Статья: Изучение термодинамическими методами потенциала природных композитов как основы биоразлагаемых пленок

Изучение термодинамическими методами потенциала природных композитов как основы биоразлагаемых пленок

Л.С. Дышлюк, А.Ю. Просеков

Аннотация

Актуальность и цели. Рост экологических проблем, связанных с утилизацией отходов, привел к необходимости применения биоразлагаемых полимеров. Разработка на основе доступных технологий и рецептур отечественных аналогов биоразлагаемых пленок для использования в упаковке пищевых и фармацевтических продуктов актуальна во всем мире. Цель данной работы - выбор наиболее оптимальных композиций природных полисахаридов как основы биоразлагаемых пленок.

Материалы и методы. Термодинамическими методами изучали полимеры, полученные на основе композиций природных полисахаридов - каррагинана, гидроксипропилметилцеллюлозы и агар-агара.

Результаты. Проведенные исследования показали, что все полученные растворы продемонстрировали термодинамическую устойчивость.

Выводы. Из природных полимеров составлены 33 композиции для получения биоразлагаемых пленок. По значениям термодинамических характеристик отобраны 13 для дальнейшей разработки технологии биоразлагаемых упаковочных материалов на их основе.

Ключевые слова: полимеры, биоразлагаемые пленки, каррагинан, агар- агар, гидроксипропилметилцеллюлоза, энергия Гиббса.

Abstract

S. Dyshlyuk, A. Yu. Prosekov

THERMODYNAMIC METHODS OF CAPACITY OF NATURAL COMPOSITES AS THE BASIS OF BIO-DEPENDABLE MEMBRANES

Background. The growth of the ecological problems, connected to the waste utilization led to the necessity of applying biodegradable polymers. The development based on acceptable technologies and formulizations of domestic equivalents of biodegradable polymers for using them in packaging food and pharmaceutical products. This is nowadays relevant all over the world. The aim of the research is to choose the most optimal compositions of the natural saccharides as a basement of the biodegradable polymers.

Materials and methods. The polymers were studied by thermodynamic methods obtained on the basement of the composition of the natural saccharides which are carrageenan, hydroxypropylmethicellulose and gelose.

Results. The conducted research showed that all obtained solutions demonstrated thermodynamic resistance.

Conclusions. 33 compositions were obtained from the natural polymers. These compositions are for obtaining biodegradable membranes. By the values of thermodynamic characteristics, 13 were selected for further development of the technology of biodegradable packaging materials on their basis.

Key words: polymers, biodegradablemembranes, carrageenan, gelose, hydroxypropylmethicellulose, energy of Gibbs.

Введение

Применение в упаковке пластиков из углеводородного сырья приводит к значительному росту экологических проблем, что повышает интерес к биоразлагаемым полимерам (биополимерам) из возобновляемых источников, обладающих возможностью разложения микроорганизмами путем химического, физического или биологического воздействия. Для решения проблемы отходов необходимы не только безвредные для человека и окружающей среды материалы, но и более того, биоразлагаемые полимеры.

Биополимеры могут использоваться в тех областях, где биоразлагаемость и возможность получения их из природных источников дает дополнительные преимущества наряду с коротким временем биодеградации. В этой связи во всем мире разработка биоразлагаемых пластиков с контролируемыми свойствами является предметом научных исследований.

Целью работы является изучение термодинамическими методами потенциала природных композитов и выбор наиболее оптимальных композиций природных полисахаридов как основы биоразлагаемых пленок.

Материалы и методы иследования

Объектами исследования являлись агар-агар (Panreac, Германия); агар- агар (Helicon, США); каппа-каррагинан (Boc Sciences, США); йота-каррагинан (Newgreen Pharmchem Co., Китай); гидроксипропилметилцеллюлоза (ГПМЦ) (Ashland Aqualon Functional Ingredients, США); гидроксипропилметилцеллюлоза (Acros, Бельгия) и составы исследуемых композиций (табл. 1).

Таблица 1 Состав исследуемых композиций

Полученные композиции условно разделили на четыре серии:

- серия 1 - композиции на основе каррагинана и ГПМЦ (№ 1-9);

- серия 2 - композиции на основе каррагинана и агар-агара (№ 10-18);

- серия 3 - композиции на основе ГПМЦ и агар-агара (№ 19-27);

- серия 4 - композиции на основе каррагинана, ГПМЦ и агар-агара (№ 28-36).

Композиции серии 1 готовили при температуре 45 °С, композиции серий 2, 3 и 4 - при температуре 95 °С. Пленки всех составов, полученные наливным способом, высушивали при комнатной температуре.

