Cite this article as:

Malinkina О. N., Shipovskaya A. B., Grebenyuk L. V., Stepanov M. Y., Papkina V. Y. Properties, Soil Degradation and Fitotoxicity of Starch Composites with Polyvinyl Alcohol. Izvestiya of Saratov University. New series. Series: Chemistry. Biology. Ecology, 2018, vol. 18, iss. 1, pp. 25-?. DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9775-2018-18-1-25-35


Heading: 

Properties, Soil Degradation and Fitotoxicity of Starch Composites with Polyvinyl Alcohol

Abstract

Composite films were obtained from a mixture of starch, polyvinyl alcohol, and a plasticizing additive based on aspartic acid. The surface morphology, structural features of the composites, and their behavior in a polythermic mode were studied by scanning electron microscopy, X-ray diffractometry, IR spectroscopy, differential thermal and thermogravimetric analysis. Only carbon dioxide was detected in the gaseous products of thermal decomposition of the samples. The sorption and physico-mechanical properties of our composite films were analyzed. Both air-dry and wet films show the properties of viscoelastic materials with satisfactory mechanical properties and can be considered as promising packaging materials. In vitro degradation of our composites was studied in microecosystems by using commercial Soiliger-Agro™ soils and the soil from the Saratov municipal rubbish landfills. It has revealed that the composite films were completely destroyed within 180–185 days of exposure, which meets modern requirements for biodegradable materials. No correlation between the destruction dynamics of our composites and the soil properties was found. The soils after composite degradation were biotested by using cress-salad, wheat and radish seeds. The phytotoxicity of the soils with the composite degradation products corresponded to the safety standard for plant organisms.

References

1. Прудникова С. В., Виноградова О. Н., Трусова М. Ю. Особенности бактериальной биодеградации полигидроксиалканоатов разной химической структуры в почве // Докл. АН. 2017. Т. 473, № 2. С. 229–232. 

2. Vinogradova O. N., Syrvacheva D. A. Laboratory research of degradation of polyhydroxyalkanoates of different chemical structure in soil // J. Siberian Federal University. Biology. 2015. Vol. 8, № 2. P. 210–219. 

3. Билибин А. Ю., Зорин И. М. Деструкция полимеров, ее роль в природе и современных медицинских техноло- гиях // Успехи химии. 2006. Т. 75, № 2. С. 1515–165. 

4. Kiselev E. G., Shishatsky O. N., Sinskey A. J. Technical and technological foundation of the production of degradable polyhydroxyalkanoates // J. Siberian Federal University. Biology. 2012. Vol. 5, № 3. P. 300–310. 

5. БаловА. В., АшпинаО.Мировой рынок биополимеров // The Chemical Journal. 2012. March. P. 48–53. URL: http: //tcj.ru/wp-content/uploads/2013/12/2012_3_48-54_ conjuctura.pdf (дата обращения: 12.12.2017). 

6. Суворова А. И., Тюкова И. С., Смирнова Е. А., Тымчишина Н. М. Реологические свойства смесей тройного сополимамида 6/66/610 с хитозаном // ЖПХ. 2005. Т. 78, вып. 6. С. 989–992. 

7. Роговина С. З., Грачев А. В., Алексанян К. В., Прут Э. В. Исследование термостабильности смесей на основе синтетических полимеров и природных полисахаридов // Химия растительного сырья. 2010. № 4. С. 45–50. 

8. Смирнов В. Ф., Мочалова А. Е., Смирнова О. Н., Захарова Е. А., Кряжев Д. В., Смирнова Л. А. Деструкция микромицетами композиционных материалов на основе природных и синтетических полимеров // Поволж. экол. журн. 2011. № 4. С. 537–541. 

9. Пантюхов П. В., Монахова Т. В., Попов А. А., Русанова С. Н. Композиционные материалы на основе полиэтилена и лигноцеллюлозных наполнителей. Структура и свойства // Вест. Казан. технол. ун-та. 2012. № 13. С. 177–182. 

10. Тер-Акопов С. Г., Гусев А. А., Балыбин Д. В. Современ- ное состояние, проблемы и тенденции развития отрасли производства биополимерных лигнинсодержащих материалов // Вест. Тамб. ун-та. Сер. Естественные и технические науки. 2013. Т. 18, вып. 5. С. 2940–2945. 

11. Суворова А. И., Тюкова И. С., Труфанова Е. И. Биоразлагаемые полимерные материалы на основе крах- мала // Успехи химии. 2000. Т. 69, № 5. С. 494–504. 

12. Molavi H. A review on biodegradable starch based fi lm // J. Microbiol., Biotechnol. Food Sci. 2015. Vol. 4, № 5. P. 456–459. 

13. Биоразлагаемые полимерные смеси и композиты из возобновляемых источников / под ред. Ю. Лонг ; пер. с англ. СПб. : Науч. основы и технол., 2013. 464 с. 

14. Базунова М. В., Прочухан Ю. А. Способы утилизации отходов полимеров // Вестн. Башкир. ун-та. 2008. Т. 13, № 4. С. 875–885. 

