ВЛИЯНИЕ СООТНОШЕНИЯ ХИТОЗАНА И ПВС НА ВИЗУАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТНЫХ ПЛЁНОК

АННОТАЦИЯ

В данной работе представлены результаты получения композиционных плёнок на основе хитозана и поливинилового спирта (ПВС), направленные на исследование влияния соотношения полимеров на визуальные свойства материалов. Хитозан растворяли в 3% растворе уксусной кислоты, а ПВС в дистиллированной воде при нагревании. Композиционные плёнки формировали методом литья раствора при различных соотношениях ХЗ/ПВС при общем объёме 10 мл. Для полученных образцов проведена визуальная оценка прозрачности, гибкости и однородности структуры. Установлено, что увеличение содержания ПВС в композиции способствует улучшению внешних характеристик плёнок, делая их более прозрачными и эластичными по сравнению с чистым хитозаном. Полученные результаты подтверждают перспективность применения композиций ХЗ/ПВС для создания биополимерных плёночных материалов. Работа может представлять интерес для разработки биоразлагаемых упаковочных и функциональных плёнок.

ABSTRACT

This work presents the results of obtaining composite films based on chitosan and polyvinyl alcohol (PVA), aimed at studying the influence of polymer ratio on the visual properties of the material. Chitosan was  dissolved in a 3% acetic acid solution, while PVA was dissolved in distilled water under heating. Composite films were prepared by solution casting at different Chitosan/PVA ratios with a total casting volume of 10 mL. The obtained samples were  visually evaluated in terms of transparency, flexibility, and surface uniformity. It was  found that increasing the PVA content in the composition improves the external characteristics of the films, making them more transparent and elastic compared to pure chitosan. The results confirm the potential of Chitosan/PVA compositions for creating biopolymer film materials. The study may be of interest for the development of biodegradable packaging and functional coating films.

Ключевые слова: хитозан, поливиниловый спирт, композиционные плёнки, визуальные свойства, биоразлагаемые материалы, пленкообразование,  модификация полимеров,  экологичные покрытия.

Keywords: chitosan, polyvinyl alcohol, composite films, visual properties, biodegradable films, biopolymer materials,  film casting,  polymer modification, eco-friendly coatings.

Введение

Хитозан представляет собой биополимер, получаемый путём деацетилирования хитина - одного из наиболее распространённых природных полисахаридов. Благодаря биосовместимости, биоразлагаемости, низкой токсичности, плёнообразующим и хелатирующим свойствам он рассматривается как перспективный материал для медицинских, биотехнологических и экологических применений [1,2]. В настоящей работе использован хитозан, выделенный из куколок Bombyx mori, что обеспечивает экологичность и доступность сырьевой базы, а также уменьшает себестоимость материала. Производство плёнок на основе чистого хитозана и их модифицированных форм привлекает значительное внимание исследователей, поскольку позволяет целенаправленно улучшать их биологические и физико-механические свойства. Несмотря на наличие литературных данных, создание композиционных плёнок с оптимальными характеристиками остаётся актуальным направлением, особенно в области пищевой упаковки [3]. Тем не менее, чистый хитозан обладает низкой механической прочностью, растворяется преимущественно в кислой среде и теряет антибактериальную активность при pH > 6,5. Для преодоления этих ограничений применяется модификация ХЗ путем смешивания с другими полимерами - желатином, полимолочной кислотой (PLA), поливиниловым спиртом (ПВС) и др. По данным различных исследований, добавление полимеров-модификаторов способствует улучшению механических и барьерных свойств хитозановых плёнок [4,5]. ПВС является водорастворимым, биосовместимым и биоразлагаемым синтетическим полимером, обладающим высокой плёнкообразующей способностью, механической прочностью и устойчивостью в кислых и щелочных средах. Благодаря совместимости ХЗ и ПВС между их функциональными группами формируются водородные связи, что повышает прочность, гибкость и эластичность получаемых композиций. Кроме того, добавление ПВС снижает проницаемость плёнок для кислорода и запахов, повышает устойчивость к растворителям и маслам [6,7].

Многочисленные исследования подтверждают эффективность совместного использования ХЗ и ПВС - наблюдается усиление механических свойств, увеличение удлинения при разрыве и улучшение визуальных характеристик плёнок [8]. Композитные материалы на их основе рассматриваются как перспективные для производства упаковочных материалов, биоплёнок и сорбционных систем [9].

