CC BY
0ИССЛЕДОВАНИЕ БИОРАЗЛАГАЕМЫХ УПАКОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ РЕНТГЕНОСТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА Гузенко О.А.1, Кузнецов В.В.2
1Гузенко Оксана Александровна - Аспирант, 2Кузнецов Владимир Васильевич - Доктор химических наук, профессор Ивановский государственный химико-технологический университет
г. Иваново
Аннотация: синтезированы биоразлагаемые пленки, модифицированные пищевыми кислотами и натуральными красителями с целью придания заранее заданных свойств. Полученные образцы пленок исследованы современными методами - рентгеновская дифракция применялась для исследования кристалличности и аморфности полученных образцов.
Ключевые слова: биоразлагаемые пленки, пищевые кислоты, натуральные красители, рентгеновская дифракция, индикаторы срока годности, антоциановые красители.
Загрязнение окружающей среды пластиковым мусором приобрело глобальные масштабы. Причиной таких загрязнений служит использование населением планеты в огромном количестве пластиковых упаковочных материалов, разложение которых занимает более ста лет. Решением данной проблемы может стать частичный переход на биоразлагаемые упаковочные материалы.
Биоразлагаемыми материалами называются такие материалы, которые способны к деструкции под воздействием солнечного света, воды, почвенных микроорганизмов, грибов. Разложение таких материалов в окружающей среде происходит намного быстрее, чем разложение пластиковых упаковочных материалов, и может составлять менее трех месяцев.
Нами были разработаны, по запатентованной технологии, образцы биоразлагаемых пленок, модифицированные пищевыми кислотами и натуральными красителями. Пищевые кислоты использовались в качестве сшивающих агентов. Предполагалось, что их внесение может повысить прочность пленок и придать однородность структуре. В качестве индикаторов использовались натуральные антоциановые красители, полученные из выжимок клюквы, черноплодной рябины, черной смородины. Они добавлялись к пленкам с целью придания им свойств индикации срока годности продуктов питания, которые будут помещены в пленки. Это становится возможным благодаря тому, что окраска природных антоциановых красителей зависит от рН среды [1]. И таким образом, пленки могут изменять свою окраску в результате порчи продуктов.
Полученные опытные образцы были исследованы современными физико-химическими методами, а именно рентгеновской дифракцией.
Рентгенография относится к группе дифракционных методов исследования. Данный метод применяется для изучения строения кристаллических и аморфных веществ, путем определения параметров кристаллической решетки и расположения атомов в элементарной ячейке [3]. Для проведения рентгеновского анализа использовался рентгеновский дифрактометр.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В ходе эксперимента, для получения образцов биоразлагаемых пленок, использовался метод литья. Метод изготовления пленок состоял из следующих этапов:
1.Желатинизация крахмальной суспензии в присутствии сшивающего агента, которым выступали пищевые кислоты (лимонная, ортофосфорная, адипиновая, щавелевая) в соотношении 1:3 (сшивающий агент: сухой крахмал);
2. Смешивание готового раствора крахмала с пластификатором, которым выступал глицерин, антоциановыми красителями и пленкообразователем - поливиниловым спиртом.
3. Сушка формовочной смеси для получения пленок при определенных условиях [4].
В результате эксперимента были получены следующие образцы пленок:
Образец №1 - Пленка, модифицированная лимонной кислотой;
Образец №2 - Пленка, модифицированная ортофосфорной кислотой;
Образец №3 - Пленка, модифицированная лимонной кислотой и соком черноплодной рябины;
Образец №4 - Пленка, модифицированная лимонной кислотой и соком клюквы;
Образец №5 - Пленка, модифицированная лимонной кислотой и соком черной смородины;
Образец №6 - Пленка, модифицированная адипиновой кислотой;
Образец №7 - Пленка, модифицированная щавелевой кислотой.
Внешний вид полученных пленок представлен на рисунках 1 - 7.
Рис. 1. Образец №1
Рис. 2. Образец №2
Рис. 3. Образец №3
Рис. 4. Образец №4 Рис. 5. Образец №5 Рис. 6. Образец №6
Рис. 7. Образец №7
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В результате проведения исследования методом рентгеновской дифракции были получены рентгеновские дифрактограммы синтезированных образцов пленок.
Рентгеновские дифрактограммы исследуемых образцов пленок представлены на рисунке 8.
То 20 30 40
в (град)
Рис. 8. Рентгеновские дифрактограммы исследуемых образцов пленок.
На дифракционной кривой для всех образцов наблюдается один ярко выраженный максимум при угле 19,6° (угол 20).
