Разработка термопластичного крахмала для получения биоразлагаемых материалов

ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1.0. АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТА БИОПЛАСТИКОВ 13
1.1. Современный ассортимент биопластиков 13
1.2. Сырьё для получения биопластиков 19
1.3. Технологический процесс получения биопластиков 26
1.4. Требования к качеству биопластиков 32
Выводы по главе 1.0 35
ГЛАВА 2.0. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОПЛАСТИЧНОГО КРАХМАЛА С ДОБАВЛЕНИЕМ ПОВЕРХНОСТНО АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ 36
2.1. Анализ существующих способов получения термопластичного крахмала 36
2.2.Анализ поверхностно активных веществ для улучшения термопластичного крахмала 41
2.3.Разработка технологии получения термопластичного крахмала с добавлением поверхностно активных веществ 44
2.4. Оценка качественных характеристик термопластичного крахмала с добавлением поверхностно активных веществ 50
Выводы по главе 2.0. 53
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 57

Весь текст будет доступен после покупки

Одна из мировых экологических проблем современного мира является накопление в окружающей среде огромное количество отходов синтетических полимеров (пластмассы, каучуки, волокна), которые не подвергаются интенсивному физико-химическому и биологическому разложению [1]. Несмотря на разнообразие способов их утилизации (сжигание, пиролиз, химическая модификация, захоронение, вторичная переработка), сегодня не существует комплексного подхода к их уничтожению без вреда для окружающей среды и значительных экономических затрат [2]. Вариант решения этой проблемы рассматривается в создании материалов, способных в достаточно короткие сроки деградировать под воздействием химических (кислород воздуха, вода), физических (тепло, солнечный свет), биологических (бактерии, насекомые, грибы, водоросли, дрожжи) факторов окружающей среды [1].
Большинство товаров упаковывают в огромное количество пленки и бумаги, которое выбрасывается потребителем на свалку. Как результат — растущие полигоны для мусора, 40% которого составляет одноразовая упаковка [3]. В условиях повышенного спроса к продукции так называемого здорового питания, встал вопрос упаковки этого питания в не менее «здоровую» упаковку. Эко-, биоразлагаемая и съедобная упаковка является одной из относительно новых тенденций в области экологии [3].
В текущей ситуации по разработке и освоению биоразлагаемых полиматериалов можно выделить два основных направления развития поисковых и прикладных работ в этой области [4]:
– разработка собственно биоразлагаемых ПМ на основе воспроизводимых источников сырья природного происхождения (в дальнейшем – природных ПМ или биополимеров) – крахмала, хитозана, полигидроксиалканоатов, производных целлюлозы и др.;
– придание биоразлагаемости промышленным высокомолекулярным синтетическим материалам.
Большинство биоразлагаемых материалов изготавливается из растительного сырья [4]:
• Картофеля;
• Пшеницы;
• Бобовых;
• Подсолнечника;
• Сахарной свеклы;
• Древесины тополя и осины.
В настоящее время используются такие природные полимеры, как:
• Целлюлоза;
• Натуральный каучук;
• Полисахариды;
• Полипептиды;
• Хитин;
• Лигнин;
• Сложные полиэфиры.
Большой интерес вызывает крахмал как относительно недорогое по цене сырье, который экстрагируют из картофеля, пшеницы, кукурузы, риса.
Крахмал, являясь природным полисахаридом, имеет ряд уникальных свойств и особенностей, к числу которых относятся [5]:
• Ежегодная возобновляемость и неиссякаемость сырьевых ресурсов (картофель, кукуруза, рожь, пшеница, маниока, горох и др.), что выгодно отличает его от целлюлозы, выделяемой из древесины, минимальный срок созревания которой даже для быстрорастущей древесины составляет 18-20 лет;
• Легкая изменяемость и придание новых практически ценных свойств путем химического, бактериологического или комбинированного воздействия;
• Возможность осуществления с крахмалом всех превращений, известных из химии низкомолекулярных соединений;
• Не токсичность и удобство работы с ним как с полимером.
Так же выбор крахмала как полисахарида для производства биоразлагаемых материалов обусловлен динамично развивающейся крахмалопаточной отрасли в России (рис. 1)


Рисунок 1. Динамика производства нативных и модифицированных крахмалов в РФ в период 2015-2020 гг., тыс. т.
За период с 2015 – 2020 гг. объём производства картофельного и пшеничного крахмалов повысился в 18 и 2 раза соответственно, а модифицированных в 2,2 раза. Такое динамичное развитие отечественного крахмального производства поспособствовала расширению ассортимента модифицированных и нативных крахмалов, а их применение – повышению конкурентоспособности и качества выпускаемой продукции для технического и пищевого значения.
В настоящее время термопластичный крахмал является широко распространенным биопластиком, который составляет примерно 16% от всего рынка биопластиков (рис.2).


