Содержание
1. Введение. Актуальность темы исследования
2. Теоретическая часть исследования
3. Практическая часть исследования
4. Проведение эксперимента
5. Заключение
6. Источники литературы
Введение
Актуальность темы исследования:
Традиционные направления утилизации отходов полимерных материалов основаны на их вторичной переработке либо сжигании с получением полезных продуктов и тепловой энергии. Однако из-за трудности сборки, сортировки, очистки использованных пластмасс объемы «рециклинга» даже в развитых странах не превышают 30-50%, а сжигание во многих случаях приводит к загрязнению окружающей среды.
Полимеры необходимы человечеству во всем. Из них мы изготавливаем множество продуктов повседневного использования. Начиная от упаковки и заканчивая украшениями.
Создание биополимеров — это необходимая технология для реализации потребностей человечества. При нынешней экологической обстановке людям необходимо повысить уровень экологического образования.
А что останется после нас? Горы свалок из ТБО (Твердых Бытовых Отходов), которые не разлагаются при естественных факторах разложения веществ. При этом сжигание и хранение ТБО пагубно влияет на экологическую обстановку. Накопление полиэтилена, полипропилена и других синтетических полимеров негативно влияет на экологию, тогда как полимеры из картофельного и кукурузного крахмала разлагаются при естественных факторах.
В отличии от синтетических полимеров биополимеры разлагаются под действием солнечной энергии (света) и воды меньше, чем за 10 лет. Примерно за 10 лет синтетические полимеры разлагаются, а некоторые вообще не разлагаются.
Биополимеры – это не только альтернатива для обыкновенных пластических масс на основе нефти, но и новый прогрессивный материал.
Проблема, на решение которой направленно исследование:
Обезвреживание и использование отходов массового потребления полимеров
Предмет исследования:
Саморазлагающиеся полимеры
Объект исследования:
Способность к биодеструкции
Цель исследовательской работы:
Создание и освоение широкой гаммы полимеров под действием факторов окружающей среды, и легко включающихся в процессы метаболизма природных систем.
Задачи исследовательской работы:
1. Анализ информации о биополимерах
2. Провести исследование свойств созданных образцов биополимеров
3. Провести эксперимент по созданию биоматериала с последующим наблюдением
4. Разработать рекомендации по использованию биополимеров
Гипотеза:
Природные и синтетические полимеры, содержащие связи, которые легко подвергаются гидролизу, обладают высокой способностью к биодеструкции.
Методы исследования:
1. Анализ источников
2. Мониторинг
3. Эксперимент
4. Обобщение. Вывод
Основные этапы работы:
1. Сбор информации о биополимерах;
2. Проведение эксперимента подбором основных компонентов для создания биополимеров;
3. Исследование образцов в лаборатории на предмет изучения их свойств и способности к биодеструкции;
4. Систематизация полученных данных;
5. Анализ и выводы по результатам проведенного исследования
Теоретическая часть исследования
В настоящее время наиболее радикальным и экологичным решением проблемы «полимерного мусора» является создание и освоение широкой гаммы полимеров, которые в течение периода потребления, а затем претерпевают физико-химические и биологические превращения под действием факторов окружающей среды и легко включаются в процессы метаболизма природных биосистем. (1)
Биоразрушение – это химическое расщепление, вызываемое биохимическими реакциями, в первую очередь, катализируется ферментами, которые синтезируют микроорганизмы. Способность полимеров разлагаться и усваиваться микроорганизмами зависит от ряда их структурных характеристик. Наиболее важными являются химическая природа полимера, молекулярная масса, разветвленность макроцепи (наличие и природа боковых групп), надмолекулярная структура. Природные и синтетические полимеры, содержащие связи, которые легко подвергаются гидролизу, обладают высокой способностью к биодеструкции. Присутствие заместителей полимерной цепи часто способствует биодеструкции. (1)
Практическая часть исследования
Для получения пластика намного лучше подходят линейные молекулы, именно поэтому в рецептах присутствует уксусная кислота и поваренная пищевая соль. Ионы в растворе способствуют гидролизу связей, соединяющих ветви амилопектина, разрывая его на множество более коротких цепочек амилозы. Эти длинные молекулы перепутываются и образуют прочные связи.
