Применение ИК-Фурье спектроскопии для анализа
структурного состава биоразлагаемых полимеров
в школьной проектной работе
Полимерные пленки, предназначением которых является упаковка продуктов питания, по возможности, должны обладать и еще одним важным свойством – сохранять органолептические свойства пищевых продуктов в течение достаточно длительного времени, такие упаковочные материалы получили название «активной упаковки».
В данной работе мной вместе с обучающимися 10-11 классов были проведены эксперименты по исследованию пакетов из различных магазинов (без цели и прав рекламы) для определения их состава и вынесении вердикта об использовании биоразлагаемых полимеров.
ИК–спектроскопия представляет собой метод исследования химических и структурных особенностей органических и неорганических соединений. По спектрам можно определять химическое строение новых соединений, механизм химических реакций, конформация (расположение атомов молекулы полимера в пространстве) цепи полимера, регулярность присоединения звеньев в макромолекуле, тип и энергию межмолекулярных и внутримолекулярных взаимодействий, изучать ориентацию и упорядоченность макромолекул в блоке полимера, а также превращения полимеров при воздействии химических и физических факторов. Главным достоинством этого метода является богатство информации, содержащееся в инфракрасном спектре, избирательность и достаточная быстрота анализа, а также возможность исследовать малые количества вещества.
Инфракрасная область спектра является наиболее протяженной в оптическом диапазоне шкалы электромагнитных волн, поэтому она подразделяется на несколько диапазонов согласно применяемым оптическим материалам, которые должны быть прозрачны в данной области спектра [1]:
область 0,76–2,5 мкм – ближняя инфракрасная область, материал оптики кварц и стекло;
область 2,5–25 мкм – средняя (фундаментальная) инфракрасная область;
область до 25–1000 мкм – далекая инфракрасная область.
Инфракрасная спектроскопия имеет ряд преимуществ, так как позволяет проследить изменение всех основных типов связей в молекулах исследуемых веществ. При использовании инфракрасной спектроскопии для определения качественного и количественного состава природных смесей не происходит разрушение веществ, что позволяет применять их для последующих исследований.
В основе метода ИК-спектроскопии лежит способ определения интенсивности полосы поглощения, основанный на использовании «базовой линии». Выполнение последовательного анализа физического смысла величин, используемых в методе «базовой линии», позволяет убедиться в корректности метода. В частности, показано, что величина определяемого коэффициента поглощения α в пленках, изготовленных по одной и той же технологии, не зависит от уровня «фона». Фон складывается из потерь интенсивности проходящего света, связанных с отражениями на границе воздух-пленка.
Наиболее перспективными для исследования полимером является полилактид (полимолочная кислота) – биоразлагаемый, термопластичный биополимер, мономером которого является молочная кислота. В основном его получают и перерабатывают для медицинских целей (например, для изготовления оболочек таблеток, хирургических нитей, имплантатов и штифтов) [2,3], а также для изготовления упаковочных материалов (одноразовая посуда, средства личной гигиены) и изделий с коротким сроком службы [4,5], способных быстро разлагаться, не создавая проблем для окружающей среды (хорошо перегнивают в почве). Упаковка из полилактида полностью разлагается за 45 дней в условиях промышленного компостинга при определенных требованиях (температура не менее 60°С, определенный уровень влажности, наличие бактерий и др.). В естественных природных условиях процесс деградации может занять большее время (от двух месяцев до двух лет), причем упаковка может разрушиться не полностью, хотя традиционные полимеры сохраняются десятками лет, накапливаясь и загрязняя окружающую среду [6-9].
Полилактид – биоразлагаемый, термопластичный, алифатический полиэфир, мономером которого является молочная кислота.
Рис.1 ИК-спектр пропускания исходного полилактида.
Дальнейшее исследование заключалось в сравнении графика чистого полилактида с графиками различных пакетов:
1. Пакет «Перекрёсток».Изготовитель: ООО ПК «ПластМаркет». 142181, РФ, Моск. Обл., г. Подольск, Фабричный проезд, дом 1, помещение 12.
Изготовитель заявляет, что пакет содержит биоразлагаемые материалы.
Рис. 2 Спектр пакета «Перекрёсток».
2. Пакет «Ашан».Изготовитель: TOV "Rial Isteit F.K.A.U."
Толщина: d=(0,012 ± 0,010)мм
Рис. 3 Спектр пакета «Ашан».
3. Пакет «Семья».Изготовитель: ООО «Бэг-лайн».
Толщина: d=(0,013 ± 0,010)мм
Рис. 4 Спектр пакета «Семья».
4. Мультитул
Толщина: d=(0,024 ± 0,010)мм
Рис. 5 Спектр пакета мультитул.
При сравнении спекров обучающиеся выявили, что все пакеты кроме мультитула сделаны из полилактида. Это можно наблюдать по наложению некоторых пиков спектров. Отличия так же присутствуют. Глубина интенсивного пропускания у пакетов достаточно ниже полилактида, это объясняется различной толщиной образцов, а именно большей толщиной пакетов. Так же явно видно, что часть пиков смещены, это объясняется дополнительными веществами в составе пакетов. Вероятно, это сделано для укрепления состава и их длительной сохранности.
Таким образом, в этой работе обучающиеся изучили один из методов исследования полимерных плёнок и выяснили, что все исследуемые магазины используют биоразлагаемые материалы для создания пластиковых пакетов.
Используемая литература:
- Легонькова О. Биоразлогаемые полимеры, технология их получения и применение // Тара и упаковка. – 2008. – № 1. – С. 25
- Yaszemski M. J. Evolution of bone transplantation: molecular, cellular and tissue strategies to engineer human bone / M. J. Yaszemski, R. G. Payne, W. C. Hayes, R. Langer, A. G. Mikos // Biomaterials, 1996. – V. 17. – №. 2. – P. 268 – 275.
- Большая Медицинская Энциклопедия / под. ред. Б. В. Петровский. – М.: «Советская Энциклопедия», 1978. – Т. 9. – 483 c
- Craver C. D. Applied polymer science 21st century / C. D. Craver, C. E Carraher // Amsterdam; London; New York; Oxford; Paris; Shannon; Tokyo: Elsevier, 2000. – P. 94 – 95.
- Максанова Л. А. Полимерные соединения и их применение: Учебное пособие / Л. А. Максанова, О. Ж. Аюрова. – Улан–Удэ: Изд. ВСГТУ, 2004. – 600 с.
- Pihlajamaki H. Long–term tissue response to bioabsorbable poly–l– lactide and metallic screws: An experimental study / H. Pihlajamaki, O. Bostman, O. Tynninen, O. Laitnen // Bone, 2006. – V. 39. –№. 4. – P. 932 – 937.
- Reddy G. Amylolytic bacterial lactic acid fermentation – A review / G. Reddy, M. Altaf, B. J. Naveena, M. Venkateshwar, E. V. Kumar // Biotechnology Advances, 2008. – Vol. 26. – P. 22 – 34.
- Stein R. S. Polymer recycling: opportunities and limitations / R. S. Stein // Proc. Natl. Acad. Sci, 1992. – V. 89. – P. 835 – 838.
- Методы оценки биоразлагаемости полимерных материалов / О. А. Ермолович, А. В. Макаревич, Е. П. Гончарова, Г. М. Власова // Биотехнология, 2005. – № 4. – С. 47 – 54
