Жүгері крахмалы негізінде биоыдырайтын жабқыштар технологиясын жасау
КІРІСПЕ
1 ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1 Биоыдырайтын суда еритін полимерлер, заманауи мәселелері және оны шешу жолдары
1.1.1. Биоыдырайтын табиғи полимерлер
1. 1. 2. Крахмал модификациясы
1.1.3.Крахмалдың тігілген сополимерлері
1.2 Биоыдырайтын үлдір синтезіндегі поливинил спиртінің қолданылуы
1.3 Бетондарды ПВС.Кл негізіндегі сополимер қоспаларымен түрлендіру
2 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ
2.1 Бастапы заттар мен ерітінділердің сипаттамасы
2.2 Сополимердің синтезі
2.3 Зерттеудің физика.химиялық әдістері
2.4 Бетон үлгілерін алу және қалыптау
2.5 Полимербетонның су сіңіру қасиеті
2.6 Полимербетонның сығуға беріктілігін анықтау
3 НӘТИЖЕЛЕР ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ӨҢДЕУ
3.1 Поливинил спирті және крахмал негізінде үлдірлер алу
3.2 Поливинил спирті және крахмал негізінде алынған үлдірлердің физика.химиялық қасиеттері
3.3 ПВС пен крахмал негізінде синтезделген тігілген үлдірлердің биоыдыру қабілеті
3.4 Бетон үлгілерін алу және қалыптау
3.5 Полимербетонның су сіңіру қасиеті
3.6 Полимербетонның сығуға беріктілігін анықтау
3.7 Поливинил спирті және крахмал негізінде сополимер алуға арналған принципиалды сызбанұсқа
3.8 Үлдірдің өзіндік құны мен сату бағасын базалық есептеу
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
1 ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1 Биоыдырайтын суда еритін полимерлер, заманауи мәселелері және оны шешу жолдары
1.1.1. Биоыдырайтын табиғи полимерлер
1. 1. 2. Крахмал модификациясы
1.1.3.Крахмалдың тігілген сополимерлері
1.2 Биоыдырайтын үлдір синтезіндегі поливинил спиртінің қолданылуы
1.3 Бетондарды ПВС.Кл негізіндегі сополимер қоспаларымен түрлендіру
2 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ
2.1 Бастапы заттар мен ерітінділердің сипаттамасы
2.2 Сополимердің синтезі
2.3 Зерттеудің физика.химиялық әдістері
2.4 Бетон үлгілерін алу және қалыптау
2.5 Полимербетонның су сіңіру қасиеті
2.6 Полимербетонның сығуға беріктілігін анықтау
3 НӘТИЖЕЛЕР ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ӨҢДЕУ
3.1 Поливинил спирті және крахмал негізінде үлдірлер алу
3.2 Поливинил спирті және крахмал негізінде алынған үлдірлердің физика.химиялық қасиеттері
3.3 ПВС пен крахмал негізінде синтезделген тігілген үлдірлердің биоыдыру қабілеті
3.4 Бетон үлгілерін алу және қалыптау
3.5 Полимербетонның су сіңіру қасиеті
3.6 Полимербетонның сығуға беріктілігін анықтау
3.7 Поливинил спирті және крахмал негізінде сополимер алуға арналған принципиалды сызбанұсқа
3.8 Үлдірдің өзіндік құны мен сату бағасын базалық есептеу
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
Жұмыстың өзектілігі. Заманауи қоғамды полимерлі орамалар, жабындар және пластикалық материалдарсыз 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 қазіргі таңда қарқынды дамуда.
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 қарапайым құрылғылар көмегімен алынады және халық шаруашылығының көптеген салаларында 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.
ПВС – әмбебап полимер. Оның негізінде көптеген қолданыстық мақсаттағы бұйымдар мен поливинил ацеталь, поливинил нитрат секілді маңызды полимерлі материалдар алынады.ПВС синтезі үлкен өндірістік масштабтарға ие, негізгі тізбегінде С-С байланысының болуы оның негізіндегі өнімдерге тез биоыдырауға мүмкіндік береді.
Ұсынылған жұмыс жоғарыда айтылған мәселелерді шешу мақсатында крахмал мен поливинил спирті негізінде биоыдырайтын үлдірлер алу және олардың басты физика-химиялық қасиеттерін тағайындауға арналған.
Жұмыстың мақсаты: жүгері крахмалы негізіндегі биоыдырайтын жабқыш синтезінің технологиясын жасау, алынған жапқыштың қолданылу мүмкіндіктерін бағалау, сонымен қатар табиғи ортада ыдырауына тексеріс жүргізу.
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 қарапайым құрылғылар көмегімен алынады және халық шаруашылығының көптеген салаларында 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.
ПВС – әмбебап полимер. Оның негізінде көптеген қолданыстық мақсаттағы бұйымдар мен поливинил ацеталь, поливинил нитрат секілді маңызды полимерлі материалдар алынады.ПВС синтезі үлкен өндірістік масштабтарға ие, негізгі тізбегінде С-С байланысының болуы оның негізіндегі өнімдерге тез биоыдырауға мүмкіндік береді.
Ұсынылған жұмыс жоғарыда айтылған мәселелерді шешу мақсатында крахмал мен поливинил спирті негізінде биоыдырайтын үлдірлер алу және олардың басты физика-химиялық қасиеттерін тағайындауға арналған.
Жұмыстың мақсаты: жүгері крахмалы негізіндегі биоыдырайтын жабқыш синтезінің технологиясын жасау, алынған жапқыштың қолданылу мүмкіндіктерін бағалау, сонымен қатар табиғи ортада ыдырауына тексеріс жүргізу.
1. Суворова А.И., Тюкова И.С., Труфанова Е.И. «Биоразлагаемые полимерные материалы на основе крахмала» // Успехи химии. 2000. Т. 69. №5. С. 494–504.
2. Тасекеев М.С.., Еремеева Л.М. Производство биополимеров как один из путей решения проблем экологии и АПК // 2009. С. 5 – 6.
3. Ермолович О.А., Макаревич А.В. и др. «Биоразлагаемые ориентированные плоские волокна на основе крахмалонаполненногополпропилена» // Химические волокна. 2006. №5. С. 26–30
4. Легонькова О., Мелицкова Е., Пешехонова А. «Будущее за биоразложением» // Тара и упаковка. 2003. №2. C. 62–63.
5. Во, Тхи Хоай Тху, Биоразлагаемые полимерные материалы на основе крахмала // Успехи химии. 2010.
6. Felix H. Otey, Richard P. Westhoff, «Biodegradable Films from Starch and Ethylene-Acrylic Acid Copolymer» // American Chemical Society, Chicago1977. № III A. С. 305-308;
7. Патент 2190623 (РФ). Способ получения гидроксиалкилкарбоксиметил крахмалов / И.М. Ротенберг, Л.Б. Иванникова / Опубл. 10.10.2002.
8. ThawienBourtoom, Manjeet S. «Preparation and properties of rice starche-chitosan blend biodegradable film» // LWT - Food Science and Technology № 4. 2008. С.1633- 64.
9. Willart, J. F.; Descamps, M. «Solid State Amorphization of Pharmaceuticals»// Mol. Pharmaceutics 2008, №5.С.905−920;
10. Vasanthavada, M.; Tong, W.-Q.; Joshi, Y.; Kislalioglu, M. S. «Phase Behavior of Amorphous Molecular Dispersions I: Determination of the Degree and Mechanism of Solid Solubility»// Pharm. Res. 2004, №21.С.1598−1606.
11. Sindhu Doppalapudi, Sameer Katiyar, Abraham J. Domb and Wahid Khan. BiodegradableNaturalPolymers// AdvancedPolymersinMedicine2015, P 35 - 37
12. Marsac, P. J.; Konno, H.; Taylor, L. S. «A Comparison of the Physical Stability of Amorphous Felodipine and Nifedipine Systems» // Pharm. Res. 2006, № 23.С. 2306−2316.
13. Fedotov, V. D.; Schneider, H. «Structure and Dynamics of Bulk Polymers by NMR Methods. In NMR Basic Principles and Progress»; // Diehl, Springer- Verlag: Berlin, 1989. № 3.С. 396−418.
14. McBrierty, V. J.; Packer, K. J. «Nuclear Magnetic Resonance in Solid Polymers» // Cambridge University Press: Cambridge, 1993.№5, С. 52-98.
15. Schmidt-Rohr, K.; Spiess, H. W. «Multidimensional Solid-State NMR and Polymers» // Academic Press: London, 1994. V9.С. 187-215.
16. Byrn, S. R.; Xu, W.; Newman, A. W. «Chemical Reactivity in Solid- State Pharmaceuticals» // Formulation Implications. Adv. Drug Delivery Rev. 2001, № 48. С. 115−136.
17. Bugay, D. E.» Characterization of the Solid-State: Spectroscopic Techniques» // Adv. Drug Delivery Rev. 2001, № 48.С. 43−65
18. Berendt, R. T.; Sperger, D. M.; Isbester, P. K.; Munson, E. J. «Solid-State NMR Spectroscopy in Pharmaceutical Research and Analysis». TrAC, Trends Anal. Chem. 2006, № 25.С. 977−984.
19. Schantz, S.; Hoppu, P.; Juppo, A. M. «A Solid-State NMR Study of Phase Structure, Molecular Interactions, and Mobility in Blends of Citric Acid and Paracetamol» // J. Pharm. Sci. 2009, № 98.С.1862−1870.
20. Weuts, I.; Van Dycke, F.; Voorspoels, J; «Physicochemical Properties of the Amorphous Drug, Cast Films, and Spray Dried Powders to Predict Formulation Probability of Success for Solid Dispersions» // Etravirine. J. Pharm. Sci. 2011, № 100.С. 260−274.
21. Pham, T. N.; Watson, S. A.; Edwards, A. J.; Chavda, M.; Clawson, J. S.; Strohmeier, M.; Vogt, F. G. «Analysis of Amorphous Solid Dispersions Using 2D Solid-State NMR and 1H T1 Relaxation Measurements» // Pharmaceutics 2010, № 7. С. 1667−1691.
22. Фомин В. А., Гузеев В. В. «Биоразлагаемые полимеры, состояние и перспективы использования» // Пластические массы. 2001, № 2. С. 42-46.
23. Forster, A.; Apperley, D.; Hempenstall, J.; Lancaster, R.; Rades, T. «Investigation of the Physical Stability of Amorphous Drug and Drug/Polymer Melts Using Variable Temperature Solid State NMR» // Pharmazie 2003, № 58. С. 761−762.
24. Barich, D. H.; Davis, J. M.; Schieber, L. J.; Zell, M. T.; Munson, E. J. «Investigation of Solid-State NMR Line Widths of Ibuprofen in Drug Formulations»//J. Pharm. Sci. 2006, № 95.С. 1586−1594.
25. Пхакадзе Г. А. . Коломийцев А. К и др «Биодеструктивные полимеры»// Киев: Наук. Думка, 1990. С. 143.
26. Lubach, J. W.; Xu, D.; Segmuller, B. E.; Munson, E. J. «Investigation of the Effects of Pharmaceutical Processing Upon Solid- State NMR Relaxation Times and Implications to Solid-State Formulation Stability» // J. Pharm. Sci. 2007, № 96. С. 777−787.
27. Janssens, S.; Novoa de Armas, H.; Remon, J. P.; Van den Mooter, G. «The Use of a New Hydrophilic Polymer, Kollicoat IR, in the Formulation of Solid Dispersions of Itraconazole» Eur. J. Pharm. Sci. 2007, № 30.С. 288−294.
28. Janssens, S.; Anné, M.; Rombaut, P.; Van den Mooter, G. Spray Drying from Complex Solvent Systems Broadens the Applicability of Kollicoat IR as a Carrier in the Formulation of Solid Dispersions. Eur. J. Pharm. Sci. 2009, №37. С. 241−248.
29. Guns, S.; Kayaert, P.; Martens, J. A.; Van Humbeeck, J.; Mathot, V.; «Characterization of the Copolymer Poly(ethyleneglycol-g-vinylalcohol) as a Potential Carrier in the Formulation of Solid Dispersions» // . Eur. J. Pharm. Biopharm. 2010, № 74.С. 239−247.
30. Litvinov, V. M.; Penning, J. P. «Phase Composition and Molecular Mobility in Nylon 6 Fibers as Studied by Proton NMR Transverse Magnetization Relaxation». Macromol. Chem. Phys. 2004, № 205.С. 1721−1734.
31. Litvinov, V. M. EPDM/PP «Thermoplastic Vulcanizates As Studied by Proton NMR Relaxation: Phase Composition, Molecular Mobility, Network Structure in the Rubbery Phase, and Network Heterogeneity» //. Macromolecules 2006, № 39.С. 8727−8741.
32. Litvinov, V. M.; Persyn, O.; Miri, V.; Lefebvre, J. M. «Morphology, Phase Composition, and Molecular Mobility in Polyamide Films in Relation to Oxygen Permeability. Macromolecules» 2010, № 43.С. 7668−7679.
33. Aujla, R. S.; Harris, R. K.; Packer, K. J.; Parameswaran, M.; Say, B. J.; Bunn, A.; Cudby, M. E. A. «Discriminatory Experiments in High- Resolution 13C NMR of Solid Polymers». Polym. Bull. 1982, № 8.С. 253− 259.
34. Guns, S.; Mathot, V.; Martens, A. J.; Van den Mooter, G. «Upscaling of the hot-melt extrusion process: comparison between laboratory scale and pilot scale production of solid dispersions with miconazole and Kollicoat» // IR. Eur. J. Pharm. Biopharm. 2012, № 81 (3).С. 674−682.
35. Волова Т. Г., Севастьянов В. И., Шишацкая Е. И. «Полиоксиалканоаты - биоразрушаемые полимеры для медицины» // Новосибирск: Издательство СО РАН, 2003. С 330.
36. Штильман М. И. «Полимеры медико-биологического назначения». М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. С .400
37. R.K. Salar S.K. Gahlawat P. Siwach J.S. Duha. Biotechnology: Prospects and Applications // Starch: Its Functional, In Vitro Digestibility, Modification, and ApplicationsP 39 - 53
38. Litvinov, V. «Molecular Mobility and Phase Composition in Polyolefins: From Fundamental to Applied Research. In NMR Spectroscopy of Polymers: Innovative Strategies for Complex Macromolecules» // American Chemical Society 1077: Washington, DC, 2011; Chapter 11. С. 179−190.
39. Aharoni, S. M. «On Entanglements of Flexible and Rodlike Polymers»//Macromolecules 1983, № 16. С. 1722−1728.
40. Wool, R. P. «Polymer Entanglements» //Macromolecules 1993, № 26.С. 1564−1569.
41. Heymans, N. A «Novel Look at Models for Polymer Entanglement»// Macromolecules 2000, № 33. С. 4226−4234.
42. Barendswaard, W.; Litvinov, V. M.; Souren, F.; Scherrenberg, R. L.; Gondard, C.; Colemonts, C. «Crystallinity and Microstructure of Plasticized Poly(vinyl chloride). A 13C and 1H Solid State NMR Study» // . Macromolecules 1999, №32. С.167−180.
43. Ларионов В. Г. «Саморазлагающиеся полимерные материалы» // Полимеры для пищевой промышленности. 1993, № 4. С. 36-39.
44. Litvinov, V. M.; Soliman, M. «The Effect of Storage of Poly(propylene) Pipes Under Hydrostatic Pressure and Elevated Temperatures on the Morphology, Molecular Mobility and Failure Behaviour» //Polymer 2005, № 46. С. 3077−3089.
45. Doi YK, Fukuda K. «Biodegradable plastics and polymers» // Amsterdam: Elsevier; 1994.
46. Ермолович О.А., Макаревич А.В. и др. Биоразлагаемые ориентированные плоские волокна на основе крахмалонаполненного полипропилена // Химические волокна. 2006. №5. С. 26–30.
47. Thayer AM. «Plastics recycling efforts spurred by concerns about solid waste» // In: Glass JE, Swift G, editors. «Agricultural and Synthetic Polymers, Biodegradability and Utilization» American Chemical Society; 1990. С. 38–51.
48. Taghizadeh MT, Nalbandi N, Bahadori A. «Stabilizing effect of epoxidized sunflower oil as a secondary stabilizer for Ca/Hg stabilized PVC» // ExpPolymLett 2008№ 2(1). С. 65–76.
49. Rath SK, Singh RP. «On the characterization of grafted and ungrafted starch, amylose and amylopectin». J ApplPolymSci 1998; № 7. С.1795–1810.
50. Тоқтабаева Ә. Қ. Полимерлік композиттік материалдарды алу және зерттеу әдістері. 2009. С. 13-14.
51. Vert M, Feijen L, Albertsson A, Scott G. «Biodegradable polymers and plastics» // Wiltshire, UK: Redwood Poss Ltd. The Royal Society of Chemistry; 1992.
52. Wagner PA, Little BJ, Hart KR, Ray RI. «Biodegradation of composite materials» // IntBiodeterBiodegrad 1996. №38. С. 125–132.
53. Averous L, Moro L, Dole P, Fringant C. «Properties of thermoplastic blends: starch–polycaprolactone». Polymer 2000; № (11). С. 4157–4167.