Рисунок 2. Мировое производство биопластиков (по типу материала)
Является подходящим материалом для производства капсул лекарственных препаратов, так же для получения гибкой упаковки.
На сегодняшний день уже существует не мало компаний, производящих биопластики из разных материалов (табл. 1) [6].

Весь текст будет доступен после покупки

ГЛАВА 1.0. АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТА БИОПЛАСТИКОВ
1.1. Современный ассортимент биопластиков
Биопластики — это пластмассовые материалы, производимые из возобновляемых источников биомассы, таких как растительные жиры и масла, кукурузный крахмал, солома, щепа, опилки, переработанные пищевые отходы и т. д. Биопласт может быть изготовлен из сельскохозяйственных побочных продуктов, а также из использованных пластиковых бутылок и других контейнеров с использованием микроорганизмов. Обычные пластики, такие как ископаемые виды топлива (также называемые бензиновыми полимерами), получают из нефти или природного газа. Не все биопластики являются биоразлагаемыми и не разлагаются быстрее, чем пластмассы, полученные из ископаемого топлива. Биопластики обычно получают из производных сахара, включая крахмал, целлюлозу и молочную кислоту.
Ассортимент и классификация биопластиков представлен на (рис.3) [10].

Весь текст будет доступен после покупки

1. Савицкая Т.А. Биоразлагаемые композиты на основе природных полисахаридов. – Минск: БГУ, 2018. – 207 с.
2. Ольхов А. А., Иорданский А., Л., Заиков Г., Е. Биопластики на основе термопластов. // Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 10, Инновационная деятельность. – 2014. - № 3. – С. 84 – 90.
3. Беркетова Л. В., Полковникова В. А. К вопросу об эко-, съедобной и быстроразлагающейся упаковке в пищевой индустрии. // Бюллетень науки и практики. – 2020. - № 6. – С. 234 - 243
4. Волостнова О. И., Исмаилова Р. Н., Селиванов А. В. Биоразлагаемые пластики – будущее упаковки. // Вестник Казанского технологического университета. – 2010. - № 8. – С. 478 - 480
5. Колпакова В. В., Усачев И. С., Соломин Д. А. Биоразлагаемые полимеры: составные биокомпоненты и технологические решения производства. // Пищевая промышленность. – 2019. - № 12. - С. 51–57.
6. Прогресс в получении биоразлагаемых композиционных материалов на основе крахмала (обзор) / Е. Н. Подденежный, А. А. Бойко, А. А. Алексеенко и др. // Вестник Гомельского государственного технического университета им. П. О. Сухого. – 2015. - № 2.- Т. 1.- С. 1 – 11.
7. Hoover R. Composition, molecular structure, physicochemical properties of tuber and root starches: a review. // Carbohydrate polymers, 45, p.253-267. (2001).
8. Биодеградируемые пленочные материалы. Часть 1 биодеградируемые пленочные материалы на основе синтетических и микробиологически синтезированных полимеров / А. Ш. Закирова, З. А. Канарская, О. С. Михайлова и др.// Вестник Казанского технологического университета. – 2014. - № 9. – Т. 17. – С. 155 – 162.
9. Биодеградируемые пленочные материалы часть 2 биодеградируемые пленочные материалы на основе природных, искусственных и химически модифицированных полимеров / А. Ш. Закирова, З. А. Канарская, О. С. Михайлова и др. // Вестник Казанского технологического университета. – 2014. - № 10. – Т. 17. – С. 114 – 121.
10. Карпунин И. И., Кузьмич В. В., Балабанова Т. Ф. Классификация биологически разлагаемых полимеров. // Наука и техника. – 2015. - № 5. – С. 53 – 59.
11. В. Н. Кряжев, В. В. Романов, В. А. Широков. Последние достижения химии и технологии производных крахмала. // Химия растительного сырья (обзор). –2010 – № 1 – С. 5–12.
12. А. И. Суворова, И. С. Тюкова, Е. И. Труфанова. Биоразлагаемые полимерные материалы на основе крахмала. // Успехи химии. – 2000 – Т. 69, № 5 – С. 494–504.
13. Никитинко П. Г., Хрустицкая Л. Б. Хитозан полимер будущего. // Наука и инновации. – 2013. - № 9. – С. 14 – 17.
