Structural features and morphology of biodegradable composites based on polylactide and corn starch

Abstract

Целью работы было изучение морфологии и структурных особенностей биоразлагаемых композитов на основе полилактида, наполненного кукурузным крахмалом, формируемых экструзионным методом. Характеристики полученных материалов были исследованы сканирующей электронной микроскопией, рентгенографией, ИК спектроскопией. Установлено, что присутствие в исходной смеси пластификатора полиэтиленгликоля ПЭГ-4000 и поверхностно-активного вещества — глицерин моностеарата ведет к формированию беспористой гетерогенной системы, в которой частицы крахмала статистически распределены в матрице полилактида, Концентрацию крахмала в составе композита варьировали от 20 до 55 мас. % При увеличении концентрации крахмала до предельных значений происходит агломерация частиц наполнителя и резкое ухудшение — механических свойств композита. Исследование образцов методом РФ показало, что исходный полилактид фактически не имеет кристаллической фазы, а при введении в состав композита полиэтиленгликоля и крахмала на дифрактограмме наблюдаются интенсивные рефлексы, которые, скорее всего, являются суперпозицией двух отражений - от крахмала и кристаллической фазы полилактида. Анализ влияния ПЭГ и крахмала на структуру композита проводили с использованием метода ИК-спектроскопии. Новых полос в спектре композита по сравнению со спектром исходного полилактида не обнаружено, что свидетельствует об отсутствии химического взаимодействия между компонентами. Наиболее интенсивные полосы в обоих образцах расположены в области 1200-1750 cм-1 и относятся к валентным колебаниям связей С-О (С-О-С и/или C-O(H)), а также к валентным колебаниям связей С-С, т.е. на поверхности образцаприсутствует только полилактид, а поверхность композита представляет собой, пластифицированный полимер, с вкраплениями частиц крахмала, покрытых пленкой полилактида. Кроме того, в ИК-спектре композита полоса, соответствующая валентным колебаниям связанных гидроксильных групп (3200 — 3500 cм-1), имеет значительно большую интенсивность и ширину, что указывает на дополнительный вклад ОН-групп, присутствующих в молекуле ПЭГ. Испытания на биоразлагаемость, проведенные в соответствии с международным стандартом ISO 16929:2013 показали, что полученные материалы подвергаются полному химическому и биологическому разрушению в компосте в течение 5-6 месяцев.

The aim of the work was to study the morphology and structural features of biodegradable composites based on polylactide, filled with corn starch formed by extrusion method. The characteristics of the obtained materials were investigated by scanning electron microscopy, X-ray diffraction, IR spectroscopy. It was established that the presence of polyethylene glycol PEG–4000 as a plasticizer and surfactant – glycerin monostearate in the initial mixture leads to the formation of a nonporous heterogeneous system, in which starch particles are statistically distributed in the matrix. The starch concentration in the composite varied from 20 to 55 wt. %. When the starch concentration increases to the limit values, agglomeration of filler particles occurs and a sharp deterioration in the mechanical properties of the composite. The XRD analysis of the samples showed that the initial PLA does not actually have a crystalline phase, and when PEG and starch are introduced into the composite, intense reflexes are observed on the diffractogram, which are most likely a superposition of two reflections - from the starch and the crystalline phase of the polylactide. The effect of PEG and starch on the composite structure was analyzed using the IR spectroscopy method. No new bands were found in the spectrum of the composite compared to the IR spectrum of the original polylactide, which indicates the absence of chemical interaction between the components. The most intense bands in both samples are located in the region of 1200-1750 cm–1 and relate to the valence vibrations of C–O bonds (C–O–C and / or C–O(H)), as well as to the valence vibrations of C–C bonds, i.e. only polylactide is present on the surface of the sample, and the surface. The composite is a plasticized polylactide, interspersed with starch particles coated with a polymer film. In addition, in the IR spectrum of the composite, the band corresponding to the valence vibrations of bound hydroxyl groups (3200–3500 cm–1) has a significantly higher intensity and width, which indicates an additional contribution of OH- groups present in the PEG molecule. Biodegradability tests conducted in accordance with the international standard ISO 16929:2013 showed that the obtained materials undergo complete chemical and biological destruction in compost within 5–6 months.