Совместимость полимеров оценивали термодинамическими и нетермодинамическими методами. Термодинамическое сродство между полимерами количественно оценивали величинами изменения химического потенциала компонентов Дцг-, энергией Гиббса смешения ДО, параметром взаимодействия Флори - Хаггинса х и вторым вириальным коэффициентом. Термодинамические параметры смешения природных полисахаридов оценивали термодинамически методом сорбции паров растворителя на смесях полимеров.

Метод расчета энергии Гиббса смешения двух полимеров, основанный на законе Гесса, определяли разностью энергий конечного и начального состояний. Изотермы сорбции паров общего растворителя полимерами и их смесей получали с помощью метода статистической сорбции.

Для расчета изменения термодинамических функций использовали термическое уравнение сорбции паров набухающими полимерами

где а - величина сорбции при парциальном давлении пара Р и температуре Т; - предельная величина сорбции при давлении насыщенного пара Р0 и температуре Т0;

Дц = ЯТ 1п

изменение химического потенциала растворителя при сорбции; Е - характеристическая энергия сорбции.

Полученные константы уравнения (1) позволили рассчитать разность химических потенциалов растворителя Дц1 и полимера Дц2, энергии Гиббса смешения природных полисахаридов с растворителем Д^п (Дж/г) при образовании растворов гидроксипропилметилцеллюлозы, агар-агара и каррагинана в общем растворителе (воде) по формулам:

Увеличение абсолютных величин Дgm означает, что растворитель в термодинамическом смысле улучшается.

Для расчета термического коэффициента сорбции использовали уравнение

Из уравнения (1) получаем выражения для ДЈ1 и ДЈ2 при п = 0,33:

Зная АД1 и ДД2, рассчитываем среднюю энтропию смешения Д^ для различных концентраций природных полисахаридов в смеси по формуле

По полученным данным строим графические зависимости ТДЭМ = = / (°2), где из точки М2 = 0 проводим касательные к полученным кривым, а в точке пересечения их с осью у определяем энтропию смешения 1 г природного полисахарида или смеси полисахаридов с бесконечно большим количеством растворителя. Рассчитанные таким образом значения изменения энтропии Д8 подставляем в уравнение (8) и рассчитываем значение ТДЭХ для систем природный полисахарид - природный полисахарид.

Затем, зная Дgx, ТДЭх, рассчитываем значения энтальпии смешения полимеров ДИх по уравнению Гиббса - Гельмгольца:

Результаты и обсуждение

Результаты изучения сорбции паров воды на биополимеры на основе композиций природных полисахаридов (каррагинан, ГПМЦ и агар-агар) представлены на рис. 1-4.

Рис. 1 Изотермы сорбции паров воды при температуре 25 °С пленками на основе природных полисахаридов первой серии: 1 - каррагинан; 2 - образец N° 1; 3 - образец № 2; 4 - образец № 3; 5 - о разец № 4; 6 - образец № 5; 7 - образец № 6; 8 - образец № 7; 9 - образец № 8; 10 - образец № 9; 11 - ГПМЦ

Рис. 2 Изотермы сорбции паров воды при температуре 25 °С пленками на основе природных полисахаридов второй серии: 1 - каррагинан; 2 - образец № 10; 3 - образец № 11; 4 - образец № 12; 5 - образец № 13; 6 - образец № 14; 7 - образец № 15; 8 - образец № 16; 9 - образец № 17; 10 - образец № 18; 11 - агар-агар

Рис. 3 Изотермы сорбции паров воды при температуре 25 °С пленками на основе природных полисахаридов третьей серии: 1 - ГПМЦ; 2 - образец № 19; 3 - образец № 20; 4 - образец № 21; 5 - образец № 22; 6 - образец № 23; 7 - образец № 24; 8 - образец № 25; 9 - образец № 26; 10 - образец № 27; 11 - агар-агар

Рис. 4 Изотермы сорбции паров воды при температуре 25 °С пленками на основе природных полисахаридов четвертой серии: 1 - каррагинан; 2 - образец № 28; 3 - образец № 29; 4 - образец № 30; 5 - образец № 31; 6 - образец № 32; 7 - образец № 33; 8 - образец № 34; 9 - образец № 35; 10 - образец № 36; 11 - агар-агар; 12 - ГПМЦ

Полученные изотермы имеют вид, типичный для полимерных систем, для которых характерен резкий рост величины сорбции в области при р/ро 0,4-0,6, что свойственно плотно упакованным и растворимым в сорбате полимерам.

