В настоящее время полиэтилен — одна из самых распространенных в мире пластмасс. Трудно представить современную жизнь без этого уникального материала. Со времени открытия в 1899 г. роль полиэтилена только росла, и теперь он используется во многих отраслях, в том числе в пищевой промышленности в качестве упаковочного материала. Причин тому несколько: полиэтилен удобен в использовании, безопасен, его производство экономически выгодно. Однако в отличие от стекла (которое можно использовать повторно) и бумаги (которая разлагается в естественных условиях), упаковка из синтетических материалов практически вечна. Т. к. при утилизации бытового мусора используется полиэтилен, проблема загрязнения им окружающей среды становится по настоящему глобальной.
Существует несколько способов ускорить разложение полиэтилена в естественной среде, однако многие из них до сих пор находятся на стадии лабораторных испытаний [1]. Тем не менее одной из самых востребованных методик на данный момент является добавка d2w (Symphony Environmental, Великобритания, рис.1) — это катализатор процесса окисления полимерного материала, в состав которого входят соли переходных металлов Fe, Co, Mn, Ni. Как заверяет производитель, добавление всего 1 % этого катализатора к массе сырья позволяет добиться полного разложения полиэтилена в среднем за 3 года. При этом указывается на сохранение в течение этого срока всех положительных свойств исходного материала — прочности, прозрачности, водонепроницаемости и т. п.
Рис. 1. Эмблема биоразлагаемой добавки d2w
Однако в открытых источниках не нашлось прямых научных подтверждений данным выводам, поэтому целью настоящей работы является исследование структуры, прочности и химических свойств обычного полиэтилена и полиэтилена с биодобавкой d2w.
В качестве образцов для испытаний использовался полиэтилен низкого давления высокой плотности от одного производителя, одинаковой толщины с биоразлагаемой добавкой d2w и без неё. Исследование микроструктуры производилось на учебном атомно-силовом микроскопе «Nanoeducator-II» фирмы НТ-МДТ. Как показал эксперимент, оба исследуемых образца имеют практически идентичную структуру поверхности, при этом среднее значение шероховатости составляет ~108 мкм.
Рис. 2. Трехмерное АСМ-изображение поверхности полиэтилена с добавкой d2w
Для исследования прочности полиэтилена был создан испытательный стенд, схема и фотография которого представлены на рис. 3. На штативе закреплялся образец, который имел определенную форму [2], к нижней стороне закреплялась чащу с весовыми гирьками. Измерение относительного удлинения образцов производилось с каждым добавлением 100г веса. Для исключения ошибки эксперимент повторялся минимум 5 раз для каждого сорта полиэтилена.
Рис. 3. Общая схема (а) и фотография (б) стенда для испытания прочности образцов
Как показали испытания на прочность, полиэтилен без добавки d2w растягивается равномерно и практически сразу при минимальной нагрузке (рис. 4). При этом максимальное значение достигает 500 г. Добавка d2w влияет на повышение прочности при растяжении только на начальном этапе при нагрузках не превышающих ~150 г, однако дальнейшее увеличение нагрузки приводит к более резкому удлинению образов по сравнению с полиэтиленом без биоразлагаемой добавки. Возможно это связано с тем, что при малых нагрузках первоочередную роль играют металлы, входящие в состав добавки — они механически сдерживают полиэтилен от удлинения в направлении приложенной нагрузки. Однако далее, вследствие отличий от состава чистого полиэтилена, материал быстрее разрушается и полностью разрывается при средней нагрузке ~400 г.
Рис. 4. Результаты испытания образцов на прочность при растяжении. 1 — полиэтилен без d2w, 2 — полиэтилен с добавкой d2w
Для определения химических свойств полиэтилен подвергался воздействию кислотной и щелочной сред. Каждый тип образца помещали в три пробирки с H2SO4, HCl и NaOH. После недели пребывания образцов в кислотах выяснилось, что в пробирке с соляной кислотой изменений нет, а в пробирке с серной кислотой плёнка помутнела как и сама кислота. При этом все образцы, помещенные в H2SO4 и HCl, не имели следов разложения, сохранив первоначальную геометрическую форму. В пробирках с NaOH в течение всего эксперимента происходило выделение газа, который не удалось идентифицировать.
Таким образом экспериментально было показано, что биоразлагаемая добавка влияет на прочность используемого полиэтилена (в среднем данный показатель снижается на 20 %), при этом характеристики поверхности полиэтилена без добавки d2w и с ней практически идентичны. Химическая стойкость также остается на уровне полиэтилена без биоразлогаемой добавки.
Литература:
- Фомин В. А. Гузеев В. В. Биоразлагаемые полимеры // Химия и жизнь. XXI век. — № 7. — 2005. — с. 8–11.
- ГОСТ 11262–80 Пластмассы. Методы испытания на растяжение. 1986.