По формуле Фульфа-Брэгга было вычислено межплоскостное расстояние, соответствующее основному максимуму [3]:
2d sin0 = nX, (1)
где d - межплоскостное расстояние;
0 - угол скольжения (угол, дополнительный к углу отражения);
n - порядок дифракционного максимума (целое положительное число, т.е. 1, 2, 3...);
X - длина волны падающего излучения (1,54 ангстрема).
Вычисленное межплоскостное расстояние равно 0,453 нм. Это расстояние соответствует размеру кристаллитов, образующихся в результате разрушения полимерных цепочек крахмала в процессе синтеза пленок.
Анализ максимумов (полуширина максимума, его площадь) позволил вычислить степень кристалличности (в программе EVA) исследуемых образцов.
Степень кристалличности представлена в таблице 1.
Таблица 1. Степень кристалличности.
Образцы %-CrystаШшty %-Аmоrphоus
Пленка, модифицированная лимонной кислотой (образец №1) 37.8 62.2
Пленка, модифициров анная ортофосфорной кислотой (образец №2) 32 68
Пленка, модифицированная лимонной кислотой и соком черноплодной рябины (образец №3) 39,4 60,6
Пленка, модифицированная лимонной кислотой и соком клюквы (образец №4) 40,3 59,7
Пленка, модифицированная лимонной кислотой и соком черной смородины (образец №5) 39,2 60,8
Пленка, модифицированная адипиновой кислотой (образец №6) 46,7 53,3
Пленка, модифицированная щавелевой кислотой 44,5 55,5
(образец №7)
Анализ степени кристалличности показывает, что синтезируемые пленки характеризуются неоднородностью внутренней структуры, степень кристалличности варьируется от 32 до 46%, соответственно аморфная область представлена от 53 до 63%, можно сказать, что объемная структура пленки имеет гетерогенное строение - типа гидратированной структуры в пластифицированной пленке крахмала с участием молекул глицерина, что характеризует максимум на дифракционной кривой на 19,6°. Плечо при главном максимуме наблюдаемое при 17,3°, имеющий много меньшую интенсивность по сравнению с основным максимумом, может характеризовать действие глицерина как пластификатора: глицерин проникает между молекулярными частицами крахмала и нарушает его кристалличность за счет замещения внутримолекулярных и межмолекулярных водородных связей. Снижение кристалличности указывает на то, что структурные фрагменты крахмала значительно повреждены. Заключение
Были получены биоразлагаемые пленки, модифицированные пищевыми кислотами - лимонной, ортофосфорной, адипиновой, щавелевой, которые добавлялись для повышения прочности пленок, и натуральными красителями - соком черноплодной рябины, клюквы и черной смородины, которые добавлялись для придания пленкам свойств индикации кислотности среды.
Полученные пленки были всесторонне исследованы современными методами анализа. Благодаря исследованию на рентгеновском дифрактометре удалось установить, что полученные образцы имеют и аморфную, и кристаллическую структуру. Наиболее аморфным образцом является пленка, модифицированная ортофосфорной кислотой.
Таким образом, необходимо продолжить исследования влияния модификации ортофосфорной кислотой пленок из природных полисахаридов.
Список литературы
1. Пищевая химия / Нечаев А.П., Траубенберг С.Е., Кочеткова А.А. и др. Под ред. А.П. Нечаев. - Спб.: ГИОРД, 2001. - 592 с;
2. Васильев В. П. Аналитическая химия. в 2 кн. Кн. 2. Физико-химические методы анализа: учеб. для химико - технол. спец. Вузов. 6-е изд. М.: Высш. шк., 2004. - 383 с;
3. Сутягин, В. М. Физи^-химические метoды исследoвания пoлимерoв : учебнoе ш^бие /В. М. Сутягин, А. А. Ляптв. — 3-е изд., испр. — Санкт-Петербург : Лань, 2021. — 140 с. — ISBN 978-5-8114-2712-3. — Текст : электрoнный //Лань : электрoннo-библиoтечная система. — URL: https://е.lаnbook.com/book/169006 (дата oбращения: 15.06.2023). — Режим дoступа: для автoриз. пoльзoвателей;
4. Study on flеxiblе lаrgе-аrеа Poly(vinylidеnе fluoridе)-bаsеd piеzoеlеctric films prеpаrеd by еxtrusion-cаsting procеss for sеnsors аnd microаctuаtors //Mаtеriаls Chеmistry аndPhysics. - 2021. - Vol. 275. - P. 78-87.