Далее для смесей природных полисахаридов (см. табл. 1) вычисляли энергию Гиббса по формулам (1)-(4), графическая интерпретация для четырех серий композиций представлена на рис. 5-8.

Рис. 5 Зависимость энергии Гиббса смешения от состава растворов природных полисахаридов в воде для композиций первой серии: 1 - каррагинан; 2 - образец № 1; 3 - образец № 2; 4 - образец № 3; 5 - образец № 4; 6 - образец № 5; 7 - образец № 6; 8 - образец № 7; 9 - образец № 8; 10 - образец № 9; 11 - ГПМЦ

Рис. 6 Зависимость энергии Гиббса смешения от состава растворов природных полисахаридов в воде для композиций второй серии: 1 - каррагинан; 2 - образец № 10; 3 - образец № 11; 4 - образец № 12; 5 - образец № 13; 6 - образец № 14; 7 - образец № 15; 8 - образец № 16; 9 - образец № 17; 10 - образец № 18; 11 - агар-агар

Рис. 7 Зависимость энергии Гиббса смешения от состава растворов природных полисахаридов в воде для композиций третьей серии: 1 - ГПМЦ; 2 - образец № 19; 3 - образец № 20; 4 - образец № 21; 5 - образец № 22; 6 - образец № 23; 7 - образец № 24; 8 - образец № 25; 9 - образец № 26; 10 - образец № 27; 11 - агар-агар

Рис. 8 Зависимость энергии Гиббса смешения от состава растворов природных полисахаридов в воде для композиций четвертой серии: 1 - каррагинан; 2 - образец № 28; 3 - образец № 29; 4 - образец № 30; 5 - образец № 31; 6 - образец № 32; 7 - образец № 33; 8 - образец № 34; 9 - образец № 35; 10 - образец № 36; 11 - ГПМЦ; 12 - агар-агар

Для композиций природных полисахаридов зависимости Agm имеют вид, характерный для ограниченно набухающих систем. Во всех рассмотренных случаях они лежат в отрицательной области энергии Гиббса, что является свидетельством термодинамической устойчивости образующихся растворов.

Термодинамические функции для изучаемых образцов вычисляли по формулам (5)-(9), графическая интерпретация зависимостей Agx, ТА8Х и АНХ от состава композиций представлена на рис. 9-12.

Рис. 9 Динамика термодинамических функций в зависимости от состава композиций природных полисахаридов (первая серия): 1 - А^; 2 - ТААх\ 3 - Акх

Рис. 10 Динамика термодинамических функций в зависимости от состава композиций природных полисахаридов (вторая серия): 1 - Agx^, 2 - ТАБХ; 3 - Акх

Энергия Гиббса смешения полисахаридов в первой, второй, третьей и четвертой серии экспериментов (каррагинана и ГПМЦ, каррагинана и агар- агара, ГПМЦ и агар-агара, каррагинана, ГПМЦ и агар-агара) Аgx лежит в области как отрицательных, так и положительных значений.

При Аgx < 0 композиция природных полисахаридов является термодинамически стабильной.

Рис. 11 Динамика термодинамических функций в зависимости от состава композиций природных полисахаридов (третья серия): 1 - Аgx; 2 - ТАБх, 3 - Акх

Рис. 12 Динамика термодинамических функций в зависимости от состава композиций природных полисахаридов (четвертая серия): 1 - Agx^, 2 - ТАБХ; 3 - Акх

На графиках (рис. 9-12) присутствует участок, на котором Agx > 0 (в первой серии при соотношении концентраций полисахаридов 2,0 и менее, во второй серии - 2,5 и менее, в третьей серии при - 1,0 и менее, в четвертой серии - 0,25 и менее). Так как наблюдается смена знака Agx, можно сделать вывод, что система теряет устойчивость и расслаивается.

Смешение компонентов (в первой, второй, третьей и четвертой серии экспериментов в диапазоне соотношения концентраций полисахаридов соответственно от 1,0 до 10,0; от 1,0 до 10,0; от 1,1 до 6,0; от 0,4 до 6,0) сопровождается отрицательными значениями Акх, что свидетельствует о экзотермичности процесса.

Форма кривой 2 на рис. 9-12 позволяет сделать вывод об образовании в растворах совместных упорядоченных структур (в первой, второй, третьей и четвертой серии экспериментов в диапазоне соотношения концентраций полисахаридов соответственно от 1,0 до 10,0; от 2,1 до 10,0; от 2,1 до 6,0; от 0,1 до 4,0), поскольку в этом диапазоне величина ТА8х принимает отрицательные значения.