СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛА

АННОТАЦИЯ

В данном исследовании был получен биологически разлагаемый полимерный материал, состоящий из крахмала, аммония полифосфата и полиакрилонитрила. Включение модифицированного крахмала в синтетическую полимерную цепь улучшило свойства композита по биологическому разложению и термостойкости. Крахмал, добавленный в композицию, является природным источником, и его использование повышает экологическую безопасность композита.

Поэтому эти композиты могут рассматриваться как устойчивая альтернатива традиционным пластиковым материалам. В ходе исследования композиция на основе аммония полифосфата, полиакрилонитрила и крахмала была изучена с помощью ИК-спектроскопии, а также проведены термические испытания. Модифицированный полиакрилонитрил помогает получить качественные биоразлагаемые материалы и расширить возможности применения этих материалов в промышленности в будущем.

ABSTRACT

In this study, a biodegradable polymer material consisting of starch, ammonium polyphosphate, and polyacrylonitrile was obtain. The inclusion of modified starch in the synthetic polymer chain improved the properties of the composite in terms of biodegradation and heat resistance. Starch added to the composition is a natural source, and its use increases the environmental safety of the composite.

Therefore, these composites can be consider as a sustainable alternative to traditional plastic materials. During the study, the composition based on ammonium polyphosphate, polyacrylonitrile and starch was study using IR spectroscopy, and thermal tests were perform. Modified polyacrylonitrile helps to obtain high-quality biodegradable materials and expand the possibilities of using these materials in industry in the future.

Ключевые слова: крахмал, полиакрилонитрил, аммоний полифосфат, термостойкость, методы ИК-спектроскопия и термогравиметрия.

Keywords: starch, poly acrylonitrile, ammonium polyphosphate, heat resistance, IR spectroscopy and thermogravimetry methods.

Введение. За последние десять лет спрос на биоразлагаемые полимеры значительно вырос, увеличиваясь на 20–30 % в год. Однако производство этих полимеров сталкивается с определенными трудностями. Их низкая эффективность, высокие затраты на производство и законодательные ограничения по сравнению с традиционными пластмассами ограничивают их долю на рынке. В настоящее время биоразлагаемые полимеры составляют менее 0,1 % от общего объема производства пластмасс. Этот показатель недостаточен, учитывая экологические проблемы и необходимость устойчивого развития [1; 7].

Дополнительные функциональные свойства биоразлагаемости также остаются мало заметными для конечных потребителей, что препятствует широкому применению этих полимеров. Однако потенциал роста биоразлагаемых полимеров связан с возможностью использования возобновляемых ресурсов и снижением зависимости от нефтяных ресурсов. Сегодня проблемы, связанные с зависимостью от нефтепродуктов и глобальным эффектом потепления, усиливают потребность в экологически чистых, возобновляемых материалах. Эти полимеры могут быть получены из возобновляемых ресурсов, таких как растительные масла, зерно, картофель, солома и древесина, которые перерабатываются в химические вещества или полимеры. Это делает их устойчивой альтернативой традиционным пластикам.

Еще одно преимущество использования возобновляемых ресурсов заключается в том, что эти материалы наносят минимальный вред окружающей среде. Возобновляемое сырье позволяет заменить добываемые ресурсы и, в конечном итоге, перерабатывается в химические реагенты или полимеры. Производство и использование этих новых материалов на протяжении жизненного цикла может внести значительный вклад в устойчивое развитие, что особенно важно для глобальной экологической устойчивости и борьбы с изменением климата [6; 9].

Процесс производства биопластиков, улучшение их технических характеристик, а также контроль, за их окончательной утилизацией, имеют важное значение. Использование биоразлагаемых полимеров обычно зависит от их способности к компостированию. Однако для широкого распространения и применения этой технологии на промышленном уровне требуются технологические инновации и реформы. Разработка новых поколений технологий и расширение возможностей переработки помогут увеличить использование биоразлагаемых полимеров [4; 8; 9].

За последние четыре года (2018–2022) потребление биоразлагаемых пластиков на мировом рынке быстро возросло, увеличившись в 2,7 раза. Если в 2018 году общий объем этих пластиков составлял 831,9 тысяч тонн, то к 2022 году он достиг 2315,0 тысяч тонн. Такой рост связан с повышенным вниманием к экологическим проблемам, необходимостью сокращения пластиковых отходов на глобальном уровне и стремлением к устойчивому развитию [3; 5].