54. Hayashi T. №Biodegradable polymers for biomedical uses» // ProgPolymSci 1994; № 19. С. 663–702.
55. Lijun Mao, Syed Imam, Sherald Gordon, Patrizia Cinelli, and Emo Chiellini. Extruded Cornstarch–Glycerol–Polyvinyl Alcohol Blends: Mechanical Properties, Morphology, and Biodegradability // Journal of Polymers and the Environment 2002; С. 205.
56.Y. Ohama // Durabilaty Performance of Polymer-Modified Mortars // Gaitherburg, USA, 242-248, 1981.
57. Gregory J Glen, Artur K. Klamenezynsky, Bor Sen Tior // Lightweight Concrete Containing an Alkaline Resistsnt Starch-Based Aquagel Journal of Polymers and the Environment, Vol. 12, No. 3, July 2014
58.TsebrenkoМ.V., JudinА.V., AblazovaТ.I., Vinogradov G.V. Polymer, 1976, v. 17, № 9, p. 831.
59.Paul D.R. In: Polymer blends. N. Y.: Academic Press, 1978, v. 2, p. 168.
60.Krasnikova N.P., Kotova E.V., Vinogradov G.V., Pelzbauer Z.J. Appl. Polymer Sci., 1978, v. 22, № 7, p. 2081.
2. Тасекеев М.С.., Еремеева Л.М. Производство биополимеров как один из путей решения проблем экологии и АПК // 2009. С. 5 – 6.
3. Ермолович О.А., Макаревич А.В. и др. «Биоразлагаемые ориентированные плоские волокна на основе крахмалонаполненногополпропилена» // Химические волокна. 2006. №5. С. 26–30
4. Легонькова О., Мелицкова Е., Пешехонова А. «Будущее за биоразложением» // Тара и упаковка. 2003. №2. C. 62–63.
5. Во, Тхи Хоай Тху, Биоразлагаемые полимерные материалы на основе крахмала // Успехи химии. 2010.
6. Felix H. Otey, Richard P. Westhoff, «Biodegradable Films from Starch and Ethylene-Acrylic Acid Copolymer» // American Chemical Society, Chicago1977. № III A. С. 305-308;
7. Патент 2190623 (РФ). Способ получения гидроксиалкилкарбоксиметил крахмалов / И.М. Ротенберг, Л.Б. Иванникова / Опубл. 10.10.2002.
8. ThawienBourtoom, Manjeet S. «Preparation and properties of rice starche-chitosan blend biodegradable film» // LWT - Food Science and Technology № 4. 2008. С.1633- 64.
9. Willart, J. F.; Descamps, M. «Solid State Amorphization of Pharmaceuticals»// Mol. Pharmaceutics 2008, №5.С.905−920;
10. Vasanthavada, M.; Tong, W.-Q.; Joshi, Y.; Kislalioglu, M. S. «Phase Behavior of Amorphous Molecular Dispersions I: Determination of the Degree and Mechanism of Solid Solubility»// Pharm. Res. 2004, №21.С.1598−1606.
11. Sindhu Doppalapudi, Sameer Katiyar, Abraham J. Domb and Wahid Khan. BiodegradableNaturalPolymers// AdvancedPolymersinMedicine2015, P 35 - 37
12. Marsac, P. J.; Konno, H.; Taylor, L. S. «A Comparison of the Physical Stability of Amorphous Felodipine and Nifedipine Systems» // Pharm. Res. 2006, № 23.С. 2306−2316.
13. Fedotov, V. D.; Schneider, H. «Structure and Dynamics of Bulk Polymers by NMR Methods. In NMR Basic Principles and Progress»; // Diehl, Springer- Verlag: Berlin, 1989. № 3.С. 396−418.
14. McBrierty, V. J.; Packer, K. J. «Nuclear Magnetic Resonance in Solid Polymers» // Cambridge University Press: Cambridge, 1993.№5, С. 52-98.
15. Schmidt-Rohr, K.; Spiess, H. W. «Multidimensional Solid-State NMR and Polymers» // Academic Press: London, 1994. V9.С. 187-215.
16. Byrn, S. R.; Xu, W.; Newman, A. W. «Chemical Reactivity in Solid- State Pharmaceuticals» // Formulation Implications. Adv. Drug Delivery Rev. 2001, № 48. С. 115−136.
17. Bugay, D. E.» Characterization of the Solid-State: Spectroscopic Techniques» // Adv. Drug Delivery Rev. 2001, № 48.С. 43−65
18. Berendt, R. T.; Sperger, D. M.; Isbester, P. K.; Munson, E. J. «Solid-State NMR Spectroscopy in Pharmaceutical Research and Analysis». TrAC, Trends Anal. Chem. 2006, № 25.С. 977−984.
19. Schantz, S.; Hoppu, P.; Juppo, A. M. «A Solid-State NMR Study of Phase Structure, Molecular Interactions, and Mobility in Blends of Citric Acid and Paracetamol» // J. Pharm. Sci. 2009, № 98.С.1862−1870.
20. Weuts, I.; Van Dycke, F.; Voorspoels, J; «Physicochemical Properties of the Amorphous Drug, Cast Films, and Spray Dried Powders to Predict Formulation Probability of Success for Solid Dispersions» // Etravirine. J. Pharm. Sci. 2011, № 100.С. 260−274.
21. Pham, T. N.; Watson, S. A.; Edwards, A. J.; Chavda, M.; Clawson, J. S.; Strohmeier, M.; Vogt, F. G. «Analysis of Amorphous Solid Dispersions Using 2D Solid-State NMR and 1H T1 Relaxation Measurements» // Pharmaceutics 2010, № 7. С. 1667−1691.
22. Фомин В. А., Гузеев В. В. «Биоразлагаемые полимеры, состояние и перспективы использования» // Пластические массы. 2001, № 2. С. 42-46.
23. Forster, A.; Apperley, D.; Hempenstall, J.; Lancaster, R.; Rades, T. «Investigation of the Physical Stability of Amorphous Drug and Drug/Polymer Melts Using Variable Temperature Solid State NMR» // Pharmazie 2003, № 58. С. 761−762.
24. Barich, D. H.; Davis, J. M.; Schieber, L. J.; Zell, M. T.; Munson, E. J. «Investigation of Solid-State NMR Line Widths of Ibuprofen in Drug Formulations»//J. Pharm. Sci. 2006, № 95.С. 1586−1594.
25. Пхакадзе Г. А. . Коломийцев А. К и др «Биодеструктивные полимеры»// Киев: Наук. Думка, 1990. С. 143.
26. Lubach, J. W.; Xu, D.; Segmuller, B. E.; Munson, E. J. «Investigation of the Effects of Pharmaceutical Processing Upon Solid- State NMR Relaxation Times and Implications to Solid-State Formulation Stability» // J. Pharm. Sci. 2007, № 96. С. 777−787.
27. Janssens, S.; Novoa de Armas, H.; Remon, J. P.; Van den Mooter, G. «The Use of a New Hydrophilic Polymer, Kollicoat IR, in the Formulation of Solid Dispersions of Itraconazole» Eur. J. Pharm. Sci. 2007, № 30.С. 288−294.
28. Janssens, S.; Anné, M.; Rombaut, P.; Van den Mooter, G. Spray Drying from Complex Solvent Systems Broadens the Applicability of Kollicoat IR as a Carrier in the Formulation of Solid Dispersions. Eur. J. Pharm. Sci. 2009, №37. С. 241−248.
29. Guns, S.; Kayaert, P.; Martens, J. A.; Van Humbeeck, J.; Mathot, V.; «Characterization of the Copolymer Poly(ethyleneglycol-g-vinylalcohol) as a Potential Carrier in the Formulation of Solid Dispersions» // . Eur. J. Pharm. Biopharm. 2010, № 74.С. 239−247.
30. Litvinov, V. M.; Penning, J. P. «Phase Composition and Molecular Mobility in Nylon 6 Fibers as Studied by Proton NMR Transverse Magnetization Relaxation». Macromol. Chem. Phys. 2004, № 205.С. 1721−1734.
31. Litvinov, V. M. EPDM/PP «Thermoplastic Vulcanizates As Studied by Proton NMR Relaxation: Phase Composition, Molecular Mobility, Network Structure in the Rubbery Phase, and Network Heterogeneity» //. Macromolecules 2006, № 39.С. 8727−8741.
32. Litvinov, V. M.; Persyn, O.; Miri, V.; Lefebvre, J. M. «Morphology, Phase Composition, and Molecular Mobility in Polyamide Films in Relation to Oxygen Permeability. Macromolecules» 2010, № 43.С. 7668−7679.
33. Aujla, R. S.; Harris, R. K.; Packer, K. J.; Parameswaran, M.; Say, B. J.; Bunn, A.; Cudby, M. E. A. «Discriminatory Experiments in High- Resolution 13C NMR of Solid Polymers». Polym. Bull. 1982, № 8.С. 253− 259.
34. Guns, S.; Mathot, V.; Martens, A. J.; Van den Mooter, G. «Upscaling of the hot-melt extrusion process: comparison between laboratory scale and pilot scale production of solid dispersions with miconazole and Kollicoat» // IR. Eur. J. Pharm. Biopharm. 2012, № 81 (3).С. 674−682.
35. Волова Т. Г., Севастьянов В. И., Шишацкая Е. И. «Полиоксиалканоаты - биоразрушаемые полимеры для медицины» // Новосибирск: Издательство СО РАН, 2003. С 330.
36. Штильман М. И. «Полимеры медико-биологического назначения». М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. С .400
37. R.K. Salar S.K. Gahlawat P. Siwach J.S. Duha. Biotechnology: Prospects and Applications // Starch: Its Functional, In Vitro Digestibility, Modification, and ApplicationsP 39 - 53
38. Litvinov, V. «Molecular Mobility and Phase Composition in Polyolefins: From Fundamental to Applied Research. In NMR Spectroscopy of Polymers: Innovative Strategies for Complex Macromolecules» // American Chemical Society 1077: Washington, DC, 2011; Chapter 11. С. 179−190.
39. Aharoni, S. M. «On Entanglements of Flexible and Rodlike Polymers»//Macromolecules 1983, № 16. С. 1722−1728.
40. Wool, R. P. «Polymer Entanglements» //Macromolecules 1993, № 26.С. 1564−1569.
41. Heymans, N. A «Novel Look at Models for Polymer Entanglement»// Macromolecules 2000, № 33. С. 4226−4234.
42. Barendswaard, W.; Litvinov, V. M.; Souren, F.; Scherrenberg, R. L.; Gondard, C.; Colemonts, C. «Crystallinity and Microstructure of Plasticized Poly(vinyl chloride). A 13C and 1H Solid State NMR Study» // . Macromolecules 1999, №32. С.167−180.
43. Ларионов В. Г. «Саморазлагающиеся полимерные материалы» // Полимеры для пищевой промышленности. 1993, № 4. С. 36-39.
44. Litvinov, V. M.; Soliman, M. «The Effect of Storage of Poly(propylene) Pipes Under Hydrostatic Pressure and Elevated Temperatures on the Morphology, Molecular Mobility and Failure Behaviour» //Polymer 2005, № 46. С. 3077−3089.
45. Doi YK, Fukuda K. «Biodegradable plastics and polymers» // Amsterdam: Elsevier; 1994.
46. Ермолович О.А., Макаревич А.В. и др. Биоразлагаемые ориентированные плоские волокна на основе крахмалонаполненного полипропилена // Химические волокна. 2006. №5. С. 26–30.
47. Thayer AM. «Plastics recycling efforts spurred by concerns about solid waste» // In: Glass JE, Swift G, editors. «Agricultural and Synthetic Polymers, Biodegradability and Utilization» American Chemical Society; 1990. С. 38–51.
48. Taghizadeh MT, Nalbandi N, Bahadori A. «Stabilizing effect of epoxidized sunflower oil as a secondary stabilizer for Ca/Hg stabilized PVC» // ExpPolymLett 2008№ 2(1). С. 65–76.
49. Rath SK, Singh RP. «On the characterization of grafted and ungrafted starch, amylose and amylopectin». J ApplPolymSci 1998; № 7. С.1795–1810.
50. Тоқтабаева Ә. Қ. Полимерлік композиттік материалдарды алу және зерттеу әдістері. 2009. С. 13-14.
51. Vert M, Feijen L, Albertsson A, Scott G. «Biodegradable polymers and plastics» // Wiltshire, UK: Redwood Poss Ltd. The Royal Society of Chemistry; 1992.
52. Wagner PA, Little BJ, Hart KR, Ray RI. «Biodegradation of composite materials» // IntBiodeterBiodegrad 1996. №38. С. 125–132.
53. Averous L, Moro L, Dole P, Fringant C. «Properties of thermoplastic blends: starch–polycaprolactone». Polymer 2000; № (11). С. 4157–4167.
54. Hayashi T. №Biodegradable polymers for biomedical uses» // ProgPolymSci 1994; № 19. С. 663–702.
55. Lijun Mao, Syed Imam, Sherald Gordon, Patrizia Cinelli, and Emo Chiellini. Extruded Cornstarch–Glycerol–Polyvinyl Alcohol Blends: Mechanical Properties, Morphology, and Biodegradability // Journal of Polymers and the Environment 2002; С. 205.
56.Y. Ohama // Durabilaty Performance of Polymer-Modified Mortars // Gaitherburg, USA, 242-248, 1981.
57. Gregory J Glen, Artur K. Klamenezynsky, Bor Sen Tior // Lightweight Concrete Containing an Alkaline Resistsnt Starch-Based Aquagel Journal of Polymers and the Environment, Vol. 12, No. 3, July 2014
58.TsebrenkoМ.V., JudinА.V., AblazovaТ.I., Vinogradov G.V. Polymer, 1976, v. 17, № 9, p. 831.
59.Paul D.R. In: Polymer blends. N. Y.: Academic Press, 1978, v. 2, p. 168.
60.Krasnikova N.P., Kotova E.V., Vinogradov G.V., Pelzbauer Z.J. Appl. Polymer Sci., 1978, v. 22, № 7, p. 2081.
Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі
Әл-Фараби атындағы Қазақ Ұлттық Университеті
Есмұратов Азамат
ЖҮГЕРІ КРАХМАЛЫ НЕГІЗІНДЕ БИОЫДЫРАЙТЫН ЖАБҚЫШТАР ТЕХНОЛОГИЯСЫН ЖАСАУ
050721 - Органикалық заттардың химиялық технологиясы мамандығы
Алматы, 2015 ж
Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі
Әл-Фараби атындағы Қазақ Ұлттық Университеті
Химия және химиялық технология факультеті
Қорғауға жіберілді
кафедра меңгерушісі
___ _________
х.ғ.,д. профессор Мун. Г.А.
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
Тақырыбы: ЖҮГЕРІ КРАХМАЛЫ НЕГІЗІНДЕ БИОЫДЫРАТЫН ЖАБҚЫШТАР ТЕХНОЛОГИЯСЫН ЖАСАУ
050721 - Органикалық заттардың химиялық технологиясы мамандығы бойынша
Орындаған: А.А. Есмұратов
4 курс студенті
Ғылыми жетекші
х.ғ.к,. доцент П.И. Үркімбаева
Норма бақылаушы: Д.Б. Қалдыбеков
Алматы, 2015 ж
Аннотация
Дипломдық жұмыс 54 беттен, 12 суреттен, 6 кестеден, 60 әдебиет көздерінен тұрады.
Түйінді сөздер: тігілген полимерлер; поливинил спирті (ПВС); крахмал; электронды сәулелену; радиациялық өңдеу.
Зерттеу нысандары: крахмал негізіндегі (со)полимерлер және биоыдырайтын үлдірлер.
Жұмыстың мақсатыжүгері крахмалы негізіндегі биоыдырайтын жабқыш синтезінің технологиясын жасау, алынған жабқыштың қолданылу мүмкіндіктерін бағалау сонымен қатар табиғи ортада ыдырауына тексеріс жүргізу.
Жұмыстың міндеттері:
1. Жүгері крахмалы негізінде алынған биоыдырауға қабілетті жабындар синтездеудің оптимальды жағдайын іздестіру.
2. Поливинил спиртімен (ПВС) қосымша химиялық түрлендірілген жүгері крахмалы негізіндегі биоыдырайтын жабқыш құрамын ИҚ-спектроскопия әдісімен тексеру.
3. Тұрмыс пен медицинада қолданылу мүмкіндіктерін бағалау үшін синтезделген жабынның химиялық және физикалық қасиеттерін зерттеу.
4. Поливинил спирті және жүгері крахмалы негізінде алынған жабқыштың табиғи ортадағы ыдырауы мен қоршаған ортаға әсерін тексеру.
5.ПВС және крахмал негізіндегі (со)полимерлердің бетондар қасиетіне әсерін зерттеу.
Зерттеу әдістері: ИҚ-спектроскопия (SatelliteFTIR, Mattson, АҚШ), иономер Ion Meter 3345 (Jen Way, Ұлыбритания), жылдам электрондық сәулелендіру (жартылай-өндірістік үдеткіш ЭЛВ-4, 1,3 МэВ), C055N (Matest, Италия) гидравликалық пресс қондырғысы.
