Жүгері крахмалы негізінде биоыдыратын жабқыштар технологиясын жасау

Пән: Биология
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 8 бет
Таңдаулыға:

Уркімбаева П. И., Есмұратов А. А.

Әл-Фраби атындағы Қазақ Ұлттық Университеті

E-mail:

Жүгері крахмалы негізінде биоыдыратын жабқыштар технологиясын жасау

Ғаламдық экологиялық мәселелерді шешуде қоршаған орта жағдайында ыдырау қабілетіне ие материалдар синтезі маңызды орынға ие. Осыған байланысты берілген жұмыста поливинил спирті (ПВС) мен крахмал негізіндегі биоыдырайтын үлдірлерді алудың оптималды жағдайлары қарастырылып, алынған үлдірлердің қолданылу мүмкіндіктерін бағалау мақсатында физика-химиялық зерттеулер жүргізілді. Зерттеу бойынша ИК-спектроскопия әдісінің нәтижелерінен жалғанған полимерлер сутектік байланыстар арқылы жүретіні анықталған. Жұмыс барысында ПВС және крахмал негізінде синтезделген үлдір γ-сәулеленуден өткізілді. Иондаушы сәулеленуден өткен үлдірлердің беріктілігі, түрлі еріткіштер ортасындағы тұрақтылығы, эластикалық қасиеттері құрамындағы полимер компоненттерінің тігілуі есебінен артты.

Түйін сөздер: биоыдырайтын үлдір; γ-сәулелену; тігілген полимерлер.

Кіріспе

Қазіргі таңда, өндіріс салаларының қарқынды дамуы салдарынан туындайтын экологиялық мәселелерді шешу әлемдік деңгейдегі өзекті мәселе. Ғылыми техникалық прогреске дейін қалдықтар мәселесі табиғат есебінен шешіліп отырды. Ыдырауы немесе қайта қалпына келуі бірнеше жүзжылдықтарға созылатын жаңа материалдардың пайда болуы табиғи жолмен шешілмейтін адамзат тарапынан туындайтын зор мәселе.

Зманауи қоғамды полиэтиленді жабындар мен пластикалық орамаларсыз елестету мүмкін емес. Қолданылған соң барлық пластикалық материалдар қатты тұрмыстық қалдықтар ретінде тасталып, онжылдықтар бойы бұзылмай сақталады. Соның салдарынан жиналған қалдықтар адамзат денсаулығы мен қоршаған ортаға зор қауіп тудыруда. Ғылымның соңғы жетістіктерін пайдалана отырып қоршаған ортаны қорғау мен табиғи ресурстарды тиімді игеру экологиялық мәселелердің негізгі шешімі болып табылады. Осыған орай қолданылған соң қайта өңдеуге келетін немесе биоыдырауға қабілетті жабындар синтезі қарқындай түсуде.

Биоыдырайтын полимерлер - микроағзалар, ультра күлгін сәулесі, күн радиациясы және өзге де табиғи факторлар есебінен қоршаған ортаға зиянсыз бастапқы құраушыларына ыдырауға қабілетті материалдар. Биополимерлер негізінде алынған материалдар тағам өндірісінде қаптағыш ретінде жіберіледі, қарапайым құрылғылар көмегімен алынады және жоғары қолданыстық көрсеткіштерге ие.

Биополимерлер өндірісінде аса үлкен қызығушылық тудыратын материал - крахмал. Жүгері крахмалы негізінде биоыдырайтын табиғи жабындар синтезі көптеген мәселелер шешімін табуға мүмкіндік береді. Крахмал - экономикалық тиімді, қолжетімді, қайта қалпына келетін, экологиялық таза шикізат көзі. Крахмал құрамында гидроксил топтарының болуы бойына суды жинай отырып, бастапқы құраушыларға ыдырауына мүмкіндік береді. Қосымша химиялық өңдеу крахмал негізіндегі алынған жабынның эксплуатациялық, беріктілік және эластикалық қасиеттерін арттырады. Жүргізілген жұмыс барысында алынған полимерлі композиттер үлгісі қоршаған орта мен адам денсаулығына зиянсыз, тұрмыс пен медицинада қолданыс табу перспективасы жоғары биоыдырайтын материал алу мүмкіндігімен өзекті.

Тәжірибелік бөлім

Үлдір синтезі барысында молекулалық массасы (М _w ) = 205 000 болатын ПВС, жүгері крахмалы, мұзды сірке қышқылы және дистельденген су қолданылды. Қолданылған заттар қосымша тазартуды талап етпеді. Берілген жұмыста [ПВС] :[крахмал] = 95:5 қатынасындағы үлдірлер алынды.

ПВС және крахмал негізіндегі үлдірді алу қондырғысы 1-суретте келтірілген.

$C:\Users\АЙГ\Desktop\установка.png$

1 - сурет. ПВС - крахмал негізіндегі үлдер алуға арналған зертханалық қондырғы

1 - үшмойынды колба; 2 - бөлгіш құйғы; 3 - штатив; 4 - араластырғыш; 5 - гидротығын; 6, 7 - термометр; 8 - су моншасы.

Синтез барысында алынған (со) полимердің бір бөлігінен құймалық әдіспен бөлме температурасында үлдірлер алынып, тігілген үлдір алу мақсатында ылғал және құрғақ күйінде γ-сәулеленуге жіберді. Қалған бөлігі сұйық күйінде радиациялық өңдеуге жіберілді. Тігілген үлдір алу үшін сополимерді «Ядерлі физика институтында» жылдам-электронды сәулелену әдістері қолданылды. Полимерді радиациялық өңдеу жартылай электронды үдеткіш ЭЛВ-4 аппаратында, 1, 3 МэВ энергиясынан өткізілді. Радиациялық сәулелену диапазоны 40-120 кГр құрады.

ИҚ-спектрі FTIR-Satellite Фурье-ИҚ спектрометрі арқылы жазылды. ИҚ-талдау жасау үшін ПВС-Кл негізіндегі үлдірлер ваккумды пеште 40 ^○ С температурада кептіріп, құрамындағы су және сірке қышқылынан арылтылды.

Ісінудің тепе-теңдік дәрежесін анықтау үшін үлдір үлгілерін ісіну дәрежесі тұрақтағанға дейін ерітіндіде ұстайды. Ісіну дәрежесін сулы, органикалық еріткіш - спирт, NaCl түрлі концентрациялық ортасында және түрлі температурада анықтайды. Ісіну кинетикасын анықтауда қолданылатын маңыщды шама - массаны анықтау үшін Sartorius маркалы ISO 9001 аналитикалық таразысы қолданылды. Ісіну дәрежесі бірнеше параллель тәжірибелерді жүргізу нәтижесінде анықталды.

Нәтижелер және талдау

ПВС және крахмал негізінде синтезделген үлдірлерді халық шаруашылығында, медицинада түрлі орағыш, ылғал жинағыш, қаптағыш материалдар ретінде қолдану үшін алдымен биологиялық ыдырау қасиеттерін зерттеу қажет. Қазіргі кезде белгілі бір пайдаланған уақыттан соң өздігінен қоршаған орта әсерінен ыдырайтын, қолжетімді арзан материалдар алудың маңызы зор. Осыған орай жұмыста өндірістік масштабтары кең, сулы ортада еру қабілеті жоғары ПВС пен сарқылмайтын әмбебап полимер крахмал қолданылды. Көптеген әдебиеттерде көрсетілгендей ПВС және крахмал негізіне алынатын үлдір түрлерінің оптималды пайыздық құрамы 95:5 масс. % шамасында. Бұндай қатынастағы үлдірлердің механикалыө беріктілігі, иілгіштігі және мөлдірлігі жоғары.

Синтез барысында алынған (со) полимердің бір бөлігінен құймалық әдіспен бөлме температурасында үлдірлер алынып, тігілген үлдір алу мақсатында ылғал және құрғақ күйінде γ-сәулеленуге жіберді. Қалған бөлігі сұйық күйінде радиациялық өңдеуге жіберілді. Зерттеу нәтижелері көрсеткендей ылғал күйінде радиациялық өңдеуден өткен үлдірлердің физика-механикалық, органолептикалық көрсеткіштері жоғары болып табылды. Құрғақ күйінде γ-сәулеленуге ұшыраған үлдірлер ылғалды ортада тез ыдырағыш келсе, сұйық күйінде өңдеуден өткен (со) полимерлер құймалық әдіспен үлдір алуға келмейтін өзгерістерге ұшырады.

Полимерлердің еруінің бастапқы сатысы ісіну болып табылады. Радиациялық өңдеуден өткен ПВС-Кл (БПҚ 95:5 мол. %) негізіндегі үлдірлердің судағы, NaCl және этанол ерітінділеріндегі ісіну параметрлері қоршаған ортаның әр-түрлі температурасында зерттелінген.

ПВС суда жақсы еридітіндіктен оның практикалық қолдану мүмкіндігі төмен болып табылады. ПВС суда ерігіштігі құрамындағы ацетальды топтардың болуына тікелей байланысты. Құрамында 5% ацеталь топтары бар ПВС бөлме температурасында қиын, 65-70 ^○ С температурада жеңіл ериді.

ПВС суда ерімеуі үшін оның молекуласы көлденең байланыстармен тігілуі қажет. Сутектік байланыс энергиясы осы топтарға және топтар арасындағы байланыс аумағына тәуелді. Молекулалық массасы неғұрлым жоғары болған сайын оның суда ерігіштігі төмендейді және оның негізінде алынған өнімдердің қолданыстық көрсеткіштері артады. Сол себепті тігілген үлдір алу үшін М _w (ПВС) =205000 ПВС қолданылады. Сутектік байланыс энергиясы екі спирт топтары арасында азырақ болады. ПВС, крахмал және су құрамындағы ОН топтары арасында сутектік байланыс түзіледі де полимердің ісінуі жүреді. Сутектік байланыс химиялық байланыс сияқты қосымша полимерлі тізбектермен тігіліп, полимердің ісіну дәрежесін шектеп отырады.

1-суретте 1, 2 және 3 номерлерімен белгіленген, сәйкесінше үш түрлі 40, 80, 120 кГр сәулеленудің жұтылу дозасынан өткен, М _w (ПВС) =205000 тігілген полимерлі үлдірлердің 20 ^○ С температурадағы ісіну дәрежесі көрсетілген. Алынған мәліметтерді салыстыра отырып, үлдірлердің ісіну дәрежесі жұтылған энергия дозасына тәуелді екенін көреміз. Полимерлерге γ - сәулелермен әсер ету арқылы жаңа молекулааралық байланыстар түзіледі. Молекулааралық байланыстар түзілу барысында сызықты полимерлер тармақталған күйге ауысатыны белгілі. Сызықты және тармақталған полимерлерде молекулалар Ван-дер-Ваальс күштерімен байланысқандықтан, аталған байланыстар энергиясы төмен болып табылады. Сондықтан да бөлме температурасындағы сольватация энергиясы мен энтропиялық фактор Ван-дер-Ваальс күштерінен артық мәнге ие болады. Бұндай жағдайда, полимерлі материалдардың ісінуі шексіз түрде жүреді. Алайда, γ - сәулелену есебінен түзілген макромолекулалардың көлденең химиялық байланыспен тігілуі материалдың шексіз ісінуіне кедергі болады. Алынған үлдір үлгілерінің ісіну дәрежесі жұтылу дозасының мөлшері 40 кГр максималды мәнге жетіп, одан әрі 80 және 120 кГр реттілікпен артқан сайын кеміп отырады. (1) доза әсер ету барысында карботізбекті қос полимердің тігілуі жүреді де, үлдірдің ісінуі шекті мәнге ие болады. (2) және одан әрі (3) дозамен әсер ету барысында полимер деструкциясы жүреді. Иондаушы сәулелердің әсер ету дозасын арттыру полимер құрамынан бөлінентін радикалдар концентрациясын арттырады. Түзілген радикалдар полимерлердің негізгі тізбегіндегі байланстардың үзілуіне және қысқа молекулалық қосылыстардың пайда болуына себепші болып табылады да, полимерлер деструкциясының жүруін қамтамасыз етеді. (2) және (3) дозалардан өткен үлдір үлгілерінің деструкциялану көрсеткіші жоғары болғандықтан ісіну дәрежесі төмен мәнге ие.

2-суретте үш түрлі (а, б, в) жұтылу дозасынан өткен тігілген полимерлі үлдірлердің 20 ^○ С температурада этанолдағы ісіну дәрежесі көрсетілген. 1, 2, 3 және 4 номерлермен белгіленген сәйкесінше этанолдың 100, 50, 75 және 30% - дық концентрациялары сәйкес келеді. Үш дозадағы үлгілердің 100% этанолда мүлдем ісінбейді. Тігілген сополимерлер түйіндерінде -ОН топтардың орналасуы полярлы спирт молекуласындағы -ОН топтарды «тебеді». Соның нәтижесінде спирттің молекулалары сополимер макромолекулаларының бос кеңістігіне өте алмайды, ісіну процесі жүрмейді. Полимер мен еріткіш арасында әрекеттесу болмайды. 40 (а) және 80 кГр (б) сәулелену дозасынан өткен үлгілер үшін ең жоғарғы ісіну дәрежесі 50% этанолда байқалады. Бұндай қатынаста ПВС пен судың аз бөлігі мен спирттердегі -ОН топтардың әсерінен сутектік байланыс түзуге ынталанады да полимердің жоғары дәрежелі ісінуі байқалады. Бірақ бұл ретте ROH топтары толығымен байланысуға ынталанбайды. Сутектік байланыс химиялық байланыс сияқты қосымша полимерлі тізбекиердің тігіліп, полимердің ісіну дәрежесін шектеу қызметін атқарады.

3-суретте ПВС пен крахмал негізіндегі үлдірлердің қоршаған ортаның температурасына тәуелділігі көрсетілген. Крахмал полисахарид болғанымен бөлме температурасындағы сумен молекула ішілік реакцияға түсуі қиындайды, сондықтан да крахмалды еріту үшін қосымша суды қыздыру арқылы энергия көзі қажет болады. ПВС суда еруі құрамындағы ацетат тобына тәуелді болады. Гидролиздену дәрежесі жоғары болған сайын оның ерігіштігі төмен болады, молекулалық массасы жоғары болған сайын ерітіндінің тұтқырлығы жоғарылайды. ПВС пен крахмал 65-70 ^○ С температурада жақсы ериді. Үлдір құрамында крахмал мөлшерінің көп болуы оның ерігіштігін нашарлатады. Крахмал мен ПВС құрамында гидроксил топтарының болуы олардың сутектік байланыс түзуге бейімділігін арттырады. Сондықтан да, оларды қыздырған уақытта сутектік байланыс ыдырап, Ван-дер-Ваальс күштері әлсіреуі нәтижесінде ісіну көрсеткіші жоғарылайды және ісіну тұрақтылық уақыты кемиді.

Температура жоғарылаған сайын ісіну дәрежесінің артуын 5 а және б суреттерін салыстыра отырып байқауға болады. 30 ^○ С температурадағы таза су мен натрий хлоридінің 0, 9% ерітіндісіндегі үлгінің ісіну көрсеткіші 25 ^○ С үлгінің ісіну көрсеткішінен бақылаудың алғашқы 15 минутында 1, 5 есеге жоғары болатынын байқаймыз. Жоғарыда атап өткендей, Ван-дер-Ваальс күштерінің әлсіреуі полимерлі материалдардың ісінуінің қарқындылығын арттырады.

1-сурет. ПВС-Кл негізіндегі үлдірлердің ісіну дәрежесіне жұтылу дозасының әсері