В ходе этого исследования на основе местного сырья был получен биоразлагаемый полимер и изучены его основные показатели.

Экспериментальная часть. Процесс синтеза модифцированного полиакрилонитрила осуществлялся следующим образом. Для гидролиза используется трёхгорлая колба объёмом 250 мл, оснащённая обратным холодильником и мешалкой. В колбу добавляют заранее измельчённый полиакрилонитрил (10 грамм) и 100 мл химически чистой ортофосфорной кислоты. Смесь нагревают при постоянном перемешивании до 80–90^ОС в течение 2–3 часов. Когда смесь становится прозрачной и бесцветной, нагревание прекращают, и раствор охлаждают. Затем его переливают в стакан объёмом 500 мл.

После полного растворения провели нейтрализацию раствора аммиачной водой до достижения pH-7, до получения гелеобразного вещества. Этот процесс направлен на получение гидролизованного полиакрилонитрила (ПАН). Важно поддерживать нейтральное значение pH, чтобы обеспечить оптимальные условия для последующих реакций с этим материалом.

Далее осадок фильтруется через воронку Бюхнера, промывается дистиллированной водой и очищается. ПАН сушат при комнатной температуре в течение 48 часов.

На следующем этапе ПАН добавляют в определённом количестве к крахмалу и аммонию полифосфату. При этом химические свойства ПАН модифицируются, улучшаются структурные и физические свойства ПАН, повышаются его термостойкость и устойчивость к химическому воздействию.

Результаты и обсуждение. В ходе лабораторных экспериментов для изучения химических свойств и функциональных групп, синтезированного полиакрилонитрила (ПАН), аммония полифосфата и крахмала применялся метод инфракрасной (ИК) спектроскопии. Этот анализ был проведен, чтобы подтвердить наличие различных функциональных групп и связей в синтезированном композите. ИК-спектроскопия является очень удобным методом для определения валентных и деформационных колебаний в молекуле и идентификации функциональных групп.

Для этой цели были изучены ИК-спектры композита, полученные с помощью ИК-спектрометра Iraffinity-1S Shimadzu. С помощью ИК-спектрального анализа в композите из ПАН, крахмала и аммония полифосфата были идентифицированы такие функциональные группы, как OH, NH, C-H, P-O и другие химические связи. Эти функциональные группы позволяют получить полную информацию о химической структуре и свойствах композита. Через ИК-спектральные полосы можно выявить химические связи в композите, их взаимодействие, а также химические изменения, происходящие в процессе синтеза. Полученные данные показывают, что в результате реакции крахмала, аммония полифосфата и ПАН образуются новые химические связи, которые проявляются на спектре в виде различных колебательных полос. Например, полосы поглощения OH-групп, обнаруженные через валентные и деформационные колебания, могут служить примером. Наличие в композите ПАН группы OH, NH₄, C-H, P-O-C и C-N указывает на образование новых химических связей в процессе реакции. Эти анализы направлены на улучшение состава химических веществ, их физико-механических свойств и создание оптимальных химических структур.

Согласно результатам этой инфракрасной (ИК) спектроскопии, в составе композита ПАН были выявлены различные функциональные группы. Валентные колебания, относящиеся к OH-группам, зафиксированы в диапазоне 3089,96 и 3055,24 см^-1, что подтверждает наличие гидроксильных групп, присутствующих в составе крахмала. Кроме того, валентные колебания, относящиеся к -C-H- группам, зафиксированы в диапазоне 2922,16-2852,72 см^-1, что подтверждает углеродно-водородные связи в полимерах. Валентные колебания, относящиеся к кольцу крахмала, наблюдаются при 1653 см^-1, что соответствует химическому составу крахмала.

Рисунок 1. ИК спектроскопии модифицированного полиакрилонитрила

Валентные колебания, относящиеся к NH₄-группам, зафиксированы при 3234,62 см^-1, что указывает на наличие компонента аммония полифосфата. Деформационное колебание было зафиксировано при 1435,04 см^-1. Также связи P-O-C были подтверждены в виде валентной и деформационной полосы поглощения при 1072,42 см^-1. Эти ИК-спектральные полосы указывают на химическую связь аммония полифосфата с ПАН и крахмалом. Валентные колебания, характерные для C-N связей, обнаружены при 800,46 см^-1, а связь P=O зафиксирована при 1259,52 см^-1. Эти спектральные данные подтверждают наличие важных химических связей в составе полиакрилонитрила (ПАН), связанного с крахмалом, и позволяют более точно оценить химический состав композита ПАН.