Жұмстың ғылыми жаңалығы және практикалық құндылығы: жұмыста алғаш рет крахмал және поливинил спирті (ПВС) негізінде тігілген (со)полимерлер алынған. ИҚ-спектроскопия әдісінің көмегімен жалғанған полимерлеу сутегілік байланыстармен жүретіні анықталған. ПВС және крахмал негізіндегі қолданыстық қасиеттері жоғары үлдірлерді алу мақсатында ылғал күйдегі (со)полимерлерді радиациялық өңдеуден өткізу тиімділігі анықталған. Тігілген үлдірлердің суда және спирт-су, натрий хлориді ерітінділеріндегі ісіну көрсеткіштері БПҚ құрамына және спирттің проценттік үлесіне, ортаның температурасына тәуелділігі анықталған. ПВС-крахмал негізіндегі үлдірлердің биоыдырауна қоршаған ортаның ылғалдылығы мен микроорганизмдер мөлшері әсері тағайындалды. ПВС және крахмал негізінде алынған радиациялық өңдеуден өтпеген үлдірлерді бетондар құрамына қосу бетонның су сіңіру қасиетіне, қозғалғыштығына оңтайлы әсер көрсетті, сонымен қатар бетонның негізгі қасиеті - беріктілігін 20-25%-ға арттыратыны байқалды.
Аннотация
Дипломная работа состоит из 54 станиц, включает 12 рисунка, 6 таблицы, 60 источников литературы.
Ключевые слова: сшитые полимеры; поливиниловый спирт (ПВС); крахмал; электронное облучение; радиационная обработка.
Объекты исследования: (со)полимеры на основе крахмала и поливинилового спирта и биодеградируемые пленки.
Целью работыявляется создание технологии биодеградируемых покрытии на основе крахмала, определение возможности использовании полученных покрытии и иследование биодеградации в природной среде.
Задачи работы:
1.Найти оптимальный вариант синтеза биодеградируемых покрытии на основе ПВС и кукурузного крахмала.
2. Методом ИК-спектроскопии иследовать состав модифицированного поливиниловым спиртом биодеградирумую пленку на основе ПВС и крахмала.
3. Иследовать физико-химические свойства синтезированной пленки для изучение возможности использования в быту и медицине.
4. Изучение биодеградации и влияние в окружающую среду покрытии на основе ПВС и крахмала.
5. Иследование влияния (со)полимеров на основе ПВС и крахмала на свойства бетонов.
Методы исследования:
ИК-спектроскопия (Satellite FTIR, Mattson, США), иономер Ion Meter 3345 (Jen Way, Великобритания), установка быстрого электронного облучения (полу-производственный ускоритель ЭЛВ-4, 1,3 МэВ), C055N (Matest, Италия) установка гидравлического пресса.
Научная новизна и практическая значимость работы: в работе впервые получены сшитые (со)полимеры на основе ПВС и крахмала. С помощью метода ИК-спектроскопии установлено, что привитая полимеризация идет с помощью водородных связей. Установлено, что для получения высококачественных (со)полимеров на основе ПВС и крахмала требуется провести радиационную обработку влажных пленок, а также показатели набухания пленок в водной, водно-спиртной и в среде растворов хлорида натрия зависят от процентного содержания поливинилового спирта и температуры окружающей среды. При изучении биоразлогаемости пленок на основе ПВС и крахмала было установлено, что увеличение влаги в почве и микроорганического мира пленки разлогаются быстро. При добавлении не обработанных радиационными лучами (со)полимеров на основе ПВС и крахмала в цементную смесь установлено, что прочность полученных бетонных изделии увеличилась на 20-25%.
Физико-химические иследования (со)полимеров на основе ПВС и крахмала показали, что полученные биоразлагаемые пленки пригодны в использовании в народном хозяйстве и медицине.
Мазмұны
КІРІСПЕ
1 ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1 Биоыдырайтын суда еритін полимерлер, заманауи мәселелері және оны шешу жолдары
1.1.1. Биоыдырайтын табиғи полимерлер
1. 1. 2. Крахмал модификациясы
1.1.3.Крахмалдың тігілген сополимерлері
1.2 Биоыдырайтын үлдір синтезіндегі поливинил спиртінің қолданылуы
1.3 Бетондарды ПВС-Кл негізіндегі сополимер қоспаларымен түрлендіру
2 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ
2.1 Бастапы заттар мен ерітінділердің сипаттамасы
2.2 Сополимердің синтезі
2.3 Зерттеудің физика-химиялық әдістері
2.4 Бетон үлгілерін алу және қалыптау
2.5 Полимербетонның су сіңіру қасиеті
2.6 Полимербетонның сығуға беріктілігін анықтау
3 НӘТИЖЕЛЕР ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ӨҢДЕУ
3.1 Поливинил спирті және крахмал негізінде үлдірлер алу
3.2 Поливинил спирті және крахмал негізінде алынған үлдірлердің физика-химиялық қасиеттері
3.3 ПВС пен крахмал негізінде синтезделген тігілген үлдірлердің биоыдыру қабілеті
3.4 Бетон үлгілерін алу және қалыптау
3.5 Полимербетонның су сіңіру қасиеті
3.6 Полимербетонның сығуға беріктілігін анықтау
3.7 Поливинил спирті және крахмал негізінде сополимер алуға арналған принципиалды сызбанұсқа
3.8 Үлдірдің өзіндік құны мен сату бағасын базалық есептеу
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
ҚЫСҚАРТЫЛҒАН СӨЗДЕР ТІЗІМІ
ПВС-поливил спирті
ММ-молекулалық масса
БПҚ-бастапқы полимерлер қатынасы
ИҚ-инфрақызыл сәуле
ПЭ-полиэтилен
ПП-полипропилен
ПВХ-поливилхлорид
МҚ-малеин қышқылы
МА-метакрил қышқылы
КМК-карбоксиметилкрахмал
ММ-молекулалық масса
БПҚ-бастапқы полимерлер қатынасы
КІРІСПЕ
Жұмыстың өзектілігі. Заманауи қоғамды полимерлі орамалар, жабындар және пластикалық материалдарсыз 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 қазіргі таңда қарқынды дамуда.
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 қарапайым құрылғылар көмегімен алынады және халық шаруашылығының көптеген салаларында 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.
ПВС - әмбебап полимер. Оның негізінде көптеген қолданыстық мақсаттағы бұйымдар мен поливинил ацеталь, поливинил нитрат секілді маңызды полимерлі материалдар алынады.ПВС синтезі үлкен өндірістік масштабтарға ие, негізгі тізбегінде С-С байланысының болуы оның негізіндегі өнімдерге тез биоыдырауға мүмкіндік береді.
Ұсынылған жұмыс жоғарыда айтылған мәселелерді шешу мақсатында крахмал мен поливинил спирті негізінде биоыдырайтын үлдірлер алу және олардың басты физика-химиялық қасиеттерін тағайындауға арналған.
Жұмыстың мақсаты: жүгері крахмалы негізіндегі биоыдырайтын жабқыш синтезінің технологиясын жасау, алынған жапқыштың қолданылу мүмкіндіктерін бағалау, сонымен қатар табиғи ортада ыдырауына тексеріс жүргізу.
Жұмыстың міндеттері:
1. Жүгері крахмалы негізінде алынған биоыдырауға қабілетті жабындар синтездеудің оңтайлы жағдайын іздестіру.
2. Поливинил спиртімен әр түрлі қатынаста қосымша химиялық түрлендірілген жүгері крахмалы негізіндегі биоыдырайтын жабқыш құрамын ИҚ спектроскопия әдісімен тексеру.
3. Тұрмыс пен медицинада қолданылу мүмкіндіктерін бағалау үшін синтезделген жабынның химиялық және физикалық қасиеттерін зерттеу.
4. Жүгері крахмалы негізінде алынған жабқыштың табиғи ортадағы ыдырауы мен қоршаған ортаға әсерін тексеру.
Зерттеу нысандары: крахмал негізіндегі (со)полимерлер және биоыдырайтын үлдірлер.
Зерттеу әдістері: ИҚ-спектроскопия (Satellite FTIR, Mattson, АҚШ), иономер Ion Meter 3345 (Jen Way, Ұлыбритания), жылдам электрондық сәулелендіру (жартылай-өндірістік үдеткіш ЭЛВ-4, 1,3 МэВ), C055N (Matest, Италия) гидравликалық пресс қондырғысы.
1 ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1. Биоыдырайтын суда еритін полимерлер, заманауи мәселелері және оны шешу жолдары
Мұнайдан өндірілетін пластмассалар, полимерлі материалдар бүкіл әлем бойынша өте кең қолданысқа ие. Қолданылу мөлшерінің артуына байланысты пластмассалар қалдықтарының утилизациясы күрделі ғаламдық мәселеге айналуда. Осыған орай микроорганизмдер әсерінен сулы ортада, топырақта ыдырай алатын жаңа пластмассалар мен полимерлі материалдарды өндіру мәселесі қарқынды дамуда.
Табиғи полимерлер (целлюлоза, крахмал, хитин) түрлі микроорганизмдер әсерінен немесе олардың бөлетін ферменттері есебінен қарапайым тіршілік иелерінің метаболизміне қатысатын төмен молекулалық қосылыстарға ыдырайды. Ферменттер полимердің басты тізбегінің бұзылуына жауап беретін катализаторлар қызметін атқарады. Полиолефиндер мен поливинилді полимерлі қосылыстарды ыдырататын ферменттер табиғатта кездеспейді. Бірақ, қысқа мерзімді қолданылатын көптеген материалдар аталған полимерлік материалдардан алынады. Бұндай материалдар дамыған елдердегі қатты қалдықтардың санаулы үлесін құрайды. Сондықтан да, соңғы жылдары хитин мен крахмал секілді табиғи материалдар негізінде алынатын биополимерлер өндірісі қарқындай түсуде [1].
Қазіргі таңда көптеген полимерлер мен пластмассалардың негізгі шикізаты мұнай болып табылады. Соңғы деректер бойынша мұнайдың әлемдік қоры 2050 жылға дейін ғана жеткілікті. Мұнай шикізатының сарқылуы әлемдік ғалымдар мен өндірушілердің қазірден бастап қазбалық энерготасымалдауыштарды қайта қалпына келетін энергоқорларымен алмастыратын жолдарды іздестіруге итермелеуде. Мұнай-тек қана бензин, мазут секілді жанармай түрі емес, сонымен қатар химия индустриясында өнімдердің алпауыт түрлерінің негізгі шикізат көзі.
Тұрмыста қолданылатын көптеген өнімдер түрлері: үлдірлер, ыдыстар түрлері, жылыжай бөлшектері секілді материалдар өндірісіне мұнайдың аса үлкен мөлшері жұмсалады. Орасан зор жұмсалған шикізатпен қоса алынған өнімдердің табиғи ыдырауға ұшырамайтындығы, утилизациясының қымбаттылығы мен күрделілігі секілді факторлар әсері қоршаған ортаға миллиондаған тонна ыдырамайтын қатты қалдықтар бөлінуіне себепш і.
Сондықтан да биополимерлер өндірісінің дамуы қазіргі таңдағы маңызды мәселелердің бірі. Табиғи полимерлік материалдар ірі масштабтарда қолданыла бастағанымен әлі де кең қолданыс таппаған [2].
Жаңа биоыдырайтын матриалдарды алу соңғы 30 жыл бойы әлемдік ғалымдардың назарын аудартқанымен, бұл саладағы интенсивті зерттеулер тек соңғы онжылдықтарда ғана жүргізілуде. Бұл әлем бойынша полимерлі материалдардың өндіріс қарқынының артуынан, жыл сайын миллиондаған тонна қатты қалдықтардың қалып, қоршаған орта жағдайына жағымсыз әсер етуімен тығыз байланысты [3].
Биополимерлер өндірісіндегі аса үлкен қызығушылыққа ие, табиғи,өсімдітекті ірі масштабты өндірілетін материал - крахмал. Бактериялар ыдырата алатын суда еритін үлдір алу мақсатында крахмал мен пектин қоспасына пластификаторлар енгізеді: глицерин немесе полиоксиэтиленгликоль. Зерттеулер көрсеткендей, крахмал мөлшері артқан сайын үлдір беріктігі төмендей түседі [4].
Соңғы зерттеулерде крахмалды эфирлерге арналған көптеген нәтижелерге қол жеткізілгенімен, биоыдырайтын материал алу мәселесі толықтай шешілмеген. Сол себепті түрлі шикізат көздерінен алынған крахмалдың табиғи құрамының әр алуандығына байланысты өнімді оптимизациялауға арналған қосымша зерттеулер жүргізілуі қажет.
Жүгері және күріштен алынатын крахмал, оларға қосылатын технологиялық компоненттердің полиэтиленмен қоспасы негізіндегі материалдар соңғы жылдардағы зерттеудің негізгі объектісіне арналған [5].
Крахмал құрамында бойына суды тарту қабіетіне ие гидроксилді топтары бар, сондықтан да оның негізінде алынатын материалдар қарқынды ыдырау қабілетімен ерекшеленеді. Алайда, крахмал құрамындағы функционалды топтарды эфирлік немесе күрделі эфирлік топтармен алмастыру арқылы материалдың тұрақтылығын арттыруға болады. Қосымша химиялық өңдеу крахмал полимері құрмындағы химиялық байланыстардың нығаюына себепші болады да, алынған материалдың жылуға, қышқылдар әсеріне, механикалық әсерлерге тұрақтылығын арттырады [5].
Бұндай өңдеу нәтижесінде қоршаған ортада ыдырау қабілетіне ие модифицирленген крахмал алынады. Алынған материал коммерциялық тиімді термопласт болып табылады. Модифицирленген крахмалды қарапайым пластмасса шығаратын құрылғыларда алуға болады, материал бетіне жеңіл техника көмегімен түрлі кескіндер салуға, бояуға өте ыңғайлы. Бұл материал табиғаты бойынша антистатикалық қасиетке ие. Модифицирленген крахмалдың физикалық қасеттері мұнайхимиялық жолмен өндірілетін басты бәсекелестері-жоғары және төмен тығыздықты полиэтиленнен, полипропиленнен айтарлықтай төмен. 300С температурада екі ай шамасында толықтай ыдырап кетеді [6, 7]. 1970 жылы крахмал полимерлі матрицаны синтездеуге пайдаланылған, бірнеше онжылдықтардан кейін крахмалдан термопластикалық материалдар алу жолға қойыла бастаған. Зерттеулер көрсеткендей крахмал полимерлі матрицасын өзге де мұнайхимиялық жолмен алынған синтетикалық материалдармен толтыру арқылы биоыдырау қасиетін бәсеңдетуге болады. Зерттеу жұмыстары крахмалцеллюлоза, крахмалполивинил спирті (ПВС) секілді қоспалармен жүргізілген [8].
Соңғы аталған синтетикалық материалдардың өндірістік маңызы тұрақты дамуымен, шығу тегіне тәуелсіздігімен сонымен қатар ерігіштік, суда ісіну қабілетімен, арзан әрі зиянсыз еру қабілетіне орай артуда. Бұндай полимерлі материалдардың қолданылу аясы өте кең, коммерциялық саладан бастап азық-түлік, тері өңдеу, түрлі жабындар дайындау, медицина мен фармацевтикада және өзге салаларда кеңінен қолданылады. Бұндай материалдар үлкен коммерциялық маңызға ие, ең бастысы қоршаған ортаға тигізер зиянды әсері өте төмен [9].
Химиялық байланыс түріне тәуелді, сольватталған макромолекулалық негіздердің мономерлік бірліктрінің спецификалық құрылымдығы мен реттілігі (бірінші ретті құрылымы), сонымен қатар бір немесе бірнеше массивтегі макромолекулалардың конфорамациялық және конфигурациялы құрылымдары (екінші ретті құрылымы), ерітінді қасиеттеріне және де суда еритін полимерлі материалдар өндірісіне әсер етеді. Функционалды топтар мен (құрылымы, меншікті концентрациясы, қайталанушы буындар реті) гидрофобты көмірсутектерден құралған қайталанып отыратын буындар арасындағы меншікті баланс, сонымен қатар олардың гомополимерлер мен сополимерлер құрылымдарында орналасуы суда еруіндегі басты факторлар қатарына жатады. Суда еритін полимерлер блоктарындағы функционалды топтар нейтралды (иондалмаған полимерлер), зарядталған (анионды, катионды, цвиттер ионды, амфотерлі полимрлер) болуы мүмкін [10].
1.1.1. Биоыдырайтын табиғи полимерлер
Кейбір табиғи полимерлердің химиялық құрылымы 1-суретте және биоыдырайтын табиғи полимерлер классификациясы 2-суретте көрсетілген.
1-сурет. Табиғи полимерлердің құрылымы
2-сурет. Биоыдырайтын табиғи полимерлердің классификациясы
Крахмал өсімдіктерде кездесетін полисахарид. Ол өсімдіктер құрамында қор қызметін атқарады. Химиялық құрылымы бойынша ол қайталанып отыратын глюкапиранозаның альфа-D- (1,4) байланыстарынан құралған. Ол негізі екі полимерден құралған: амилоза (α-1, 4 D-глюкозадан тұратын бөлінбейтін спиральды полимерден) және амилопектиннен (α-1, 4 және α-1, 6 D-глюкозаның қатты тармақталған мономерлерінен құралған) тұрады. Гидролиздену барысында глюкоза моносахаридін береді. Табиғатта аса көп мөлшерде кездесетін полимер жұлындық жасушаларды жасауда, дәрілік компоненттерге қоспа ретінде және т.б. алу мақсатында биомедицинада қолданылады. Крахмал және клечатка негізіндегі микробөлшектер медициналық материалдар каркасының торлық құрылымдарын құрайды және жұлынның сомалық жасушаларының остеобласттарын тасымалдаушы ретінде қолданылады.