Такие крепкие переплетения приводят к образованию достаточно твердого и жесткого пластика, что может стать причиной его хрупкости и ограниченности сфер применения. Для того, чтобы обеспечить некоторое скольжение между цепочками и сделать материал достаточно гибким, в рецептах присутствуют глицерин. Он выполняет роль смазки в структуре полученного пластика и делает его мягким и гибким, увеличивает гигроскопичность. Глицерин относится к группе стабилизаторов, обладающих свойствами сохранять и увеличивать степень вязкости и консистенции пищевых продуктов. Для получения линейных структур крахмала мы использовали ионы соли и уксусную кислоту. Вода является одним из основных реактивов реакции гидролиза крахмала. От количества воды зависит и степень вязкости и, соответственно, толщина материала.
Эксперимент 1. Создание крахмалопластов.
1 рецепт (солевой):
Ø Крахмал10г (1 ст. ложка)
Ø Поваренная соль150 мг.
Ø Глицерин 60 мл 1% раствора (4 ст. ложки).
Все ингредиенты смешать, нагревать на плите при постоянном помешивании до 95°С или до начала вспенивания. Снять с огня, продолжая помешивать массу для осаждения пены. Горячая масса выкладывается в форму и оставляется высыхать на тефлоновой бумаге.
2 рецепт (содовый):
Ø Крахмал10 г (1 ст. ложка)
Ø Пищевая сода20 г (2 ст. ложки)
Ø Вода10 мл.
Все смешать, нагреть. Продукт похож на массу для лепки, после высыхания масса затвердевает.
3 рецепт (уксусный):
Ø Крахмал10г (1 ст. ложка)
Ø Вода60 мл (4 ст. ложки)
Ø Уксус5 мл 9% раствора (1 ч. ложки)
Ø Глицерин5 мл (1 ч. ложки). Все ингредиенты смешиваются в термостойкой таре и варятся при постоянном помешивании до загустения. Смесь охлаждается и приобретает форму.
4 рецепт. Для создания более эластичной тонкой пленки увеличили содержание воды и глицерина в два раза:
Ø Крахмал10г (1 ст. ложка)
Ø Вода 120 мл (8 ст. ложек)
Ø Уксус 5 мл 9% раствора (1 ч. ложки)
Ø Глицерин10мл (1 ст. ложка)
5 рецепт (на основе крахмала и глицерина):
Ø Крахмал 10г (1 ст. ложка)
Ø Вода 120 мл (8 ст. ложек)
Ø Глицерин 10 мл (1 ст. ложка).
После получения крахмалопластов, все образцы были проверены на то, как они взаимодействуют с водой. Образцы были погружены в воду на 48 часов и снова рассмотрены их свойства.
Эксперимент 2. Взаимодействие с водной средой.
Каждый образец замачиваем на 48 часов. Повторно рассматриваем их свойства.
Образец по рецепту 1. Солевой биополимер.
Свойства: в воде лучше всего растворяется. Становится тяжелее. Гидрофильный. После высыхания теряет изначальную упругость, стойкость, то есть разлагается.