14. Севастьянов Д. В., Сутубалов И. В., Дасковский М. И., Шеин Е. А. Полимерные биокомпозиты на основе биоразлагаемых связующих, армированных натуральными волокнами (обзор). // Авиационные материалы и технологии. – 2017. - № 4. – С. 42 – 50.
15. Белов Д. А. Биоразлагаемый полимер полилактид // Наука и инновации. – 2013. - № 9. – С. 21 – 23.
16. Бычук М. А. Получение и свойства полимерных пленок на основе поли-3-гидроксибутирата и поли-?-капролактона: дисс ... канд. тех. наук: 05.17.06 [Место защиты: Моск. гос. ун-т дизайна и технологии]. - Москва, 2016. - 169 с.
17. Крутько Э. Т., Прокопчук Н. Р., Глоба А. И. Технология биоразлагаемых полимерных материалов. - Минск: БГТУ, 2014. – 105 с.
18. Васильева Н. Г. Хитин как полимер XXI века. // Вестник Казанского технологического университета. – 2014. - № 16. – Т. 17. – С. 110 -111.
19. Edible films made from hydroxypropyl starch and gelatin and plasticized by polyols and water. Carbohydrate Polymers / Arvanitoyannis I., Nakayama A., Aiba S. // Carbohydrate polymers. – 1998. - № 36. - P. 105 - l19.
20. Биоразлагаемые композиты на основе полилактида и органических соединений / Е. Н. Подденежный, Н. Е. Дробышевская, А. А. Бойко и др. // Вестник Гомельского государственного технического универститета им. П. О. Сухого. – 2021. - № 3. – С. 20 – 26.
21. Расчет и конструирование изделий из пластмасс и формующей оснастки. Экструзионный формующий инструмент: учебное пособие / Ю. В. Перухин, Т. Р. Дебердеев, С. Н. Русанова; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань: Изд-во КНИТУ, 2017. – 96 с.
22. В. В. Колпакова, И. С. Усачев, Д. А. Соломин. Совершенствование технологии применения термопластичного крахмала для биоразлагаемой полимерной плёнки. // Пищевая промышленность. – 2017. - № 8. – С. 34 – 38.
23. EN 13432: 2000 «Packaging — Requirements for packaging recoverable through composting and biodegradation — Test scheme and evaluation criteria for the final acceptance of packaging». – 21 p.
24. ГОСТ 54530-2011 «Требования, критерии и схема утилизации упаковки посредством компостирования и биологического разложения». – 18 с.
25. ГОСТ Р 57432-2017 «упаковка. Пленки из биоразлагаемого материала». – 8 с.
26. Патент RU № 2691988 С1, C08L 23/06, C08L 3/04, C08K 5/053, C08K 7/22, C08L 101/16, “Биологически разрушаемая термопластичная композиция” / Лукин Н. Д., Колпакова В. В., Усачев И. С. и др. – Опубл. 06.19.2019, Бюл. № 17. – 6 с.
27. Патент RU 2 767 348 C1, A21D 13/33, B65D 65/46, “Биоразлагаемый материал для изготовления съедобной посуды и упаковки на основе отрубей зерновых культур и способы его получения” / Купинский Н. Г., Аминова Е.К., Ляпах Т. К., и др. – Опубл. 17.03. 2022, Бюл. № 8. – 11 с.
28. Патент RU 2 761 830 C2, C08L 3/04, C08L 23/06, C08L 101/16, C08K 5/053, “ Биологически разрушаемая термопластичная композиция” / Колпакова В. В., Сарджвеладзе А. С., Папахин А. А., и др. – Опубл. 13.12.2021, Бюл. № 12. – 8 с.
29. An overview on plasticized biodegradable corn starch-based films: the physicochemical properties and gelatinization process / Bin Wang, Bin Yu, Chao Yuan et all. // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. – 2022. - Vol. 62, Issue 10. – PP. 9.
30. Combined effect of plasticizers and surfactants on the physical properties of starch based edible films / Maria Rodriguez, Javer Oses, Khalid Ziani et all. // Food Research International. – 2006. – Vol. 39. – PP. 840 – 846.
31. Применение модифицированного пористого крахмала для создания биоразлагаемых композиционных полимерных материалов / А. А. Папахин, В. В. Колпакова, Б. З. Михайловна, и др. // Техника и технология пищевых производств. – 2020. - № 3. – Т. 50. – С. 549 – 558.
32. Васильев И. Ю., Ананьев В. В., Черная И. В. / Биоразлагаемые материалы на основе ПЭНП, крахмала и моноглицеридов. // Inovacijos leidybos, poligrafijos ir multimedijos technologijose 2021

Весь текст будет доступен после покупки