Сонымен қатар крахмалды алынатын өнімдер қасиеттерін арттыру мақсатына өзге де табиғи және синтетикалық материалдармен қосады. Мысалы, фенил аланин препаратының модельдерінің таңдамалық түрлерін алу мақсатында крахмал альгинаты қолданылады. Препарат сыртын қаптайтын альгинат әсерінен фенил аланиннің қажетті дозасы реттелген түрде бөлініп отырады [11].
Крахмал негізіндегі биоыдырайтын полимерлерді алу бірнеше принциптерге негізделеді:
- термопластикалық крахмал мен бұйымдарды крахмал негізінде алу;
- синтетикалық және табиғи полимерлерден қоспаларды алу;
- экструзиялық жолмен крахмал туындыларын алу.
Алу жолдары мен алынған материалдар қасиеттері соңғы жылдарғы ғылыми шолуларда келтірілген [12-13], библиографиялық сілтемелер саны 653 еңбектерден құралған. Соңғы зерттеу еңбектердің бірінде [14] крахмал модификациясы қарастырылған, бұл зерттеулер бойынша жай және күрделі эфирлі крахмал, тігілген сополимерлер, тотыққан және катионды крахмал экструдер арқылы алынған. [15]
Крахмал негізіндегі пластикалық массалар жоғары экологиялық тазалығымен және екі ай көлемінде 300С температурада топырақ жамылғысында өсімдіктер өсуіне бағалы компоненттерге ыдырау қабілетіне ие. Тұрмыстық маңызы бар биоыдырау қабілетіне ие материалдардың (орамалар, агротехникадағы жабындау қаптамалары, қоқысқа арналған қаптар) өзіндік құнын төмендету үшін тазартылмаған крахмалдың поливинил спирті және талькпен қоспасы қолданылады. [16]
Целлюлоза жоғары механикалық қасиетке ие, су мен органикалық еріткіштерде ерімейді, балқымайды. Қышқыл әсерінен гидролизге ұшырайды. Полисүт қышқылы-сызықты алифатикалық полиэфир, жүгері немесе өзге де био массасының ферментациясы негізінде түзілетін сүт қышқылын полимерлеу нәтижесінде алынады. Полисүтқышқылының ыдырауы екі этаппен жүзеге асады. Алдымен сүт қышқылы түзілуі үшін эфирлік топтарды бірітіндеп сумен гидролизге ұшыратады да, кейін белгілі бір ортада микробтар көмегімен ыдырату жүзеге асады. Полисүт қышқылы 45 тәулік ішінде қажетті қаптамалық құрылымдарды жүзеге асыру арқасында алынады[17]. Поликапролактон синтетикалық полиэфирлер класына жатады. Жоғары механикалық қасиетке ие және май мен су әсеріне тұрақты. Балқу температурасы төмен (50○С). Биоыдырау процесі микробтар және саңырауқұлақтармен үнемі әсерлесу нәтижесінде 60 тәулікке созылады [18].
Фото және биоыдырайтын пластмассаларды алу құрамында ультракүлгін және биоыдырауға қабілетті ерекше функционалды топтары бар, тізбекке фото және биоактивтеуші қоспалар енгізілумен жүргізіледі. Бұндай материалдың алынуының басты қиындығы-қоспалар полимер құрамына өндіру немесе синтез барысында енгізіледі, ал ыдырау алыған материал қолданылған соң жүзеге асу қажет. Сондықтан да пластмассалық бұйымдардың сапасына әсер етпейтін және жарамдылық мерзімін арттыратын ыдырату активаторларын дайындау басты мәселе болып табылады. Сонымен бірге активаторлар токсикалық емес және қолжетімді болу қажет.
Биоыдырайтын пластмассаларды игеру жұмыстарын жетілдірудің негізгі үш бағыттары: гидроксикарбонқышқылдарының полиэфирлері; өндірілетін табиғи полимерлер негізіндегі пластикалық массалар; өндірістік жоғары молекулалық синтетикалық материалдарға биоыдырау қабілетін беру. Қазіргі таңда орамалық мақсатта қолданылатын перспективалы биоыдырайтын материалдардың бірі сүт қышқылы конденсациясы өнімі полиактид болып табылады. Полиактид компостта бір ай көлемінде ыдырайды, теңіз суының микробтарымен де жеңіл сіңіріледі. Қажетті тауарлық қасиеттерге ие биоыдырайтын полиэфирлерді гидроксикарбон қышқылдары негізінде алуға болатын болса, онда құрамына крахмал, целлюлоза, хитозан немесе протеин кіретін пластмассалар композициялық матералдарды құрайды [20].
Биоыдырайтын қаптамалық материалдар ішінен аса кең қолданысқа ие табиғи материал ретінде крахмал қолданылады. Бактериялар ыдырата алатын суда еритін крахмал мен пектин негізіндегі қаптамалық материалдар алу үшін үлдір құрамына пластификаторлар енгізіледі: глицерин немесе полиоксиэтиленгликоль. Целлюлозаның эпоксид шайырларымен және дикарбон қышқылдарының ангидридтерімен әсерлесу арқылы алынған полимерлер топырақта 4 ай ішінде толықтай еріп кетеді. Соның негізінде формалау арқылы шөлмектер, бір реттік қолданылатын ыдыстар, егістік жабындарда қолданылатын үлдірлер алынады [21].
Жоғары және төмен температураға тұрақты қаптамалық мақсатта қолданылатын көпқабатты материалдарды, крахмалмен желімденген целлюлоза үлдіріне майға төзімді қағазбен қаптау арқылы аады, бұндай материал тағамдық ораушы ретінде жіберіледі. Бұндай материал тағамды электр немесе ұсақтолқынды пештерде дайындау барысында қаптама ретінде қолданылады. Үштік композициядан (хитозан, ұсақцеллюлозалы талшық және желатин) аса берік үлдірлер алады. Алынған үлдірлер жерге терең көму барысында микроорганизмдер әсерімен ыдырауы мүмкін [22].
Табиғи белоктар мен протеиндер де биоыдырайтын пластмассалар алушылардың ерекше қызығушылығын туғызуда. Ылғалы мол тағамдарды орау мен тағамдық қораптарды алу мақсатында гидрофобты протеин цеин негізіндегі үлдір қолданылады. Табиғи полимерлерді (полисахарид, биоыдырайтын пластиктер алу мақсатындағы белоктар) қолданудың басты артықшылығы - бастапқы шикізат көзінің қайта қалпына келуінде және сарқылмайтындығында. Негізгі мақсат - синтетикалық көптонажды полимерлердің қасиеттеріне жақын биоыдырайтын композициялық материал алу. Басты мәселелердің бірі биоыдырау қасиетін өндірісте кең қолданылатын полимерлерге енгізу: ПЭ, ПП, ПВХ, полистирол және полиэтилентерефталат. Аталған полимерлер мен полимерлік бұйымдар "мәңгілік" сақталатын болғандықтан, бұларға биоыдырау қасиетін беру мәселесі өзекті болып табылады [23].
Биоыдырайтын полимерлердің қолданылатын басты салаларына тағамдық өнімдердің қаптамалық материалдары жатқызылады: үлдірлер, контейнерлер, пеноматериалдар, ыдыстар, қалдықтарды жинайтын және қарашіріндіге айналдыратын жабындар. Сонымен бірге биопластиктер медицинада сүт, гликоль және өзге де оксиқышқылдар негізінде алынатын тігіс материалдары ретінде; фрамокологияда дәрілік заттардың пролонгирлеген қаптамасы ретінде қолданылады [24].
Сүт және гликоль қышқылына негізделген биоыдырайтын полимерлер синтезі келесі стадияларды біріктіреді: 1. Қышқыл ерітіндісін концентрлеу; 2. Сүт және гликоль қышқылдары олигомерлерінің катализатор (цинк оксиді, сурьма (III) оксиді) қатысында алынуы; 3. Лактид-шикізат пен гликолид-шикізаттың алынуы [25].
Фотоыдырайтын полимерлерге этиленнің көміртек оксидімен сополимерлерін жатқызуға болады. ПЭ және ПС базалық полимердің ыдырауының фотоинициаторлары ретінде винилкетонды мономерлер қолданылады. Этилен мен стиролға сополимерлер ретінде 2-5% мөлшерінде винилкетонды мономерлер енгізу ПЭ мен ПС ұқсас пластиктер алуға мүмкіндік береді. Алынған материалдар фотодеградацияға ультракүлгін сәулесінің 290 - 320 нм аралығында әсер еткенде ұшырайды.
Пластмассалық қалдықтар мәселесін шешетін тағы бір жол-синтетикалық материалдарды ыдыратуға қабілетті микроорганизмдерді мутациялау [25].
Полимерлердің құрылымы мен құрылысының биоыдырау қасиетіне әсерін қарастырайық. Макромолекулалардың молекулалық массасы төмендеген сайын биоыдырауға қабілеттілік арта түсетіні анықталған. Биоыдырауға әсер ететін келесі қасиет олардың кристалдыңы болып табылады. Аморфты полимердің кристалды полимерлермен салыстырғанда биоыдырау қабілеті жоғары екендігі анықталған.
Аса жоғары молекулалық қосылыстардың кристалдық құрылымдары төмендеу молекулалық қосылыстармен салыстырғанда биоыдырауы баяу жүреді. Макромолекулалардағы құрылымданудың пайда болуы биоыдырауды жақсартады. Түрлі модифицирленген биоқосылыстарды енгізу полимерлердің ыдырау қабілетін арттыруы немесе кемітуі де мүмкін [26].
Полиэфирлі пластификаторлар ПВХ биоыдырау қабілеттілігін арттырады. Алайда полимердің беткі қабатына нашар диффузияланған пластификатор (дибутил-фталат) ПВХ нашар биоыдырауына себепші болады. Полимердің биоыдырауы құрылымы мен құрылысынан өзге қоршаған орта жағдайларына тәуелді болып табылатын күрделі процесс. Қоршаған орта жағдайларынан бірінші ретті әсер етуші факторларға ылғалдылық, температура, орта рН, жарық сонымен қатар топырақпен байланысы және топырақ түрі секілді комплексті факторлар әсер етеді [27]. Соңғы жылдары өздігінен ыдырайтын полимерлерді алуды зерттеу жұмыстары шектелуде. Негізгі себебі, бұндай полимерлерді алу барысындағы шығын қарапайым пластикалық массаларды алудағы шығыннан жоғары болып табылады [28].
1. 1. 2. Крахмал модификациясы
Термопластты материалдар алу мақсатында қайтақалпына келетін табиғи биоыдырайтын қосылыстар ретінде өзге де табиғи компоненттер қолданылады: целлюлоза, хитин, хитозан. Целлюлозаның эпоксидті қосылыстармен және дикарбон қышқылының ангидридтерімен әсерлесуі нәтижесінде алынған сополимерлері топырақ жамылғысында 4 апта көлемінде толықтай ыдырайды. Бқлардың негізінде формалау арқылы шөлмектер, бір рет қолданылатын ыдыстар, агротехникалық көмбелік үлдірлер алынады. Үштік композициядан (хитозан, микроцеллюлозалы талшықтар, желатин) беріктілігі жоғары, топырақ жамылғысында микроорганизмдермен ұзақ әсерлесу нәтижесінде ыдырайтын үлдір алынады. Бұндай материалдар қаптамалық мақсатта, тасымалдау құралдарын жасуда және т.б. қолданылады. Тағамдық қаптаманы табиғи белок - цеиннен алады [29].
Биополимерлерді өндірісте алу жолдары 1980 - жылдарының аяғында Италияда NovamontS.p.a. компаниясымен жүргізіле бастады. Бүгінгі таңда негізгі өнімі крахмал болып табылатын заводтың өндірістік қуаттылығы жылына 60 мың тоннаны құрайды. Германияда Biotec (жылына 20 мың тонна) және BiopolymerTechnologies (3.5 мың тонна) фирмалары жұмыс істейді. Соңғысы биопластиктер өндірудің өзіндік лицензиясын сатумен де айналысады. Голландияда қуаттылығы 40 мың тоннаны құрайтын RodenburgBiopolymers компаниясы құрылған. LimigrainIndustries фирмасы жылына крахмал негізіндегі 10 мың тонна полимер өндіреді. АҚШ-тағы CereplastInc компаниясы ірі өндірушілер қатарына жатады [30]. Крахмал табиғи полисахарид, көптеген артықшылықтарға ие:
- жыл ішінде толықтай қайта қалпына келу мен өндірілетін шикізаттық (қартоп, жүгері, бидай, бұршақ, маниоко және т.б.) ресурстардың сарқылмайтындығы. Бұл қасиеті бойынша толықтай өсіп жетілуіне 18 - 20 жыл кететін ағаштардан өндірілетін целлюлозадан тиімді;
- өзгерістерге жеңіл ұшарйды және практикалық маңызды қасиеттерінің химиялық, физикалық, бактериялогиялық жолдармен жеңіл өзгертуге болады;
- химияда белгілі төмен молекулалы қосылыстарға тән барлық өзгерістерді крахмалмен жүргізуге болады;
- крахмал негізінде немесе өзге де синтетиалық қосылыстармен бірге биоыдырайтын материалдар алуға қолайлы;
- полимер ретінде крахмалмен жұмыс жасау ыңғайлы және токсикалы емес.
Өсімдіктекті шикізаттардан алынатын биополимрлі материалдардың мүмкіндіктері мен мұнай шикізаттарынан алынған қосылыстардан артықшылығын көрсеткен дұрыс. Бүгінгі таңда комплексті зертханалық жұмыстардың нәтижелері мен көптеген сұрақтарға жауап табылған [32].
Алайда крахмалдың гидрофильділігі және төмен механикалық қасиеттері крахмалды модифицирленбеген күйінде тұрақты гидрогель ретінде пайдалануға мүмкіндік бермейді [33].
Осылайша полисүт қышқылы, поливинил спирті, поликапролактон секілді түрлі биоыдырайтын синтетикалық полимерлерді биоыдырайтын үлдірлердің механикалық қасиеттерін арттыру мақсатында крахмал молекулаларымен араластырып отырған.
Жоғарыда аталған полимерлер ішінен ПВС крахмалмен жоғары үйлесімділігі, дайындау жеңілдігі, канцерогендік қасиетінің жоқтығынан, арзан әрі табиғатпен биоүйлесімді және биоыдырау секілді тамаша қасиеттерімен ерекшеленеді.
Осыған қарамастан үлдірлер алу мақсатында полимерлердің орын ауыстыруы алынатын үлдірдің қасиетіне әсер етуі мүмкін [34].
Сондықтан полимерлі материалдарды алу үшін полимерлі қоспалардың құрылымдық біртектілігін арттыру қажет. Біртектілікті арттыратын бірнеше тігуші агенттер белгілі. Хлорлы фосфорил крахмалды тігу үшін қолданылады [35].
Алайда көптеген тігуші агенттер зиянды және токсикалық әсері жоғары. Сондықтан да олардың қолданылу аясы тұрмыс пен медицина секілді салаларда шектеулі болады. [36] жұмыста крахмал мен ПВС негізіндегі пластмассаның механикалық қасиеттері мен формалану қасиеттерін арттыру мақсатында тігуші агент ретінде малеин қышқылы (МҚ) қолданылған. МҚ тағамдық қоспа ретінде белгілі, улылығы мен табиғатқа кері әсері жоқ. Сондықтан биоматериал алуда оңтайлы қосылыстар қатарына жатады. Алайда аз ғана Авторлар МА тігуші агент ретінде қолданылғандығын көрсетеді. Крахмалдың ПВС-пен этирификациясы МА ангидриді қатысында дикарбон қышқылының карбоксильді топтарының крахмалдың еркін гидроксильді топтары арасында жүреді [36].
Крахмал модификациясы әдетте таза шикізаттың кемшіліктерін жою мен өндірістік қолданылу мөлшерін арттыру мақсатында қолданады. Крахмалдан өнім алу мақсатында өңдеу барысында оңай модификациялауға болады. Соның арқасында модификацияланған крахмалдан оңай адгезияланатын, жабысу қабілеті жоғары құрылыстық жұмыстарда қолданылатын гельдер, пасталар, үлдірлер алуға болады. Тағам құрамына қосылған модификацияланған крахмал азықтық өнімдер қоюлығын, жабысу қабілетін арттырып, тоңазатқышта сақтау барысында ұзақ мерзімді сақталуын қамтамасыз етеді.
Крахмалды модификациялау барысында табиғи физикалық және химиялық қасиеттері толықтай өзгерістерге ұшырайды. Бұндай жетілдірілген крахмал әр түрлі спецификалық тағамдар дайындау барысында кеңінен қолданықа ие.
Әдетте крахмал модификациясы этирификация, тігу процесі, түрлі химиялық егу жолдарымен; ыдырау (қышқылдық және ферментативтік гидролиз, крахмалдың тотығуы); немесе крахмалды жылу, ылғал қатысында физикалық өңдеу нәтижесінде алынады.