i uaPxItGQju7fMxPzdz7Vs2kcZRSY16n+H2oorWe5A3UyY4P3Z2/e+79RXn2sXt5LfyRSXUjL5n3W kJHUUUVrHoSjovDMMIUfuV7fwj0ro5xth4H+c0UUFFG4d8sdx+7/AEqpvf8AvGiis5dCj//ZUEsB Ai0AFAAGAAgAAAAhAD5aqScKAQAAFQIAABMAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAFtDb250ZW50X1R5cGVz XS54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAOP0h/9YAAACUAQAACwAAAAAAAAAAAAAAAAA7AQAAX3JlbHMv LnJlbHNQSwECLQAUAAYACAAAACEA90Q0yvsCAAAIBgAADgAAAAAAAAAAAAAAAAA6AgAAZHJzL2Uy b0RvYy54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAWGCzG7oAAAAiAQAAGQAAAAAAAAAAAAAAAABhBQAAZHJz L19yZWxzL2Uyb0RvYy54bWwucmVsc1BLAQItABQABgAIAAAAIQA9h4Ci4AAAAAgBAAAPAAAAAAAA AAAAAAAAAFIGAABkcnMvZG93bnJldi54bWxQSwECLQAKAAAAAAAAACEAwlJkc6VtAgClbQIAFQAA AAAAAAAAAAAAAABfBwAAZHJzL21lZGlhL2ltYWdlMS5qcGVnUEsFBgAAAAAGAAYAfQEAADd1AgAA AA== "> 
Образец по рецепту 2. Содовый биополимер.
Свойства: из твердого стал мягким. Гидрофильный. Хорошо растворим в воде. После высыхания теряет свои изначальную твердость, то есть разлагается
Образец по рецепту 3. Уксусный биополимер
Свойства: в воде набухает. Гидрофобный/гидрофобный. После высыхания заново принимает изначальную гибкость, превращается в кристаллы.
Образец по рецепту 4. С увеличением воды и глицерина в биополимере.
Свойства: в воде более стойкий. Гидрофильный/гидрофильный. Разламывается. После высыхания восстанавливает упругость, гибкость.
Образец по рецепту 5. На основе крахмала и глицерина.
Свойства: в воде схожие свойства, как и у 4 рецепта. После высыхания восстанавливает упругость, гибкость.
Выводы эксперимента
Все образцы после нахождения в воде, когда лишняя влага испарилась потеряли свою пластичность, стали более мягкие. То есть подвергаются биодеструкции. На основе полученных свойств я решил добавить пропиленгликоль для создания пластического массы.
Эксперимент 3. Создание биопленки.
| 1. Крахмал | 100 г. |
| 2. Вода | 100 мл. |
| 3. Глицерин | 65 мл. |
| 4. Пропиленгликоль | 65 мл. |
Метод изготовления биопленки:
1. Крахмал смешиваем с водой до однородной массы без комков;
2. В полученный раствор добавляется глицерин и пропиленгликоль. Эти вязкие вещества необходимы как стабилизаторы;
3. Тщательно размешиваем раствор;
4. Раствор нагреваем при температуре 60 градусов;
5. Постоянно помешиваем до образования однородной массы;
6. Выливаем массу на плоскую поверхность;
7. Равномерно распределяем по всей площади для охлаждения.
14
Выводы эксперимента
Свойства: Эластичная, упругая, стойкая к растяжению. На вкус и качество хранящийся продуктов питания не влияет отрицательно.В воде растворяется, то есть биодеструкции подвергается.Разложение в почве протекает с выделением из плёнки углекислого газа и воды.
Заключение
Крахмал способен подвергаться полному биоразложению и основывается на возобновляемых материалах. Таким образом, использование крахмала в составе товарных пластмассовых материалов позволит свести к минимуму ущерб, наносимый окружающей среде
С помощью биопленки осуществимо заменить доступные человечеству различные упаковочные изделия. А именно заменить синтетические полимеры на биополимеры. Биопленка не вредит экологической обстановке. Использование прогрессивного материала позволит людям модернизировать принцип использование пластических масс.
Литература
1. https://cyberleninka.ru/article/n/sposoby-utilizatsii-othodov-polimerov
2. https://moodle.ggau.by/mod/page/view.php?id=480
3. https://bio.sfu-kras.ru/files/2540_Proizvodstvo_biopolimerov.pdf
4. https://www.simplexnn.ru/?id=8543
5. https://cyberleninka.ru/article/n/progress-v-poluchenii-biorazlagaemyh-kompozitsionnyh-materialov-na-osnove-krahmala-obzor/viewer