Целью работы является получение композиционных плёнок на основе хитозана и поливинилового спирта с различным соотношением компонентов и анализ их визуальных характеристик (прозрачности, гибкости, однородности поверхности) для оценки пригодности к практическому применению.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Хитозан выделенный  из куколок  Bombyx  mori (Mw- 120 кДа, СД-78%) и поливиниловый спирт (Mw-50 кДа, Япония)  были использованы для получения композиционных плёнок. В качестве растворителя применялась 3% уксусная кислота (CH₃COOH), дистиллированная вода  для растворения ПВС.

Приготовление формовочных растворов: Для приготовления раствора хитозана 1 г полимера растворяли в 100 мл 3% уксусной кислоты. Смесь перемешивали на магнитной мешалке при комнатной температуре в течение 6 часов до получения однородного раствора. Концентрация готового раствора хитозана составляла примерно 1% (w/v). Раствор ПВС готовили растворением 5 г полимера в 100 мл дистиллированной воды при температуре 80-90 °C при постоянном перемешивании до полного растворения. Конечная концентрация раствора ПВС составляла около 5% (w/v).

Получение композиционных плёнок: Композиционные плёнки на основе хитозана и поливинилового спирта получали методом литья, широко применяемым для формирования биополимерных покрытий  [10,11].

Для каждого образца готовили смеси растворов  хитозана и ПВС, с общим объёмом 10 мл при различных соотношения компонентов хитозан/ПВС: 100:0; 80:20; 75:25; 67:33; 60:40; 50:50. Каждую смесь тщательно перемешивали вручную для получения равномерной текстуры и предотвращения образования сгустков. Затем растворы выливали в стерильные чашки Петри на ровную горизонтальную поверхность, обеспечивая одинаковую толщину распределения смеси. Сушка плёнок проводилась при комнатной температуре без дополнительного нагревания в течение 48 часов. Высушивание при естественных условиях позволяет избежать резкого испарения растворителя и образования трещин. После завершения сушки плёнки рассматривались визуально непосредственно в чашках Петри.  Плёнки анализировали визуально, оценивая прозрачность, гибкость и наличие или отсутствие поверхностных дефектов.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В ходе исследования были успешно получены шесть образцов композиционных плёнок на основе хитозана и поливинилового спирта. Все образцы характеризовались однородной структурой и равномерным формированием по поверхности чашек  Петри.  Результаты  визуальной оценки композиционных плёнок ХЗ/ПВС представлены в табл.1.

Таблица 1.

Визуальные характеристики композиционных плёнок ХЗ/ПВС

Установлено, что изменения внешнего вида и физико-механических свойств плёнок зависят от содержания ПВС в композиции что согласуется с результатами ранее опубликованных  исследований [10,12]. Изменение морфологии плёнок зависело от содержания ПВС. У чистого хитозана наблюдались хрупкость и матовая поверхность. Добавление ПВС повышало прозрачность, однородность структуры и гибкость плёнок. Максимальные улучшения отмечены для составов 60:40 и 50:50  где образцы имели  наибольшую пластичность и прозрачность.

Из таблицы 1 видно, что свойства плёнок меняются в зависимости от соотношения ХЗ/ПВС. Чистый хитозан даёт более хрупкую плёнку тогда как добавление ПВС повышает прозрачность, гибкость и однородность поверхности. Наиболее выраженные положительные визуальные характеристики отмечены у образцов с соотношениями 60:40 и 50:50.

ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные данные показывают, что увеличение доли поливинилового спирта в композиции способствует улучшению визуальных характеристик плёнок. Наблюдается, что добавление ПВС снижает хрупкость и повышает пластичность материала по сравнению с чистым хитозаном. Это связано с тем, что поливиниловый спирт, обладая высокой гибкостью и способностью формировать водородные связи, улучшает взаимодействие макромолекул в полимерной матрице. Чистый хитозан (100:0) сформировал жёсткую плёнку с выраженной ломкостью по краям, что согласуется с литературными данными, указывающими на недостаточную эластичность природного полисахарида без модифицирующих добавок. Введение ПВС в концентрации 20-25% привело к уменьшению визуальных дефектов увеличению прозрачности и повышению однородности структуры. Наиболее значительное изменение морфологии наблюдалось при соотношениях 60:40 и 50:50: данные образцы характеризовались высокой однородностью отсутствием крупных поверхностных напряжений и хорошим внешним блеском. Такие результаты подтверждают формирование композиционной структуры и возможное наличие межмолекулярного взаимодействия между аминогруппами хитозана и гидроксильными группами ПВС. Соотношение 67:33 показало повышенную пластичность, а также способность плёнки отделяться от подложки без разрушения. Это указывает на формирование оптимального структурного распределения между природным и синтетическим полимерами. Таким образом, экспериментально установлено, что увеличение доли ПВС способствует повышению эластичности, улучшению плёнкообразующих свойств и формированию более стабильной композиционной структуры. Наблюдаемые результаты согласуются с литературными данными, где отмечается положительное влияние ПВС на механическую прочность и гибкость биополимеров на основе хитозана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведённого исследования успешно получены композиционные плёнки на основе хитозана и поливинилового спирта методом растворного литья. Установлено, что увеличение доли ПВС в композиции повышает прозрачность, эластичность и однородность поверхности плёнок по сравнению с чистым хитозаном. Наилучшие характеристики получены при соотношениях 60:40  и  50:50. Это подтверждает эффективность ПВС как модифицирующего компонента для улучшения плёнкообразующих свойств хитозана.  Полученные результаты позволяют рассматривать плёнки на основе хитозана и ПВС как перспективные материалы для применения в различных технологических направлениях, требующих экологичных,  гибких и  доступных биополимерных покрытий.