Крахмал сонымен қатар қышқылдық және спирттік өңдеу нәтижесінде модификациялануыы мүмкін. Крахмалдың гликозидтік байланыстары, әсіресе оттегімен байланысқан тұстары оңай гидролизденеді. Модифицирленген крахмал молекуласының молекулалық массасы мен тізбек ұзындығы қысқаруға ұшырайды. Крахмалдың спирттердегі қышқылдық өңделуі құрылымының 90% өзгеріске ұшыратады. Крахмалдың тотығуы 1800 - жылдардан бастап жүргізіледі. Модифицирлеу барысында түрлі тотықтыратын агенттер енгізілген: гипохлорид, сутек пероксиді, периодат, перманганат, дихромат, персульфат және т.б [37].
Шикізат ретінде пайдаланылуы бойынша 3 орын алатын қағаз жасау өндірісі секілді аса көп мөлшерде дәстүрлі түрде қолданылуымен қатар соңғы жылдары крахмалдың қолданылатын көптеген жаңа салалары дамуда.
Барлық табиғи биополимерлер ішінен крахмал перспективалы әрі оңай қолжетімді полимерлік материал болып табылады [37].
Табиғи ірі тоннажды полимер ретіндегі крахмалдың тамаша қасиеттерінің арқасында, оның негізінде алынатын түрлі материалдардардың алынуы әлемдік деңгейдегі ірі зерттеушілер мен компанялардың қызығушылығын туғызуда. Бұған крахмал негізінде алынатын бұйымдар туралы жүргізілген зерттеу жұмыстары мен патнеттер дәлел бола алады. Крахмал жүгері, бидай, күріш, қартоп секілді өсімдіктердің құрамында кездесетін басты көмірсу болып табылады [38].
Крахмал қатты тармақталған α-Глюкозадан құралған қос полимерлі қоспадан және сызықты амилоза мен амилопектиннен тұрады. Амилоза глюкоза атомдарының арасындағы валенттік бұрыштарының нәтижесінде түзілген спиральдан түзетін 200-2000 аралығындағы глюкоза молекулаларынан құралған. Амилопектин тізбегінің бойына 30-ға жуық глюкоза бекітілген, қатты тармақталған полимер [39].
Крахмал жеуге жарамды немесе биоыдырайтын үлдірлер алу мақсатында қолданылуы мүмкін. Түрлі шикізат көздерін қолдана отырып, амилозаның проценттік мөлшері аса жоғары крахмал және модифицирленген крахмал алуға олады. Бұндай материалдар одан әрі крахмалдың сулы ерітіндісінен үлдір алуға қолданылады. Бұл үлдірлердің оттегінімен байланысты шектейтін қасиеті бар. Бір кемшілігі-ылғал мөлшері, аса жоғары ылғал үлдірдің механикалық қасиеттерін төмендетіп, кең қолданылуына мүмкіндік бермейді.
Крахмал сонымен бірге армирленген пластик өндірісінде қоспа ретінде қолданылады. Ол үшін крахмалдың аз мөлшеріне (6-30%) синтектикалық полимер қосады, бұндай қоспа бұйымның биоыдырауын тездетеді [40].
Әдетте табиғи крахмал құрамында 30% амилоза, 70% амилопектин және 1% шамасында липидтер мен өсімдік текті белоктар болады.
Крахмал незізінде пластмасса алу мақсатында түрлі тәсілдермен өңделіп зерттелген. Үлдірді крахмалды ерітіндіні құю арқылы алып отырған. Бірақ крахмал өнімдерімен байланысты көптеген басты өндіру жолдары өңдеудің термохимиялық жолдарымен, компрессивті формалау арқылы, ылғал крахмалды экструзионды және инъекционды жолдармен формалау секілді қымбат байланысты болғандықтан кең қолданыс таппаған.
Термомеханикалық өңдеу барысында крахмалдың торлы жүйесі амилоза мен амилопектинді құрылымды, берік қасиеттерге ие крахмал өніміне айналдырылған (3-сурет) [41].
Пластмассалардың және крахмал негізіндегі полимерлердің механикалық қасиетін арттыру мақсатында компоненттермен, су және полиол секілді пластификаторларды қосып зерттеу жұмыстары жүргізілген [42].
1.1.3.Крахмалдың тігілген сополимерлері
Крахмалдың тігілген сополимерлерін алу жолдарын зерттеу көптеген елдерде жүргізілуде. Аса қарқынды түрде Қытай институттарында зерттеледі. Түрлі мономерлерді крахмалға тігу арқылы сополимерлеу табиғи формасынан өзге қасиеттерге ие жаңа крахмал туындыларын алуға бағытталған. Синтетикалық сополимерлермен салыстырғанда крахмалдың тігілген сополимерлерінің басты артықшылығы оның биоыдырау қасиетінде және крахмал шикізатының оңай қол жетімділігінде. Крахмалдың тігілген сополимерлеріне негізделіп келесі бағыттар қарқынды түрде дамуда: абсорбенттер мен суперабсорбенттерді алу; флокулянттарды алу; гельдер мен гидрогельдерді алу.
Абсорбенттер мен суперабсорбенттер таза крахмалдан және оның туындыларынан алынады. Бұл мақсатта акрил қышқылының немесе акриламидтің тігілген сополимеризациясы жүргізіледі, тігуші агент ретінде N,N-метиленбисакриламид қолданылады, инициатор қызметін Na2SO3(NH4)2S2O8 немесе церийдің амоний нитраты қолданылады. Крахмал мен акрил қышқылы негізіндегі суперабсорбенттердің судағы динамикалық және тепе - теңді ісінуі олардың құрамына және акрил қышқылының нейтралдану дәрежесіне байланысты. Нейтралдану дәрежесі артқан сайын ісіну дәрежесі де артады. Акриламид пен крахмалдың сополимерлері 1 г сополимерге 600 г суды сіңіру қасиетіне ие. Аналогиялық сорбциялық қасиетке крахмал, акриламид және акрил қышқылы негіщзіндегі сополимерлер ие. Крахмал, акриламид және малеин қышқылы негізіндегі суперабсорбенттер тапик крахмалын алдымен желатиндеп, кейін крахмал мен акриламидтің және 2%-дық малеин қышқылының γ-сәулесі әсерінен сополимеризациясы нәтижесінде алынады. Көбіктенген соң сополимерлердің 1 г-на 2256 г суға дейін абсорбирлейді. Крахмалды крабоксиметилирлеу нәтижесінде алынған абсорбенттер сумайлы ортада, эмульгирлеуші қоспаның қатысында тринатрийметилфосфатпен тігу нәтижесінде алады. Бұл сорбенттер тігілген соң бойына 10 есе көп мөлшерде суды сіңіре алады. Крахмалдың катионды полиакриламидпен сополимерлері флокулянттар ретінде белгілі. Соңғы зерттеулер сополимерлердің флокулирлеуші қасиетіне оның құрамының, беттік зарядының тығыздығының және өзге де факторлардың әсерін қарастырады. Сонымен қатар мұндай сополимерлерді синтездеу жолдары нақты түрде зерттелген. Крахмал сополимерлері негізінде алынған гельдер мен гидрогельдер зерттеушілерді дәрілік заттарды тасымалдаушы және бөлінуін реттеуші ретінде қызықтырады. Биомедициналық қолданыс үшін крахмалдың сүт қышқылы және полисүтқышқылымен сополимерлері қолданылады. Бұндай сополимерлер токсикалық әсерінің жоқтығымен және организмдегі биоыдырау қасиетімен бағаланады. Гидрогельдерге түрлі параметрлердің әсері зерттелген: реагенттердің мольдік қатынасы, тігуші агент концентрациясы, әдетте N,N-метиленбисакриламида алынады. Сополимерленудің түрлі инициаторларын қолдана отырып крахмал мен акрилонитрил негізінде жалғанған сополимерлер алынған. Крахмалдың нанокристалдарына стиролды сополимерлеу арқылы крахмал мен полистирол сополимерлерінің амфифальды кристалдары алынған. Бұндай кристалдар суда және органикалық еріткіштерде (толуол, дихлорметан) өте жақсы диспергирленеді. Крахмалдың жаңа сополимерлерінің синтездеу жолдарын іздестіру жалғасын табуда. Бұған соңғы жылдары жарық көрген көптеген зерттеу еңбектері дәлел болады [43].
Крахмалдан жаңа туындылар алу соңғы жылдары технологтар мен зерттеушілер ерекше назарын аударуда. Ресей Федерациясындағы крахмал өнімдерінің БҒЗИ - да крахмалдың химиялық модификациясы проф. А. И. Жумшаның жетекшілігімен жүргізілген. А. И. Жумшанның жазған соңғы еңбектерінде техникалық мақсатта қолданылатын крахмалға қатысты көпжылдық зерттеулер нәтижелері жарияланған. Практикалық мақсатта крахмал эфирлері аса үлкен қолданысқа ие: карбоксиметил;- гидроксиэтил;- гидроксипропил;- крахмал, крахмалдың катионды туындылары, крахмал фосфаттары және тотыққан крахмал. Химиялық модифицирленген крахмалды аса ірі компаниялар мен концерндер өндіреді: Акzo Nobel и Avebe (Нидерланды), халықаралық Raisio Chemical, Grain Processing Corp. фирмасы (АҚШ), INQUIL(R) (Бразилия), Хенкель (ГФР), Aloja Starkelsen (Латвия), Rolnas (Польша) және т.б. Аталған өндіріс орындарының крахмал негізіндегі өнімдер түрі өте көп. Мұнда модифицирленген крахмалдың басты қолданылу аймақтары көрсетілген. Қолданыс бойынша жетекші орын мұнай-газ саласына тиесілі. Крахмалдың суда еритін эфирлері мұнай-газ саласында ұңғымалық ерітінділерді тұрақтандыру мақсатында қолданылады. Полицелл өндірістік орнында алынатын химиялық модифицирленген крахмалдар ішінен Na-карбоксиметилкрахмал (КМК-БУР), карбоксиметилоксиэтилкрахмал (Полицелл ПСБ), карбоксиметилоксипропилкрахмал, сонымен қатар гидроксиэтилкрахмал (ГКР), модифицирленген экструзионды крахмал (Полицелл ФКР, РК, РКС) және крахмалдың өзге де эфирлері кең қолданылады [44].
Көптенген крахмал туындылары өндірістік масштабта шығарылғанымен, туындылар алынатын өндіріс қондырғылары әлі күнге дейін жетілдіруді қажет етеді. [45] жұмыста карбоксиметилкрахмалдың (КМК) орын басу дәрежесі мен тұтқырлығына ортаның (этанол, ацетон, бензол және олардың қоспалары) әсері қарастырылған. КМК-да аса жоғары орын басу дәрежесі реакциялық орта этанолбензол болғанда байқалған. КМК - ның қатты фазалық және спиртті ортада суспензиялық жолдармен алу жұмыстары жүргізілуде. КМК - ны қатты фазалық әдіспен алу үшін қуатты айналымдар жасайтын қозғалмалы машиналар қолданылады. Крахмалдан және нартий гидроксиді мен натрийден, монохлорсірке қышқылынан құралған реакциялық қоспа үшқырлы айналдырмалы детальдар мен шнектерден тұратын бөлшектер қатарынан өтіп, қоспа гомогенденеді және пластикалық күйге енеді. Материалда пайда болатын қысу және ығысу әрекеттерінен қосымша күш қажетінсіз біртекті қоспа алынады. Іргелі зерттеулер ішінен аса маңыздысы (коммерциялы крахмалдар ығысу дәресесі 0, 25-0, 40) ығысу дәрежесі 2,1 құрайтын КМК алу болып табылады. Ангидроглюкозалы буындарда карбоксиметилді топтар келесі қатар бойынша орналасады: О2˃О6˃О3. С2-дегі ОН тобының реакциялық қабілеті карбоксиметилдену реакциясында жоғары екендігі көрсетілген.
Полицелл ЖАҚ-да карбокси метилоксиэтилкрахмалдың өндірудің жаңаша әдісі алынған. Алынған материал Полицелл ПСБ деген атауға ие. Моноэфирлермен салыстырғанда бұл аралас эфир карбоксиметилді топтардың болуының есебінен көптеген артықшылықтарға ие. Карбоксиметилді топтар бұрғымалық ерітінділердің құрылымын алуда және полиминералды агрессиялық ортада крахмал эфирлері тұрақтылығын арттыратын гидроксиэтил топтарының болуымен ерекшеленеді. Жүгері крахмалына аллилглицидилді эфирмен әсер еткенде NаОН және Na2SO4ерітіндісінде қанықпаған қос байланыстары бар крахмал туындысы синтезделген. Алынған 1-аллил-2-гидроксипропилкрахмал С6 бөлігінде орын басқан ОН топтарына ие [46].
Ескерте кететін жағдай, тұтқырлығы мен желімдік қасиеттері бастапқы қолданыстағы крахмалдың түріне байланысты. Төртіншілік аммонилік катионды топтар карбоксиметилді анионды топтар, сонымен қатар эпихлоргидринмен түрлі дәрежеде тігілген катионды крахмалды сулы ерітінділерден Сr+6 ионын адсорбциялау үшін қолданады. Адсорбция процесіне түрлі факторлардың әсері зерттелген және хром ионының адсорбциясының идеалды параметрлері анықталған. Тотыққан крахмалды алу мен олардың қолданылу аясының кеңеюі маңызын әлі де жоғалтпаған. Крахмал туындыларының басты ірі тұтынушылары ретінде текстильді және қағазды салалармен қатар мұнайгазды сала жатады. Жыл сайын ауқымды түрде өткізілетін конференциялардан крахмал туындыларының бұрғылау салаларында кеңінен қолданыс тапқанын көреміз. Көрсетілген деректерде мұнай - газ саласындағы крахмал туындыларына қойылатын талаптар мен бұрғылау ерітінділерінің, бұл туындылармен тұрақтанатын қасиеттері нақты көрсетілген [48].
1.2 Биоыдырайтын үлдір синтезіндегі поливинил спиртінің қолданылуы
ПВС - үлкен өндірістік маңызы бар, тек синтездеу жолымен алынатын универсалды полимер. ПВС негізгі тізбегі биоыдырауға қабілетті С-С байланысынан тұрады [49].
ПВС кристалдық полимер. Оны аморфты күйде алу мүмкін емес. Поливинил спирті қалыптыв жағдайда қыздырғанда жұмсарады, бірақ балқымайды. 200 ○С температурада қыздырғанда полимер ыдырайды, бұл кезде оның суда ерігіштігі жойылады. Сонымен қатар, поливинил спирті дегидратацияланып, ішкімолекулалық және молекулааралық этирификациялану реакциясы жүреді.
Поливил спиті, әдетте, пластификацияланған күйде пайдаланылады. Одан теріге, каучукке ұқсас бұйымдар, бензинге тұрақты шлангелер, төсемелер, үлдірлер, талшықтар, желімдер және басқа материалдар жасайды.
Биологиялық залалсыз болғандықтан, поливинил спирті әр түрлі аспаптар мен аппараттар, дәрінің беткі қабаты және т.б. ретінде қолданылады [50].
Орташа молекулалық массасы 10000-нан жоғары болатын ПВС топырақта бактериялар әсерінен толықтай ыдырайтыны дәлелденген. Крахмал-ПВС (60% шамасында крахмал және 40% модифицирленген ПВС пен пластификаторлар) негізндегі биоыдырайтын үлдірлер өндірістік масштабта Жапонияда өндірілген. Бірақ ПВС-Кл негізіндегі үлдірлер физикалық қоспаны құраған. Химиялық реакция нәтижесінде ПВС молекулалары ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Әл-Фараби атындағы Қазақ Ұлттық Университеті
Есмұратов Азамат
ЖҮГЕРІ КРАХМАЛЫ НЕГІЗІНДЕ БИОЫДЫРАЙТЫН ЖАБҚЫШТАР ТЕХНОЛОГИЯСЫН ЖАСАУ
050721 - Органикалық заттардың химиялық технологиясы мамандығы
Алматы, 2015 ж
Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі
Әл-Фараби атындағы Қазақ Ұлттық Университеті
Химия және химиялық технология факультеті
Қорғауға жіберілді
кафедра меңгерушісі
___ _________
х.ғ.,д. профессор Мун. Г.А.
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
Тақырыбы: ЖҮГЕРІ КРАХМАЛЫ НЕГІЗІНДЕ БИОЫДЫРАТЫН ЖАБҚЫШТАР ТЕХНОЛОГИЯСЫН ЖАСАУ
050721 - Органикалық заттардың химиялық технологиясы мамандығы бойынша
Орындаған: А.А. Есмұратов
4 курс студенті
Ғылыми жетекші
х.ғ.к,. доцент П.И. Үркімбаева
Норма бақылаушы: Д.Б. Қалдыбеков
Алматы, 2015 ж
Аннотация
Дипломдық жұмыс 54 беттен, 12 суреттен, 6 кестеден, 60 әдебиет көздерінен тұрады.
Түйінді сөздер: тігілген полимерлер; поливинил спирті (ПВС); крахмал; электронды сәулелену; радиациялық өңдеу.
Зерттеу нысандары: крахмал негізіндегі (со)полимерлер және биоыдырайтын үлдірлер.