Анализ ТГА и ДТА. Для оценки термической устойчивости модифицированного полиакрилонитрила были проведены анализы с использованием термогравиметрического анализа и дифференциального термического анализа (с помощью прибор ДТГ-60/60H Shimadzu, точночть которого 99 %).

Кривая ТГА образца показала три экзотермических эффекта при 122,45°C, 272,83°C и 306,62°C, что указывает на процессы разложения компонентов в составе композита. Также зафиксированы три эндотермических эффекта при 80,84°C, 124,07°C и 463,55°C, которые отображают процессы поглощения тепловой энергии этим веществом. Кривая ДТА для образца показала четыре экзотермических эффекта при 104,5°C, 229,7°C, 294,8°C и 331,82°C. Эти экзотермические процессы отражают взаимную реакцию и процессы разложения различных компонентов в составе композита.

Рисунок 2. Дериватограмма модифицированного полиакилнитрила

Данные анализы помогают изучить термическую устойчивость композита и изменения, которые происходят под воздействием тепла. На основе результатов ДТА и ТГА была оценена степень термостойкости и свойства термической устойчивости компонентов в составе композита. Демонстрируемые авторами результаты анализа имеют важное значение для определения возможностей использования композитных материалов для упаковки, в сельском хозяйстве и других областях производства в будущем.

Таким образом, в процессе экспериментов был получен модифцированный полиакрилонитрил из полиакрилонитрила, ортофосфорной кислоты, крахмала и аммония полифосфата. В ходе исследований проводилась ИК-спектроскопия, а также DTA и TGA анализы. Установлено, что модифицированный полиакрилнитил обладает высокой термостойкостью и устойчивостью по сравнению с аналогами. Результаты данного исследования показывают, что описываемый в статье модифицированный полиакрилонитрил может широко использоваться в получении термостойких биоразлагаемых материалов.

Список литературы:

1. Каршиев М.Т., Нуркулов Ф.Н., Джалилов А.Т. Исследование физико-химических характеристик крахмальной модификации полиэтилена // Журнал «Universum». – 2022. – Вып. 10(100). – С. 70–74.
2. Луканина Ю.К., Хватов А.В., Колесникова Н.Н., Попов А.А. Биокомпозиции ПЭНП – добавки, ускоряющие биодеструкцию // Биотехнология: состояние и перспективы развития: сборник материалы VIII Московского Международного Конгресса. ЗАО «Экспо-биохим-технологии»,     РХТУ им. Д.И. Менделеева. – 2015. – С. 369–370.
3. Пантюхов П.В., Зыкова А.К., Масталыгина Е.Е., Ананьев В.В., Попов А.А. Термоокислительная деструкция биоразлагаемых полимерных материалов // Плехановский научный бюллетень. – 2018. – № 1 (13). – С. 71–75.
4. Тарасевич Б.Н. ИК спектры основных классов органических соединений. – Москва, 2012.  – С. 18–42.
5. Чуйков А.М., Мещеряков А.В., Чернодуб С.С. Исследование процессов деструкции полимерных композитов при механотермическом воздействии // Пожарная безопасность: проблемы и перспективы. – 2016. –Т. 2. – № 1 (7). – С. 359–360.
6. Шайкулов Б.К., Нуркулов Ф.Н., Джалилов А.Т. Анализ дериватографических результатов акриловых сополимеров // Журнал «Universum». – 2022. – Вып. 9 (99). – 2022. – С. 59–63.
7. Kumbhar V., Masali P. Biodegradable Cutlery Using Moringa Pod Husk: An Alternative to Conventional Plastic Cutlery // International Journal of Innovative Science and Research Technology. – 2020. – Vol. 5. – P. 900–903.
8. Laloyaux X., Fautré E., Blin T., et al. Temperature-Responsive Polymer Brushes Switching from Bactericidal to Cell-Repellent // Advanced Materials. – 2010. – P. 48–52.
9. Mohyuddin A. Synthesis and analysis of environment friendly gelatin grafted biodegradable polymer // OIDA International Conference on Sustainable Development. – 2017. – Vol. 10. – P. 21–28.
10. Smith J., Brown L. Biodegradable Polymers for Packaging Applications // Journal of Polymer Science. – 2021. – Vol. 59(3). – P. 134–148.