Список литературы:

1. Morin-Crini N., Lichtfouse E., Torri G. et al. Applications of chitosan in food, pharmaceuticals, medicine, cosmetics, agriculture, textiles, pulp and paper, biotechnology, and environmental chemistry // Environmental Chemistry Letters. — 2019. — Vol. 17. — P. 1667–1692.
2. Bhardwaj N., Kundu S.C. Electrospinning: a fascinating fiber fabrication technique // Biotechnology Advances. — 2010. — Vol. 28. — No. 3. — P. 325–347.
3. Mujtaba M., Morsi R.E., Kerch G., Elsabee M.Z., Kaya M., Labidi J., Khawar K. Current advancements in chitosan-based film production for food technology: A review // International Journal of   Biological  Macromolecules. — 2019. — Vol. 121. — P. 889–904.
4.  Abu-Saied M.A., Wycisk R., Abbassy M.M., Abd El-Naim G., El-Demerdash F.E., Youssef M.E., Bassuony H., Pintauro P.N. Sulfated chitosan/PVA absorbent membrane for removal of copper and nickel ions from aqueous solutions: fabrication and sorption studies // Carbohydrate Polymers. – 2017. – Vol. 165. – P. 149–158.
5. Rogovina S.Z., Vikhoreva G.A. Polysaccharide-Based Polymer Blends: Methods of Their Production // Glycoconjugate Journal. — 2006. — Vol. 23. — P. 611–618.
6. Varma R., Vasudevan S. Synthesis of composite films using polymer blends of chitosan and cellulose nanocrystals from marine origin // Journal of Materials Science: Materials in Engineering. — 2024. — Vol. 19, Article №6
7. Khani F.M.R., Naseri M., Babaei S., Hosseini S.H.M., Valizadeh Sh. Cumin essential oil-infused chitosan–PVA composite coatings: An innovative approach for developing antimicrobial, antioxidant and functionalized polyethylene films // International Journal of Biological Macromolecules. – 2025. – Vol. 322, Part 2. – Article 145270.
8. Jasrotia S., Gupta S., Kudipady M.L., Puttaiahgowda Y.M. Development and characterization of chitosan–PVA–tannic acid film for extended shelf life and safety of food products // ACS Omega. — 2025. — Vol.10(9). — P.19361–19378.
9. Constantin M., Lupei M., Bucatariu S.-M., Pelin I., Doroftei F., Ichim D.L., Daraba O.M., Fundueanu G. PVA/Chitosan Thin Films Containing Silver Nanoparticles and Ibuprofen for the Treatment of Periodontal Disease // Polymers. – 2023. – Vol. 15, №1. – Article 4.
10.  Casey L.S., Wilson L.D. Investigation of chitosan–PVA composite films and their adsorption properties // Journal of Geoscience and Environment Protection. — 2015. — Vol. 3. — P. 78–84.
11. Abdullah A.M., Aziz S., Brza M.A., Saeed S.R., Al-Asbahi B.A., Sadiq N.M., Ahmed A.A.A., Murad A.R. Glycerol as an efficient plasticizer to increase the DC conductivity and improve the ion transport parameters in biopolymer based electrolytes: XRD, FTIR and EIS studies // Arabian Journal of Chemistry. — 2022. — Vol. 15. — Article ID 103791.
12.  Liu Y., Wang S., Lan W. Fabrication of antibacterial chitosan–PVA blended film using electrospray technique for food packaging applications // International Journal of Biological Macromolecules. — 2018. — Vol. 107. — P. 848–854