Жұмыстың мақсатыжүгері крахмалы негізіндегі биоыдырайтын жабқыш синтезінің технологиясын жасау, алынған жабқыштың қолданылу мүмкіндіктерін бағалау сонымен қатар табиғи ортада ыдырауына тексеріс жүргізу.
Жұмыстың міндеттері:
1. Жүгері крахмалы негізінде алынған биоыдырауға қабілетті жабындар синтездеудің оптимальды жағдайын іздестіру.
2. Поливинил спиртімен (ПВС) қосымша химиялық түрлендірілген жүгері крахмалы негізіндегі биоыдырайтын жабқыш құрамын ИҚ-спектроскопия әдісімен тексеру.
3. Тұрмыс пен медицинада қолданылу мүмкіндіктерін бағалау үшін синтезделген жабынның химиялық және физикалық қасиеттерін зерттеу.
4. Поливинил спирті және жүгері крахмалы негізінде алынған жабқыштың табиғи ортадағы ыдырауы мен қоршаған ортаға әсерін тексеру.
5.ПВС және крахмал негізіндегі (со)полимерлердің бетондар қасиетіне әсерін зерттеу.
Зерттеу әдістері: ИҚ-спектроскопия (SatelliteFTIR, Mattson, АҚШ), иономер Ion Meter 3345 (Jen Way, Ұлыбритания), жылдам электрондық сәулелендіру (жартылай-өндірістік үдеткіш ЭЛВ-4, 1,3 МэВ), C055N (Matest, Италия) гидравликалық пресс қондырғысы.
Жұмстың ғылыми жаңалығы және практикалық құндылығы: жұмыста алғаш рет крахмал және поливинил спирті (ПВС) негізінде тігілген (со)полимерлер алынған. ИҚ-спектроскопия әдісінің көмегімен жалғанған полимерлеу сутегілік байланыстармен жүретіні анықталған. ПВС және крахмал негізіндегі қолданыстық қасиеттері жоғары үлдірлерді алу мақсатында ылғал күйдегі (со)полимерлерді радиациялық өңдеуден өткізу тиімділігі анықталған. Тігілген үлдірлердің суда және спирт-су, натрий хлориді ерітінділеріндегі ісіну көрсеткіштері БПҚ құрамына және спирттің проценттік үлесіне, ортаның температурасына тәуелділігі анықталған. ПВС-крахмал негізіндегі үлдірлердің биоыдырауна қоршаған ортаның ылғалдылығы мен микроорганизмдер мөлшері әсері тағайындалды. ПВС және крахмал негізінде алынған радиациялық өңдеуден өтпеген үлдірлерді бетондар құрамына қосу бетонның су сіңіру қасиетіне, қозғалғыштығына оңтайлы әсер көрсетті, сонымен қатар бетонның негізгі қасиеті - беріктілігін 20-25%-ға арттыратыны байқалды.
Аннотация
Дипломная работа состоит из 54 станиц, включает 12 рисунка, 6 таблицы, 60 источников литературы.
Ключевые слова: сшитые полимеры; поливиниловый спирт (ПВС); крахмал; электронное облучение; радиационная обработка.
Объекты исследования: (со)полимеры на основе крахмала и поливинилового спирта и биодеградируемые пленки.
Целью работыявляется создание технологии биодеградируемых покрытии на основе крахмала, определение возможности использовании полученных покрытии и иследование биодеградации в природной среде.
Задачи работы:
1.Найти оптимальный вариант синтеза биодеградируемых покрытии на основе ПВС и кукурузного крахмала.
2. Методом ИК-спектроскопии иследовать состав модифицированного поливиниловым спиртом биодеградирумую пленку на основе ПВС и крахмала.
3. Иследовать физико-химические свойства синтезированной пленки для изучение возможности использования в быту и медицине.
4. Изучение биодеградации и влияние в окружающую среду покрытии на основе ПВС и крахмала.
5. Иследование влияния (со)полимеров на основе ПВС и крахмала на свойства бетонов.
Методы исследования:
ИК-спектроскопия (Satellite FTIR, Mattson, США), иономер Ion Meter 3345 (Jen Way, Великобритания), установка быстрого электронного облучения (полу-производственный ускоритель ЭЛВ-4, 1,3 МэВ), C055N (Matest, Италия) установка гидравлического пресса.
Научная новизна и практическая значимость работы: в работе впервые получены сшитые (со)полимеры на основе ПВС и крахмала. С помощью метода ИК-спектроскопии установлено, что привитая полимеризация идет с помощью водородных связей. Установлено, что для получения высококачественных (со)полимеров на основе ПВС и крахмала требуется провести радиационную обработку влажных пленок, а также показатели набухания пленок в водной, водно-спиртной и в среде растворов хлорида натрия зависят от процентного содержания поливинилового спирта и температуры окружающей среды. При изучении биоразлогаемости пленок на основе ПВС и крахмала было установлено, что увеличение влаги в почве и микроорганического мира пленки разлогаются быстро. При добавлении не обработанных радиационными лучами (со)полимеров на основе ПВС и крахмала в цементную смесь установлено, что прочность полученных бетонных изделии увеличилась на 20-25%.
Физико-химические иследования (со)полимеров на основе ПВС и крахмала показали, что полученные биоразлагаемые пленки пригодны в использовании в народном хозяйстве и медицине.
Мазмұны
КІРІСПЕ
1 ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1 Биоыдырайтын суда еритін полимерлер, заманауи мәселелері және оны шешу жолдары
1.1.1. Биоыдырайтын табиғи полимерлер
1. 1. 2. Крахмал модификациясы
1.1.3.Крахмалдың тігілген сополимерлері
1.2 Биоыдырайтын үлдір синтезіндегі поливинил спиртінің қолданылуы
1.3 Бетондарды ПВС-Кл негізіндегі сополимер қоспаларымен түрлендіру
2 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ
2.1 Бастапы заттар мен ерітінділердің сипаттамасы
2.2 Сополимердің синтезі
2.3 Зерттеудің физика-химиялық әдістері
2.4 Бетон үлгілерін алу және қалыптау
2.5 Полимербетонның су сіңіру қасиеті
2.6 Полимербетонның сығуға беріктілігін анықтау
3 НӘТИЖЕЛЕР ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ӨҢДЕУ
3.1 Поливинил спирті және крахмал негізінде үлдірлер алу
3.2 Поливинил спирті және крахмал негізінде алынған үлдірлердің физика-химиялық қасиеттері
3.3 ПВС пен крахмал негізінде синтезделген тігілген үлдірлердің биоыдыру қабілеті
3.4 Бетон үлгілерін алу және қалыптау
3.5 Полимербетонның су сіңіру қасиеті
3.6 Полимербетонның сығуға беріктілігін анықтау
3.7 Поливинил спирті және крахмал негізінде сополимер алуға арналған принципиалды сызбанұсқа
3.8 Үлдірдің өзіндік құны мен сату бағасын базалық есептеу
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
ҚЫСҚАРТЫЛҒАН СӨЗДЕР ТІЗІМІ
ПВС-поливил спирті
ММ-молекулалық масса
БПҚ-бастапқы полимерлер қатынасы
ИҚ-инфрақызыл сәуле
ПЭ-полиэтилен
ПП-полипропилен
ПВХ-поливилхлорид
МҚ-малеин қышқылы
МА-метакрил қышқылы
КМК-карбоксиметилкрахмал
ММ-молекулалық масса
БПҚ-бастапқы полимерлер қатынасы
КІРІСПЕ
Жұмыстың өзектілігі. Заманауи қоғамды полимерлі орамалар, жабындар және пластикалық материалдарсыз 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 қазіргі таңда қарқынды дамуда.
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 қарапайым құрылғылар көмегімен алынады және халық шаруашылығының көптеген салаларында 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.
ПВС - әмбебап полимер. Оның негізінде көптеген қолданыстық мақсаттағы бұйымдар мен поливинил ацеталь, поливинил нитрат секілді маңызды полимерлі материалдар алынады.ПВС синтезі үлкен өндірістік масштабтарға ие, негізгі тізбегінде С-С байланысының болуы оның негізіндегі өнімдерге тез биоыдырауға мүмкіндік береді.
Ұсынылған жұмыс жоғарыда айтылған мәселелерді шешу мақсатында крахмал мен поливинил спирті негізінде биоыдырайтын үлдірлер алу және олардың басты физика-химиялық қасиеттерін тағайындауға арналған.
Жұмыстың мақсаты: жүгері крахмалы негізіндегі биоыдырайтын жабқыш синтезінің технологиясын жасау, алынған жапқыштың қолданылу мүмкіндіктерін бағалау, сонымен қатар табиғи ортада ыдырауына тексеріс жүргізу.
Жұмыстың міндеттері:
1. Жүгері крахмалы негізінде алынған биоыдырауға қабілетті жабындар синтездеудің оңтайлы жағдайын іздестіру.
2. Поливинил спиртімен әр түрлі қатынаста қосымша химиялық түрлендірілген жүгері крахмалы негізіндегі биоыдырайтын жабқыш құрамын ИҚ спектроскопия әдісімен тексеру.
3. Тұрмыс пен медицинада қолданылу мүмкіндіктерін бағалау үшін синтезделген жабынның химиялық және физикалық қасиеттерін зерттеу.
4. Жүгері крахмалы негізінде алынған жабқыштың табиғи ортадағы ыдырауы мен қоршаған ортаға әсерін тексеру.
Зерттеу нысандары: крахмал негізіндегі (со)полимерлер және биоыдырайтын үлдірлер.
Зерттеу әдістері: ИҚ-спектроскопия (Satellite FTIR, Mattson, АҚШ), иономер Ion Meter 3345 (Jen Way, Ұлыбритания), жылдам электрондық сәулелендіру (жартылай-өндірістік үдеткіш ЭЛВ-4, 1,3 МэВ), C055N (Matest, Италия) гидравликалық пресс қондырғысы.
1 ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1. Биоыдырайтын суда еритін полимерлер, заманауи мәселелері және оны шешу жолдары
Мұнайдан өндірілетін пластмассалар, полимерлі материалдар бүкіл әлем бойынша өте кең қолданысқа ие. Қолданылу мөлшерінің артуына байланысты пластмассалар қалдықтарының утилизациясы күрделі ғаламдық мәселеге айналуда. Осыған орай микроорганизмдер әсерінен сулы ортада, топырақта ыдырай алатын жаңа пластмассалар мен полимерлі материалдарды өндіру мәселесі қарқынды дамуда.
Табиғи полимерлер (целлюлоза, крахмал, хитин) түрлі микроорганизмдер әсерінен немесе олардың бөлетін ферменттері есебінен қарапайым тіршілік иелерінің метаболизміне қатысатын төмен молекулалық қосылыстарға ыдырайды. Ферменттер полимердің басты тізбегінің бұзылуына жауап беретін катализаторлар қызметін атқарады. Полиолефиндер мен поливинилді полимерлі қосылыстарды ыдырататын ферменттер табиғатта кездеспейді. Бірақ, қысқа мерзімді қолданылатын көптеген материалдар аталған полимерлік материалдардан алынады. Бұндай материалдар дамыған елдердегі қатты қалдықтардың санаулы үлесін құрайды. Сондықтан да, соңғы жылдары хитин мен крахмал секілді табиғи материалдар негізінде алынатын биополимерлер өндірісі қарқындай түсуде [1].
Қазіргі таңда көптеген полимерлер мен пластмассалардың негізгі шикізаты мұнай болып табылады. Соңғы деректер бойынша мұнайдың әлемдік қоры 2050 жылға дейін ғана жеткілікті. Мұнай шикізатының сарқылуы әлемдік ғалымдар мен өндірушілердің қазірден бастап қазбалық энерготасымалдауыштарды қайта қалпына келетін энергоқорларымен алмастыратын жолдарды іздестіруге итермелеуде. Мұнай-тек қана бензин, мазут секілді жанармай түрі емес, сонымен қатар химия индустриясында өнімдердің алпауыт түрлерінің негізгі шикізат көзі.
Тұрмыста қолданылатын көптеген өнімдер түрлері: үлдірлер, ыдыстар түрлері, жылыжай бөлшектері секілді материалдар өндірісіне мұнайдың аса үлкен мөлшері жұмсалады. Орасан зор жұмсалған шикізатпен қоса алынған өнімдердің табиғи ыдырауға ұшырамайтындығы, утилизациясының қымбаттылығы мен күрделілігі секілді факторлар әсері қоршаған ортаға миллиондаған тонна ыдырамайтын қатты қалдықтар бөлінуіне себепш і.
Сондықтан да биополимерлер өндірісінің дамуы қазіргі таңдағы маңызды мәселелердің бірі. Табиғи полимерлік материалдар ірі масштабтарда қолданыла бастағанымен әлі де кең қолданыс таппаған [2].
Жаңа биоыдырайтын матриалдарды алу соңғы 30 жыл бойы әлемдік ғалымдардың назарын аудартқанымен, бұл саладағы интенсивті зерттеулер тек соңғы онжылдықтарда ғана жүргізілуде. Бұл әлем бойынша полимерлі материалдардың өндіріс қарқынының артуынан, жыл сайын миллиондаған тонна қатты қалдықтардың қалып, қоршаған орта жағдайына жағымсыз әсер етуімен тығыз байланысты [3].
Биополимерлер өндірісіндегі аса үлкен қызығушылыққа ие, табиғи,өсімдітекті ірі масштабты өндірілетін материал - крахмал. Бактериялар ыдырата алатын суда еритін үлдір алу мақсатында крахмал мен пектин қоспасына пластификаторлар енгізеді: глицерин немесе полиоксиэтиленгликоль. Зерттеулер көрсеткендей, крахмал мөлшері артқан сайын үлдір беріктігі төмендей түседі [4].
Соңғы зерттеулерде крахмалды эфирлерге арналған көптеген нәтижелерге қол жеткізілгенімен, биоыдырайтын материал алу мәселесі толықтай шешілмеген. Сол себепті түрлі шикізат көздерінен алынған крахмалдың табиғи құрамының әр алуандығына байланысты өнімді оптимизациялауға арналған қосымша зерттеулер жүргізілуі қажет.
Жүгері және күріштен алынатын крахмал, оларға қосылатын технологиялық компоненттердің полиэтиленмен қоспасы негізіндегі материалдар соңғы жылдардағы зерттеудің негізгі объектісіне арналған [5].
Крахмал құрамында бойына суды тарту қабіетіне ие гидроксилді топтары бар, сондықтан да оның негізінде алынатын материалдар қарқынды ыдырау қабілетімен ерекшеленеді. Алайда, крахмал құрамындағы функционалды топтарды эфирлік немесе күрделі эфирлік топтармен алмастыру арқылы материалдың тұрақтылығын арттыруға болады. Қосымша химиялық өңдеу крахмал полимері құрмындағы химиялық байланыстардың нығаюына себепші болады да, алынған материалдың жылуға, қышқылдар әсеріне, механикалық әсерлерге тұрақтылығын арттырады [5].
Бұндай өңдеу нәтижесінде қоршаған ортада ыдырау қабілетіне ие модифицирленген крахмал алынады. Алынған материал коммерциялық тиімді термопласт болып табылады. Модифицирленген крахмалды қарапайым пластмасса шығаратын құрылғыларда алуға болады, материал бетіне жеңіл техника көмегімен түрлі кескіндер салуға, бояуға өте ыңғайлы. Бұл материал табиғаты бойынша антистатикалық қасиетке ие. Модифицирленген крахмалдың физикалық қасеттері мұнайхимиялық жолмен өндірілетін басты бәсекелестері-жоғары және төмен тығыздықты полиэтиленнен, полипропиленнен айтарлықтай төмен. 300С температурада екі ай шамасында толықтай ыдырап кетеді [6, 7]. 1970 жылы крахмал полимерлі матрицаны синтездеуге пайдаланылған, бірнеше онжылдықтардан кейін крахмалдан термопластикалық материалдар алу жолға қойыла бастаған. Зерттеулер көрсеткендей крахмал полимерлі матрицасын өзге де мұнайхимиялық жолмен алынған синтетикалық материалдармен толтыру арқылы биоыдырау қасиетін бәсеңдетуге болады. Зерттеу жұмыстары крахмалцеллюлоза, крахмалполивинил спирті (ПВС) секілді қоспалармен жүргізілген [8].
Соңғы аталған синтетикалық материалдардың өндірістік маңызы тұрақты дамуымен, шығу тегіне тәуелсіздігімен сонымен қатар ерігіштік, суда ісіну қабілетімен, арзан әрі зиянсыз еру қабілетіне орай артуда. Бұндай полимерлі материалдардың қолданылу аясы өте кең, коммерциялық саладан бастап азық-түлік, тері өңдеу, түрлі жабындар дайындау, медицина мен фармацевтикада және өзге салаларда кеңінен қолданылады. Бұндай материалдар үлкен коммерциялық маңызға ие, ең бастысы қоршаған ортаға тигізер зиянды әсері өте төмен [9].
