принтере это трудно реализуемо.
![missing image file](/i/2017/3/9.jpg)
Рис. 4. Зазоры между волокнами пластика при печати на 3D-принтере
В результате показано, что влияние углеродных нанотрубок на прочность возникает практически с малой нагрузки (Рис. 5). При этом при нагрузке в 600 грамм разница в изгибе пластика с нанотрубками и без них составила около 1 мм (что составляет примерно 25% в относительном сравнении). Для достижения данного эффекта понадобилось подобрать оптимальные настройки при печати на принтере, т.к. необходимо было добиться наибольшего контакта волокон пластика между слоями.
![missing image file](/i/2017/3/10.jpg)
Рис. 5. Испытание прочности на изгиб PLA пластика: синяя линия – пластик с нанотрубками, красная – без нанотрубок
Выводы
1. Прочность на разрыв полиэтилена высокой плотности снижается в среднем на 20% при введении всего одного процента d2w-добавки. При этом структура поверхности пленки практически не меняется.
2. При использовании углеродных нанотрубок в многослойном PLA-пластике прочность на изгиб этого пластика может увеличиваться до 25% по сравнению с образцами без нанотрубок.
Библиографическая ссылка
Казанцев В.Д. ИССЛЕДОВАНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ БИОПОЛИМЕРОВ НА ПРОЧНОСТЬ // Старт в науке. – 2017. – № 3. ;URL: https://science-start.ru/ru/article/view?id=636 (дата обращения: 03.07.2024).