СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ БИОРАЗЛАГАЕМЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИМОЛОЧНЫЙ КИСЛОТЫ

SYNTHESIS AND RESEARCH OF BIODEGRADABLE COMPOSITES BASED ON POLYLACTIC ACID

Askerbekov Adiletbek Arystanbekuly

Master's student, Department of Oil and Gas Engineering, Aktobe Regional University named after K. Zhubanov,

Kazakhstan, Aktobe

Orynbasar Raigul Orynbasarkyzy

Scientific supervisor, candidate of chemical sciences, associate professor, Aktobe Regional University named after K. Zhubanov,

Kazakhstan, Aktobe

АННОТАЦИЯ

В тезисе публикуются результаты комплексного исследования биоразлагаемых композитов из полилактида (PLA) с натуральными наполнителями: микрокристаллической целлюлозой и хитозанами различной молекулярной массы. Актуальность исследования обусловлена необходимостью производства экологически чистых материалов, свойства которых можно варьировать, для замены традиционных пластмасс в производстве упаковки и медицинском применении. Путем смешивания расплава была получена серия биоразлагаемых образцов PLA-композитов с содержанием наполнителя от 5 до 15% по массе. Были проведены комплексные исследования структурных и термических характеристик биоразлагаемых материалов, скорости биодеградации и кинетических кривых биодеградации. Исследование показало, что добавки к наполнителям значительно улучшают скорость гидролитического разложения пластмасс, но сохраняют приемлемые значения их твердости. Наилучшие результаты показали образцы PLA-композитов, содержащих 10% среднемолекулярных биоразлагаемых добавок хитозана.

ABSTRACT

This paper presents the results of a comprehensive study of biodegradable composites based on PLA using natural fillers-microcrystalline cellulose and chitosan of different molecular weights. The relevance of the research is due to the growing need for environmentally friendly materials with controlled properties to replace conventional plastics in both the packaging industry and medical implantology. A series of composites with 5, 10, and 15 wt. percentage filler content was obtained by melt blending. A comprehensive investigation into the structural, thermal, mechanical properties, and biodegradation kinetics was performed. It was found that the introduction of fillers leads to a significant acceleration of hydrolytic degradation of the PLA matrix while maintaining satisfactory mechanical characteristics. Composites with 10% content of medium molecular weight chitosan showed the highest efficiency and demonstrated a balanced combination of strength properties and degradation rate.

Ключевые слова: полимолочная кислота; биодеградируемые полимеры; композиты; целлюлоза; хитозан; морфология; термический анализ; гидролитическая деградация; механические свойства; расплавное смешение.

Keywords: polylactic acid; biodegradable polymers; composites; cellulose; chitosan; morphology; thermal analysis; hydrolytic degradation; mechanical properties; melting blending.

Развитие технологий и более строгие экологические стандарты стимулируют поиск заменителей нефтехимических пластмасс. Полимолочная кислота (PLA) выделяется как перспективный биополимер благодаря своей способности к биологическому разложению и биосовместимости [1]. Тем не менее, его применение ограничено его хрупкостью, низкой скоростью разложения и недостаточными барьерными свойствами. Введение наполнителей в пластик не только ускоряет биодеградацию, но и улучшает механические и функциональные характеристики материала [2-3].

В данном исследовании использовались полилактидная целлюлоза 4032D (NatureWorks), микрокристаллическая целлюлоза с размером частиц 20-100 микрон и хитозан массой 50-100 кДа и 100-200 кДа. Синтез композита проводили с использованием лабораторного миксера Haake Rheomix micro при температуре 175°C и частоте вращения ротора 60 об/мин в течение 10 минут. Полученные образцы были проанализированы с помощью СЭМ, ДСК, ИК-Фурье-спектроскопии, механических испытаний на растяжение и экспериментов по гидролитическому разложению.