Химиялық байланыс түріне тәуелді, сольватталған макромолекулалық негіздердің мономерлік бірліктрінің спецификалық құрылымдығы мен реттілігі (бірінші ретті құрылымы), сонымен қатар бір немесе бірнеше массивтегі макромолекулалардың конфорамациялық және конфигурациялы құрылымдары (екінші ретті құрылымы), ерітінді қасиеттеріне және де суда еритін полимерлі материалдар өндірісіне әсер етеді. Функционалды топтар мен (құрылымы, меншікті концентрациясы, қайталанушы буындар реті) гидрофобты көмірсутектерден құралған қайталанып отыратын буындар арасындағы меншікті баланс, сонымен қатар олардың гомополимерлер мен сополимерлер құрылымдарында орналасуы суда еруіндегі басты факторлар қатарына жатады. Суда еритін полимерлер блоктарындағы функционалды топтар нейтралды (иондалмаған полимерлер), зарядталған (анионды, катионды, цвиттер ионды, амфотерлі полимрлер) болуы мүмкін [10].
1.1.1. Биоыдырайтын табиғи полимерлер
Кейбір табиғи полимерлердің химиялық құрылымы 1-суретте және биоыдырайтын табиғи полимерлер классификациясы 2-суретте көрсетілген.
1-сурет. Табиғи полимерлердің құрылымы
2-сурет. Биоыдырайтын табиғи полимерлердің классификациясы
Крахмал өсімдіктерде кездесетін полисахарид. Ол өсімдіктер құрамында қор қызметін атқарады. Химиялық құрылымы бойынша ол қайталанып отыратын глюкапиранозаның альфа-D- (1,4) байланыстарынан құралған. Ол негізі екі полимерден құралған: амилоза (α-1, 4 D-глюкозадан тұратын бөлінбейтін спиральды полимерден) және амилопектиннен (α-1, 4 және α-1, 6 D-глюкозаның қатты тармақталған мономерлерінен құралған) тұрады. Гидролиздену барысында глюкоза моносахаридін береді. Табиғатта аса көп мөлшерде кездесетін полимер жұлындық жасушаларды жасауда, дәрілік компоненттерге қоспа ретінде және т.б. алу мақсатында биомедицинада қолданылады. Крахмал және клечатка негізіндегі микробөлшектер медициналық материалдар каркасының торлық құрылымдарын құрайды және жұлынның сомалық жасушаларының остеобласттарын тасымалдаушы ретінде қолданылады.
Сонымен қатар крахмалды алынатын өнімдер қасиеттерін арттыру мақсатына өзге де табиғи және синтетикалық материалдармен қосады. Мысалы, фенил аланин препаратының модельдерінің таңдамалық түрлерін алу мақсатында крахмал альгинаты қолданылады. Препарат сыртын қаптайтын альгинат әсерінен фенил аланиннің қажетті дозасы реттелген түрде бөлініп отырады [11].
Крахмал негізіндегі биоыдырайтын полимерлерді алу бірнеше принциптерге негізделеді:
- термопластикалық крахмал мен бұйымдарды крахмал негізінде алу;
- синтетикалық және табиғи полимерлерден қоспаларды алу;
- экструзиялық жолмен крахмал туындыларын алу.
Алу жолдары мен алынған материалдар қасиеттері соңғы жылдарғы ғылыми шолуларда келтірілген [12-13], библиографиялық сілтемелер саны 653 еңбектерден құралған. Соңғы зерттеу еңбектердің бірінде [14] крахмал модификациясы қарастырылған, бұл зерттеулер бойынша жай және күрделі эфирлі крахмал, тігілген сополимерлер, тотыққан және катионды крахмал экструдер арқылы алынған. [15]
Крахмал негізіндегі пластикалық массалар жоғары экологиялық тазалығымен және екі ай көлемінде 300С температурада топырақ жамылғысында өсімдіктер өсуіне бағалы компоненттерге ыдырау қабілетіне ие. Тұрмыстық маңызы бар биоыдырау қабілетіне ие материалдардың (орамалар, агротехникадағы жабындау қаптамалары, қоқысқа арналған қаптар) өзіндік құнын төмендету үшін тазартылмаған крахмалдың поливинил спирті және талькпен қоспасы қолданылады. [16]
Целлюлоза жоғары механикалық қасиетке ие, су мен органикалық еріткіштерде ерімейді, балқымайды. Қышқыл әсерінен гидролизге ұшырайды. Полисүт қышқылы-сызықты алифатикалық полиэфир, жүгері немесе өзге де био массасының ферментациясы негізінде түзілетін сүт қышқылын полимерлеу нәтижесінде алынады. Полисүтқышқылының ыдырауы екі этаппен жүзеге асады. Алдымен сүт қышқылы түзілуі үшін эфирлік топтарды бірітіндеп сумен гидролизге ұшыратады да, кейін белгілі бір ортада микробтар көмегімен ыдырату жүзеге асады. Полисүт қышқылы 45 тәулік ішінде қажетті қаптамалық құрылымдарды жүзеге асыру арқасында алынады[17]. Поликапролактон синтетикалық полиэфирлер класына жатады. Жоғары механикалық қасиетке ие және май мен су әсеріне тұрақты. Балқу температурасы төмен (50○С). Биоыдырау процесі микробтар және саңырауқұлақтармен үнемі әсерлесу нәтижесінде 60 тәулікке созылады [18].
Фото және биоыдырайтын пластмассаларды алу құрамында ультракүлгін және биоыдырауға қабілетті ерекше функционалды топтары бар, тізбекке фото және биоактивтеуші қоспалар енгізілумен жүргізіледі. Бұндай материалдың алынуының басты қиындығы-қоспалар полимер құрамына өндіру немесе синтез барысында енгізіледі, ал ыдырау алыған материал қолданылған соң жүзеге асу қажет. Сондықтан да пластмассалық бұйымдардың сапасына әсер етпейтін және жарамдылық мерзімін арттыратын ыдырату активаторларын дайындау басты мәселе болып табылады. Сонымен бірге активаторлар токсикалық емес және қолжетімді болу қажет.
Биоыдырайтын пластмассаларды игеру жұмыстарын жетілдірудің негізгі үш бағыттары: гидроксикарбонқышқылдарының полиэфирлері; өндірілетін табиғи полимерлер негізіндегі пластикалық массалар; өндірістік жоғары молекулалық синтетикалық материалдарға биоыдырау қабілетін беру. Қазіргі таңда орамалық мақсатта қолданылатын перспективалы биоыдырайтын материалдардың бірі сүт қышқылы конденсациясы өнімі полиактид болып табылады. Полиактид компостта бір ай көлемінде ыдырайды, теңіз суының микробтарымен де жеңіл сіңіріледі. Қажетті тауарлық қасиеттерге ие биоыдырайтын полиэфирлерді гидроксикарбон қышқылдары негізінде алуға болатын болса, онда құрамына крахмал, целлюлоза, хитозан немесе протеин кіретін пластмассалар композициялық матералдарды құрайды [20].
Биоыдырайтын қаптамалық материалдар ішінен аса кең қолданысқа ие табиғи материал ретінде крахмал қолданылады. Бактериялар ыдырата алатын суда еритін крахмал мен пектин негізіндегі қаптамалық материалдар алу үшін үлдір құрамына пластификаторлар енгізіледі: глицерин немесе полиоксиэтиленгликоль. Целлюлозаның эпоксид шайырларымен және дикарбон қышқылдарының ангидридтерімен әсерлесу арқылы алынған полимерлер топырақта 4 ай ішінде толықтай еріп кетеді. Соның негізінде формалау арқылы шөлмектер, бір реттік қолданылатын ыдыстар, егістік жабындарда қолданылатын үлдірлер алынады [21].
Жоғары және төмен температураға тұрақты қаптамалық мақсатта қолданылатын көпқабатты материалдарды, крахмалмен желімденген целлюлоза үлдіріне майға төзімді қағазбен қаптау арқылы аады, бұндай материал тағамдық ораушы ретінде жіберіледі. Бұндай материал тағамды электр немесе ұсақтолқынды пештерде дайындау барысында қаптама ретінде қолданылады. Үштік композициядан (хитозан, ұсақцеллюлозалы талшық және желатин) аса берік үлдірлер алады. Алынған үлдірлер жерге терең көму барысында микроорганизмдер әсерімен ыдырауы мүмкін [22].
Табиғи белоктар мен протеиндер де биоыдырайтын пластмассалар алушылардың ерекше қызығушылығын туғызуда. Ылғалы мол тағамдарды орау мен тағамдық қораптарды алу мақсатында гидрофобты протеин цеин негізіндегі үлдір қолданылады. Табиғи полимерлерді (полисахарид, биоыдырайтын пластиктер алу мақсатындағы белоктар) қолданудың басты артықшылығы - бастапқы шикізат көзінің қайта қалпына келуінде және сарқылмайтындығында. Негізгі мақсат - синтетикалық көптонажды полимерлердің қасиеттеріне жақын биоыдырайтын композициялық материал алу. Басты мәселелердің бірі биоыдырау қасиетін өндірісте кең қолданылатын полимерлерге енгізу: ПЭ, ПП, ПВХ, полистирол және полиэтилентерефталат. Аталған полимерлер мен полимерлік бұйымдар "мәңгілік" сақталатын болғандықтан, бұларға биоыдырау қасиетін беру мәселесі өзекті болып табылады [23].
Биоыдырайтын полимерлердің қолданылатын басты салаларына тағамдық өнімдердің қаптамалық материалдары жатқызылады: үлдірлер, контейнерлер, пеноматериалдар, ыдыстар, қалдықтарды жинайтын және қарашіріндіге айналдыратын жабындар. Сонымен бірге биопластиктер медицинада сүт, гликоль және өзге де оксиқышқылдар негізінде алынатын тігіс материалдары ретінде; фрамокологияда дәрілік заттардың пролонгирлеген қаптамасы ретінде қолданылады [24].
Сүт және гликоль қышқылына негізделген биоыдырайтын полимерлер синтезі келесі стадияларды біріктіреді: 1. Қышқыл ерітіндісін концентрлеу; 2. Сүт және гликоль қышқылдары олигомерлерінің катализатор (цинк оксиді, сурьма (III) оксиді) қатысында алынуы; 3. Лактид-шикізат пен гликолид-шикізаттың алынуы [25].
Фотоыдырайтын полимерлерге этиленнің көміртек оксидімен сополимерлерін жатқызуға болады. ПЭ және ПС базалық полимердің ыдырауының фотоинициаторлары ретінде винилкетонды мономерлер қолданылады. Этилен мен стиролға сополимерлер ретінде 2-5% мөлшерінде винилкетонды мономерлер енгізу ПЭ мен ПС ұқсас пластиктер алуға мүмкіндік береді. Алынған материалдар фотодеградацияға ультракүлгін сәулесінің 290 - 320 нм аралығында әсер еткенде ұшырайды.
Пластмассалық қалдықтар мәселесін шешетін тағы бір жол-синтетикалық материалдарды ыдыратуға қабілетті микроорганизмдерді мутациялау [25].
Полимерлердің құрылымы мен құрылысының биоыдырау қасиетіне әсерін қарастырайық. Макромолекулалардың молекулалық массасы төмендеген сайын биоыдырауға қабілеттілік арта түсетіні анықталған. Биоыдырауға әсер ететін келесі қасиет олардың кристалдыңы болып табылады. Аморфты полимердің кристалды полимерлермен салыстырғанда биоыдырау қабілеті жоғары екендігі анықталған.
Аса жоғары молекулалық қосылыстардың кристалдық құрылымдары төмендеу молекулалық қосылыстармен салыстырғанда биоыдырауы баяу жүреді. Макромолекулалардағы құрылымданудың пайда болуы биоыдырауды жақсартады. Түрлі модифицирленген биоқосылыстарды енгізу полимерлердің ыдырау қабілетін арттыруы немесе кемітуі де мүмкін [26].
Полиэфирлі пластификаторлар ПВХ биоыдырау қабілеттілігін арттырады. Алайда полимердің беткі қабатына нашар диффузияланған пластификатор (дибутил-фталат) ПВХ нашар биоыдырауына себепші болады. Полимердің биоыдырауы құрылымы мен құрылысынан өзге қоршаған орта жағдайларына тәуелді болып табылатын күрделі процесс. Қоршаған орта жағдайларынан бірінші ретті әсер етуші факторларға ылғалдылық, температура, орта рН, жарық сонымен қатар топырақпен байланысы және топырақ түрі секілді комплексті факторлар әсер етеді [27]. Соңғы жылдары өздігінен ыдырайтын полимерлерді алуды зерттеу жұмыстары шектелуде. Негізгі себебі, бұндай полимерлерді алу барысындағы шығын қарапайым пластикалық массаларды алудағы шығыннан жоғары болып табылады [28].
1. 1. 2. Крахмал модификациясы
Термопластты материалдар алу мақсатында қайтақалпына келетін табиғи биоыдырайтын қосылыстар ретінде өзге де табиғи компоненттер қолданылады: целлюлоза, хитин, хитозан. Целлюлозаның эпоксидті қосылыстармен және дикарбон қышқылының ангидридтерімен әсерлесуі нәтижесінде алынған сополимерлері топырақ жамылғысында 4 апта көлемінде толықтай ыдырайды. Бқлардың негізінде формалау арқылы шөлмектер, бір рет қолданылатын ыдыстар, агротехникалық көмбелік үлдірлер алынады. Үштік композициядан (хитозан, микроцеллюлозалы талшықтар, желатин) беріктілігі жоғары, топырақ жамылғысында микроорганизмдермен ұзақ әсерлесу нәтижесінде ыдырайтын үлдір алынады. Бұндай материалдар қаптамалық мақсатта, тасымалдау құралдарын жасуда және т.б. қолданылады. Тағамдық қаптаманы табиғи белок - цеиннен алады [29].
Биополимерлерді өндірісте алу жолдары 1980 - жылдарының аяғында Италияда NovamontS.p.a. компаниясымен жүргізіле бастады. Бүгінгі таңда негізгі өнімі крахмал болып табылатын заводтың өндірістік қуаттылығы жылына 60 мың тоннаны құрайды. Германияда Biotec (жылына 20 мың тонна) және BiopolymerTechnologies (3.5 мың тонна) фирмалары жұмыс істейді. Соңғысы биопластиктер өндірудің өзіндік лицензиясын сатумен де айналысады. Голландияда қуаттылығы 40 мың тоннаны құрайтын RodenburgBiopolymers компаниясы құрылған. LimigrainIndustries фирмасы жылына крахмал негізіндегі 10 мың тонна полимер өндіреді. АҚШ-тағы CereplastInc компаниясы ірі өндірушілер қатарына жатады [30]. Крахмал табиғи полисахарид, көптеген артықшылықтарға ие:
- жыл ішінде толықтай қайта қалпына келу мен өндірілетін шикізаттық (қартоп, жүгері, бидай, бұршақ, маниоко және т.б.) ресурстардың сарқылмайтындығы. Бұл қасиеті бойынша толықтай өсіп жетілуіне 18 - 20 жыл кететін ағаштардан өндірілетін целлюлозадан тиімді;
- өзгерістерге жеңіл ұшарйды және практикалық маңызды қасиеттерінің химиялық, физикалық, бактериялогиялық жолдармен жеңіл өзгертуге болады;
- химияда белгілі төмен молекулалы қосылыстарға тән барлық өзгерістерді крахмалмен жүргізуге болады;
- крахмал негізінде немесе өзге де синтетиалық қосылыстармен бірге биоыдырайтын материалдар алуға қолайлы;
- полимер ретінде крахмалмен жұмыс жасау ыңғайлы және токсикалы емес.
Өсімдіктекті шикізаттардан алынатын биополимрлі материалдардың мүмкіндіктері мен мұнай шикізаттарынан алынған қосылыстардан артықшылығын көрсеткен дұрыс. Бүгінгі таңда комплексті зертханалық жұмыстардың нәтижелері мен көптеген сұрақтарға жауап табылған [32].
Алайда крахмалдың гидрофильділігі және төмен механикалық қасиеттері крахмалды модифицирленбеген күйінде тұрақты гидрогель ретінде пайдалануға мүмкіндік бермейді [33].
Осылайша полисүт қышқылы, поливинил спирті, поликапролактон секілді түрлі биоыдырайтын синтетикалық полимерлерді биоыдырайтын үлдірлердің механикалық қасиеттерін арттыру мақсатында крахмал молекулаларымен араластырып отырған.
Жоғарыда аталған полимерлер ішінен ПВС крахмалмен жоғары үйлесімділігі, дайындау жеңілдігі, канцерогендік қасиетінің жоқтығынан, арзан әрі табиғатпен биоүйлесімді және биоыдырау секілді тамаша қасиеттерімен ерекшеленеді.
Осыған қарамастан үлдірлер алу мақсатында полимерлердің орын ауыстыруы алынатын үлдірдің қасиетіне әсер етуі мүмкін [34].
Сондықтан полимерлі материалдарды алу үшін полимерлі қоспалардың құрылымдық біртектілігін арттыру қажет. Біртектілікті арттыратын бірнеше тігуші агенттер белгілі. Хлорлы фосфорил крахмалды тігу үшін қолданылады [35].
Алайда көптеген тігуші агенттер зиянды және токсикалық әсері жоғары. Сондықтан да олардың қолданылу аясы тұрмыс пен медицина секілді салаларда шектеулі болады. [36] жұмыста крахмал мен ПВС негізіндегі пластмассаның механикалық қасиеттері мен формалану қасиеттерін арттыру мақсатында тігуші агент ретінде малеин қышқылы (МҚ) қолданылған. МҚ тағамдық қоспа ретінде белгілі, улылығы мен табиғатқа кері әсері жоқ. Сондықтан биоматериал алуда оңтайлы қосылыстар қатарына жатады. Алайда аз ғана Авторлар МА тігуші агент ретінде қолданылғандығын көрсетеді. Крахмалдың ПВС-пен этирификациясы МА ангидриді қатысында дикарбон қышқылының карбоксильді топтарының крахмалдың еркін гидроксильді топтары арасында жүреді [36].