15. Park H. R. Properties of starch/PVA blend fi lms containing citric acid as additive // J. Polym. Environ. 2005. Vol. 13, № 4. P. 375–382. 

16. Tudorachi N. Testing of polyvinyl alcohol and starch mixtures as biodegradable polymeric materials // Polym. Test. 2000. Vol. 19, № 7. P. 785–799. 

17. Aydına A. A., Ilberg V. Effect of different polyol-based plasticizers on thermal properties of polyvinyl alcohol : starch blends // Carbohyd. Polym. 2016. Vol. 136. P. 441–448. 

18. Вel Sol González-Forte L., Pardini O.R., Amalvy J. I. Starch / polyvinyl alcohol blends containing polyurethane as plasticizer // J. Compos. Biodegrad. Polym. 2016. Vol. 4, № 1. P. 2–10. 

19. Папкина В. Ю., Перепонова Е. А., Малинкина О. Н., Шиповская А. Б. О возможности получения биоразлагаемых композиционных материалов на основе крахмала и L-аспарагиновой кислоты // Методы компьютерной диагностики в биологии имедицине – 2015 : материалы Всерос. шк.-семинара. Саратов : Сарат. источник, 2015. С. 196–198. 

20. Папкина В. Ю., Перепонова Е. А., Малинкина О. Н., Шиповская А. Б. О возможности получения биоразру- шаемых упаковочных материалов на основе крахмала и L-аспарагиновой кислоты // Пищевые технологии и биотехнологии – 2016 : сб. науч. тр. XV Междунар. конф. молодых ученых. Казань : Бриг, 2015. С. 331–333. 

21. Папкина В. Ю., Перепонова Е. А., Малинкина О. Н., Шиповская А. Б. Биоразлагаемая крахмалсодержащая ненаполненная матрица // Физикохимия процессов переработки полимеров : сб. науч. тр. VI Всерос. науч. конф. с междунар. участием. Иваново : Иван. изд. дом, 2016. С. 144. 

22. EN 13432: 2000 Packaging – Requirements for packaging recoverable through composting and biodegradation – Test scheme and evaluation criteria for the fi nal acceptance of packaging [ГОСТ Р 54530-2011. Ресурсосбережение. Упаковка. Требования, критерии и схема утилизации упаковки посредством компостирования и биологи- ческого разложения (введ. впервые с 01.01.2013). М. : Стандартинформ, 2014. 18 с.]

23. OECD, Test No 208:2006, IDT – Terrestrial Plant Test - Seedling Emergence and Seedling Growth Test [ГОСТ 33061-2014. Методы испытаний химической продук- ции, представляющей опасность для окружающей среды. Наземные растения : тест на всхожесть семян и развитие проростков (введ. впервые с 01.08.2015). М. : Стандартинформ, 2015. 20 с.]. 

24. Папкина В. Ю., Малинкина О. Н., Шиповская А. Б. Физико-механические свойства пленок на основе крахмала L-аспарагиновой кислоты // Современные проблемытеоретической и экспериментальной химии : межвуз. сб. науч. тр. XI Всерос. конф. молодых ученых с междунар. участием. Саратов : Сарат. источник, 2016. С. 88–90. 

25. ГОСТ 26213-91 Почвы. Методы определения органического вещества. Взамен ГОСТ 26213-84с 01.07.1993. М. : Изд-во стандартов, 1993. 6 с. 

26. Винокуров А. Ю., Коптелова Е. К., Лукин Н. Д., Канарский А. В., Водяшкин А. А., Заболотский А. И. Морфологические, структурные и реологические свойства катионированного в водной суспензии крахмала // Вестн. технол. ун-та. 2015. Т. 18, № 19. С. 135–140. 

27. Бутрим С. М., Бильдюкевич Т. Д., Бутрим Н. С., Юркштович Т. Л. Окисление картофельного крах- мала в системе оксид азота (IV) – индифферентный растворитель // Химия и хим. технология. 2008. Т. 51, вып. 2. С. 73–77. 

28. Голуб Н. В., Костерова Р. И., Алиновская В. А., Беляев С. А., Юркштович Т. Л. Получение, структура и свойства гидрогелей фосфатов крахмала // Вестн. БГУ. Сер. 2. 2008. № 3. С. 29–33. 

29. Просанов И. Ю., Булина Н. В., Герасимов К. Б. Комплексы поливинилового спирта с нерастворимыми неорганическими соединениями // Физика твердого тела. 2013. Т. 55, № 10. C. 2016–2019. 

30. Мусская О. Н., Кулак А. И., Крутько В. К., Уласевич С. А., Лесникович Л. А., Суходуб Л. Ф. Пленочные композиционные материалы на основе гидроксиапатита и поливинилового спирта // J. Nano-Electron. Phys. 2015. Vol. 7, № 1. Р. 01022-1–01022-5. 

31. Чихачева И. П., Зубов В. П., Кузьмичева Г. М., Кубракова И. В., Торопченова Е. С., Пуряеева Т. П. Влияние микроволнового излучения на фазовое состояние и свойства поливинилового спирта // Химия и хим. технология. 2010. Т. 53, вып. 3. С. 93–97.

Short text (in English): 
Full text (in Russian):