Сканирующая электронная микроскопия выявила дисперсию частиц наполнителя в полимерной матрице в концентрациях до 10%. При концентрации наполнителя 15% была обнаружена некоторая агломерация частиц. Дифференциальная сканирующая калориметрия показала, что температура стеклования композитов снизилась на 3-8°C по сравнению с PLA, что свидетельствует о повышенной подвижности полимерных цепей и пластифицирующем влиянии наполнителей [4].

Механические испытания показали, что добавление 5-10% целлюлозы повышает модуль упругости на 15-25% без снижения прочности при растяжении. Композиты, содержащие хитозан, показали эластичность, а относительное удлинение при разрыве увеличилось на 30-45% по сравнению с чистым PLA.

Исследование кинетики распада в фосфатном буфере (рН=7,4) при температуре 37°C показало, что добавление 10% целлюлозы увеличивает скорость потери массы с 12% (чистый PLA) до 38% в течение 30 дней. Композит, содержащий 15% хитозана по молекулярной массе, полностью разрушался в течение 45 дней. Композиты с хитозаном по молекулярной массе показали самую быструю скорость разрушения, что объясняется его повышенной гидрофильностью и способностью к набуханию [5].

Инфракрасная спектроскопия подтвердила образование водородных связей, соединяющих карбонильные группы PLA с гидроксильными группами наполнителей, что способствует повышению совместимости и стабильности материала.

Из проведенных исследований очевидны последующие выводы. Первоначально был эффективно разработан процесс получения композитов с использованием полилактида в сочетании с натуральными наполнителями, включая микрокристаллическую целлюлозу и хитозан различной молекулярной массы. Технология перемешивания расплава при температуре 175°C в течение 10 минут показала свою эффективность при получении материалов, содержащих от 5 до 15 мас. % наполнителя.

Во-вторых, было обнаружено, что добавление наполнителей заметно изменяет характеристики полилактида. Температура стеклования снижается на 3-8°C, что свидетельствует о подвижности полимерных цепей. Это также влияет на механические свойства: у композитов, содержащих целлюлозу, модуль упругости увеличивается на 15-25%, в то время как у композитов с хитозаном эластичность увеличивается при растяжении, а при разрыве увеличивается на 30-45% до чистого полилактида.

В-третьих, исследования процессов разложения подтвердили возможность регулирования скорости биоразложения композитов. Наибольший эффект был достигнут при добавлении 10% целлюлозы, в результате чего скорость потери массы увеличилась с 12% до 38% в течение 30 дней. Композиты, содержащие 15% хитозана, подвергались разложению в течение 45 дней, причем самая высокая скорость разложения наблюдалась у образцов, содержащих низкомолекулярный хитозан.

Наибольший практический интерес представляют композиты с содержанием хитозана средней молекулярной массы 10%, которые демонстрируют сбалансированное сочетание прочностных характеристик и скорости биодеградации. Эти материалы перспективны для использования в производстве экологически чистой упаковки и временных медицинских имплантатов. Полученные результаты открывают возможности для создания материалов с регулируемым сроком службы, что особенно важно для решения задач устойчивого развития и "зеленых" технологий.

Список литературы:

1. Алексеев А.А., Петрова И.С. Биоразлагаемые полимеры: современное состояние и перспективы // Пластические массы. – 2022. – № 3. – С. 45–50.
2. Smith J., Johnson R. Natural fiber reinforced PLA composites // Polymer Degradation and Stability. – 2021. – Vol. 194. – P. 109476.
3. Кузнецова В.Д., Орлов А.С. Влияние наполнителей на свойства полилактида // Высокомолекулярные соединения. – 2023. – Т. 65, № 2. – С. 134–142.
4. Chen X., Wang L. Thermal and mechanical properties of PLA/cellulose composites // Carbohydrate Polymers. – 2022. – Vol. 276. – P. 118737.
5. Токарева М.Н., Белов А.В. Биодеградируемые композиты для медицины // Современные материалы. – 2023. – № 1. – С. 88–95.