Крахмал модификациясы әдетте таза шикізаттың кемшіліктерін жою мен өндірістік қолданылу мөлшерін арттыру мақсатында қолданады. Крахмалдан өнім алу мақсатында өңдеу барысында оңай модификациялауға болады. Соның арқасында модификацияланған крахмалдан оңай адгезияланатын, жабысу қабілеті жоғары құрылыстық жұмыстарда қолданылатын гельдер, пасталар, үлдірлер алуға болады. Тағам құрамына қосылған модификацияланған крахмал азықтық өнімдер қоюлығын, жабысу қабілетін арттырып, тоңазатқышта сақтау барысында ұзақ мерзімді сақталуын қамтамасыз етеді.
Крахмалды модификациялау барысында табиғи физикалық және химиялық қасиеттері толықтай өзгерістерге ұшырайды. Бұндай жетілдірілген крахмал әр түрлі спецификалық тағамдар дайындау барысында кеңінен қолданықа ие.
Әдетте крахмал модификациясы этирификация, тігу процесі, түрлі химиялық егу жолдарымен; ыдырау (қышқылдық және ферментативтік гидролиз, крахмалдың тотығуы); немесе крахмалды жылу, ылғал қатысында физикалық өңдеу нәтижесінде алынады.
Крахмал сонымен қатар қышқылдық және спирттік өңдеу нәтижесінде модификациялануыы мүмкін. Крахмалдың гликозидтік байланыстары, әсіресе оттегімен байланысқан тұстары оңай гидролизденеді. Модифицирленген крахмал молекуласының молекулалық массасы мен тізбек ұзындығы қысқаруға ұшырайды. Крахмалдың спирттердегі қышқылдық өңделуі құрылымының 90% өзгеріске ұшыратады. Крахмалдың тотығуы 1800 - жылдардан бастап жүргізіледі. Модифицирлеу барысында түрлі тотықтыратын агенттер енгізілген: гипохлорид, сутек пероксиді, периодат, перманганат, дихромат, персульфат және т.б [37].
Шикізат ретінде пайдаланылуы бойынша 3 орын алатын қағаз жасау өндірісі секілді аса көп мөлшерде дәстүрлі түрде қолданылуымен қатар соңғы жылдары крахмалдың қолданылатын көптеген жаңа салалары дамуда.
Барлық табиғи биополимерлер ішінен крахмал перспективалы әрі оңай қолжетімді полимерлік материал болып табылады [37].
Табиғи ірі тоннажды полимер ретіндегі крахмалдың тамаша қасиеттерінің арқасында, оның негізінде алынатын түрлі материалдардардың алынуы әлемдік деңгейдегі ірі зерттеушілер мен компанялардың қызығушылығын туғызуда. Бұған крахмал негізінде алынатын бұйымдар туралы жүргізілген зерттеу жұмыстары мен патнеттер дәлел бола алады. Крахмал жүгері, бидай, күріш, қартоп секілді өсімдіктердің құрамында кездесетін басты көмірсу болып табылады [38].
Крахмал қатты тармақталған α-Глюкозадан құралған қос полимерлі қоспадан және сызықты амилоза мен амилопектиннен тұрады. Амилоза глюкоза атомдарының арасындағы валенттік бұрыштарының нәтижесінде түзілген спиральдан түзетін 200-2000 аралығындағы глюкоза молекулаларынан құралған. Амилопектин тізбегінің бойына 30-ға жуық глюкоза бекітілген, қатты тармақталған полимер [39].
Крахмал жеуге жарамды немесе биоыдырайтын үлдірлер алу мақсатында қолданылуы мүмкін. Түрлі шикізат көздерін қолдана отырып, амилозаның проценттік мөлшері аса жоғары крахмал және модифицирленген крахмал алуға олады. Бұндай материалдар одан әрі крахмалдың сулы ерітіндісінен үлдір алуға қолданылады. Бұл үлдірлердің оттегінімен байланысты шектейтін қасиеті бар. Бір кемшілігі-ылғал мөлшері, аса жоғары ылғал үлдірдің механикалық қасиеттерін төмендетіп, кең қолданылуына мүмкіндік бермейді.
Крахмал сонымен бірге армирленген пластик өндірісінде қоспа ретінде қолданылады. Ол үшін крахмалдың аз мөлшеріне (6-30%) синтектикалық полимер қосады, бұндай қоспа бұйымның биоыдырауын тездетеді [40].
Әдетте табиғи крахмал құрамында 30% амилоза, 70% амилопектин және 1% шамасында липидтер мен өсімдік текті белоктар болады.
Крахмал незізінде пластмасса алу мақсатында түрлі тәсілдермен өңделіп зерттелген. Үлдірді крахмалды ерітіндіні құю арқылы алып отырған. Бірақ крахмал өнімдерімен байланысты көптеген басты өндіру жолдары өңдеудің термохимиялық жолдарымен, компрессивті формалау арқылы, ылғал крахмалды экструзионды және инъекционды жолдармен формалау секілді қымбат байланысты болғандықтан кең қолданыс таппаған.
Термомеханикалық өңдеу барысында крахмалдың торлы жүйесі амилоза мен амилопектинді құрылымды, берік қасиеттерге ие крахмал өніміне айналдырылған (3-сурет) [41].
Пластмассалардың және крахмал негізіндегі полимерлердің механикалық қасиетін арттыру мақсатында компоненттермен, су және полиол секілді пластификаторларды қосып зерттеу жұмыстары жүргізілген [42].
1.1.3.Крахмалдың тігілген сополимерлері
Крахмалдың тігілген сополимерлерін алу жолдарын зерттеу көптеген елдерде жүргізілуде. Аса қарқынды түрде Қытай институттарында зерттеледі. Түрлі мономерлерді крахмалға тігу арқылы сополимерлеу табиғи формасынан өзге қасиеттерге ие жаңа крахмал туындыларын алуға бағытталған. Синтетикалық сополимерлермен салыстырғанда крахмалдың тігілген сополимерлерінің басты артықшылығы оның биоыдырау қасиетінде және крахмал шикізатының оңай қол жетімділігінде. Крахмалдың тігілген сополимерлеріне негізделіп келесі бағыттар қарқынды түрде дамуда: абсорбенттер мен суперабсорбенттерді алу; флокулянттарды алу; гельдер мен гидрогельдерді алу.
Абсорбенттер мен суперабсорбенттер таза крахмалдан және оның туындыларынан алынады. Бұл мақсатта акрил қышқылының немесе акриламидтің тігілген сополимеризациясы жүргізіледі, тігуші агент ретінде N,N-метиленбисакриламид қолданылады, инициатор қызметін Na2SO3(NH4)2S2O8 немесе церийдің амоний нитраты қолданылады. Крахмал мен акрил қышқылы негізіндегі суперабсорбенттердің судағы динамикалық және тепе - теңді ісінуі олардың құрамына және акрил қышқылының нейтралдану дәрежесіне байланысты. Нейтралдану дәрежесі артқан сайын ісіну дәрежесі де артады. Акриламид пен крахмалдың сополимерлері 1 г сополимерге 600 г суды сіңіру қасиетіне ие. Аналогиялық сорбциялық қасиетке крахмал, акриламид және акрил қышқылы негіщзіндегі сополимерлер ие. Крахмал, акриламид және малеин қышқылы негізіндегі суперабсорбенттер тапик крахмалын алдымен желатиндеп, кейін крахмал мен акриламидтің және 2%-дық малеин қышқылының γ-сәулесі әсерінен сополимеризациясы нәтижесінде алынады. Көбіктенген соң сополимерлердің 1 г-на 2256 г суға дейін абсорбирлейді. Крахмалды крабоксиметилирлеу нәтижесінде алынған абсорбенттер сумайлы ортада, эмульгирлеуші қоспаның қатысында тринатрийметилфосфатпен тігу нәтижесінде алады. Бұл сорбенттер тігілген соң бойына 10 есе көп мөлшерде суды сіңіре алады. Крахмалдың катионды полиакриламидпен сополимерлері флокулянттар ретінде белгілі. Соңғы зерттеулер сополимерлердің флокулирлеуші қасиетіне оның құрамының, беттік зарядының тығыздығының және өзге де факторлардың әсерін қарастырады. Сонымен қатар мұндай сополимерлерді синтездеу жолдары нақты түрде зерттелген. Крахмал сополимерлері негізінде алынған гельдер мен гидрогельдер зерттеушілерді дәрілік заттарды тасымалдаушы және бөлінуін реттеуші ретінде қызықтырады. Биомедициналық қолданыс үшін крахмалдың сүт қышқылы және полисүтқышқылымен сополимерлері қолданылады. Бұндай сополимерлер токсикалық әсерінің жоқтығымен және организмдегі биоыдырау қасиетімен бағаланады. Гидрогельдерге түрлі параметрлердің әсері зерттелген: реагенттердің мольдік қатынасы, тігуші агент концентрациясы, әдетте N,N-метиленбисакриламида алынады. Сополимерленудің түрлі инициаторларын қолдана отырып крахмал мен акрилонитрил негізінде жалғанған сополимерлер алынған. Крахмалдың нанокристалдарына стиролды сополимерлеу арқылы крахмал мен полистирол сополимерлерінің амфифальды кристалдары алынған. Бұндай кристалдар суда және органикалық еріткіштерде (толуол, дихлорметан) өте жақсы диспергирленеді. Крахмалдың жаңа сополимерлерінің синтездеу жолдарын іздестіру жалғасын табуда. Бұған соңғы жылдары жарық көрген көптеген зерттеу еңбектері дәлел болады [43].
Крахмалдан жаңа туындылар алу соңғы жылдары технологтар мен зерттеушілер ерекше назарын аударуда. Ресей Федерациясындағы крахмал өнімдерінің БҒЗИ - да крахмалдың химиялық модификациясы проф. А. И. Жумшаның жетекшілігімен жүргізілген. А. И. Жумшанның жазған соңғы еңбектерінде техникалық мақсатта қолданылатын крахмалға қатысты көпжылдық зерттеулер нәтижелері жарияланған. Практикалық мақсатта крахмал эфирлері аса үлкен қолданысқа ие: карбоксиметил;- гидроксиэтил;- гидроксипропил;- крахмал, крахмалдың катионды туындылары, крахмал фосфаттары және тотыққан крахмал. Химиялық модифицирленген крахмалды аса ірі компаниялар мен концерндер өндіреді: Акzo Nobel и Avebe (Нидерланды), халықаралық Raisio Chemical, Grain Processing Corp. фирмасы (АҚШ), INQUIL(R) (Бразилия), Хенкель (ГФР), Aloja Starkelsen (Латвия), Rolnas (Польша) және т.б. Аталған өндіріс орындарының крахмал негізіндегі өнімдер түрі өте көп. Мұнда модифицирленген крахмалдың басты қолданылу аймақтары көрсетілген. Қолданыс бойынша жетекші орын мұнай-газ саласына тиесілі. Крахмалдың суда еритін эфирлері мұнай-газ саласында ұңғымалық ерітінділерді тұрақтандыру мақсатында қолданылады. Полицелл өндірістік орнында алынатын химиялық модифицирленген крахмалдар ішінен Na-карбоксиметилкрахмал (КМК-БУР), карбоксиметилоксиэтилкрахмал (Полицелл ПСБ), карбоксиметилоксипропилкрахмал, сонымен қатар гидроксиэтилкрахмал (ГКР), модифицирленген экструзионды крахмал (Полицелл ФКР, РК, РКС) және крахмалдың өзге де эфирлері кең қолданылады [44].
Көптенген крахмал туындылары өндірістік масштабта шығарылғанымен, туындылар алынатын өндіріс қондырғылары әлі күнге дейін жетілдіруді қажет етеді. [45] жұмыста карбоксиметилкрахмалдың (КМК) орын басу дәрежесі мен тұтқырлығына ортаның (этанол, ацетон, бензол және олардың қоспалары) әсері қарастырылған. КМК-да аса жоғары орын басу дәрежесі реакциялық орта этанолбензол болғанда байқалған. КМК - ның қатты фазалық және спиртті ортада суспензиялық жолдармен алу жұмыстары жүргізілуде. КМК - ны қатты фазалық әдіспен алу үшін қуатты айналымдар жасайтын қозғалмалы машиналар қолданылады. Крахмалдан және нартий гидроксиді мен натрийден, монохлорсірке қышқылынан құралған реакциялық қоспа үшқырлы айналдырмалы детальдар мен шнектерден тұратын бөлшектер қатарынан өтіп, қоспа гомогенденеді және пластикалық күйге енеді. Материалда пайда болатын қысу және ығысу әрекеттерінен қосымша күш қажетінсіз біртекті қоспа алынады. Іргелі зерттеулер ішінен аса маңыздысы (коммерциялы крахмалдар ығысу дәресесі 0, 25-0, 40) ығысу дәрежесі 2,1 құрайтын КМК алу болып табылады. Ангидроглюкозалы буындарда карбоксиметилді топтар келесі қатар бойынша орналасады: О2˃О6˃О3. С2-дегі ОН тобының реакциялық қабілеті карбоксиметилдену реакциясында жоғары екендігі көрсетілген.
Полицелл ЖАҚ-да карбокси метилоксиэтилкрахмалдың өндірудің жаңаша әдісі алынған. Алынған материал Полицелл ПСБ деген атауға ие. Моноэфирлермен салыстырғанда бұл аралас эфир карбоксиметилді топтардың болуының есебінен көптеген артықшылықтарға ие. Карбоксиметилді топтар бұрғымалық ерітінділердің құрылымын алуда және полиминералды агрессиялық ортада крахмал эфирлері тұрақтылығын арттыратын гидроксиэтил топтарының болуымен ерекшеленеді. Жүгері крахмалына аллилглицидилді эфирмен әсер еткенде NаОН және Na2SO4ерітіндісінде қанықпаған қос байланыстары бар крахмал туындысы синтезделген. Алынған 1-аллил-2-гидроксипропилкрахмал С6 бөлігінде орын басқан ОН топтарына ие [46].
Ескерте кететін жағдай, тұтқырлығы мен желімдік қасиеттері бастапқы қолданыстағы крахмалдың түріне байланысты. Төртіншілік аммонилік катионды топтар карбоксиметилді анионды топтар, сонымен қатар эпихлоргидринмен түрлі дәрежеде тігілген катионды крахмалды сулы ерітінділерден Сr+6 ионын адсорбциялау үшін қолданады. Адсорбция процесіне түрлі факторлардың әсері зерттелген және хром ионының адсорбциясының идеалды параметрлері анықталған. Тотыққан крахмалды алу мен олардың қолданылу аясының кеңеюі маңызын әлі де жоғалтпаған. Крахмал туындыларының басты ірі тұтынушылары ретінде текстильді және қағазды салалармен қатар мұнайгазды сала жатады. Жыл сайын ауқымды түрде өткізілетін конференциялардан крахмал туындыларының бұрғылау салаларында кеңінен қолданыс тапқанын көреміз. Көрсетілген деректерде мұнай - газ саласындағы крахмал туындыларына қойылатын талаптар мен бұрғылау ерітінділерінің, бұл туындылармен тұрақтанатын қасиеттері нақты көрсетілген [48].
1.2 Биоыдырайтын үлдір синтезіндегі поливинил спиртінің қолданылуы
ПВС - үлкен өндірістік маңызы бар, тек синтездеу жолымен алынатын универсалды полимер. ПВС негізгі тізбегі биоыдырауға қабілетті С-С байланысынан тұрады [49].
ПВС кристалдық полимер. Оны аморфты күйде алу мүмкін емес. Поливинил спирті қалыптыв жағдайда қыздырғанда жұмсарады, бірақ балқымайды. 200 ○С температурада қыздырғанда полимер ыдырайды, бұл кезде оның суда ерігіштігі жойылады. Сонымен қатар, поливинил спирті дегидратацияланып, ішкімолекулалық және молекулааралық этирификациялану реакциясы жүреді.
Поливил спиті, әдетте, пластификацияланған күйде пайдаланылады. Одан теріге, каучукке ұқсас бұйымдар, бензинге тұрақты шлангелер, төсемелер, үлдірлер, талшықтар, желімдер және басқа материалдар жасайды.
Биологиялық залалсыз болғандықтан, поливинил спирті әр түрлі аспаптар мен аппараттар, дәрінің беткі қабаты және т.б. ретінде қолданылады [50].
Орташа молекулалық массасы 10000-нан жоғары болатын ПВС топырақта бактериялар әсерінен толықтай ыдырайтыны дәлелденген. Крахмал-ПВС (60% шамасында крахмал және 40% модифицирленген ПВС пен пластификаторлар) негізндегі биоыдырайтын үлдірлер өндірістік масштабта Жапонияда өндірілген. Бірақ ПВС-Кл негізіндегі үлдірлер физикалық қоспаны құраған. Химиялық реакция нәтижесінде ПВС молекулалары ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz