The Ultraviolet Radiation Influence on the Physical-Mechanical and Structural Characteristics of a Biodegradable Polymeric Material Based on Polylactide and Poly(butylene adipate-co-terephthalate) during Compost Storage

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction: The use of biodegradable packaging as an alternative to traditional polymer materials will reduce the amount of synthetic polymers, leading to a decrease in negative environmental impact. Research in this direction is mainly focused on analyzing the rate of degradation of such materials. However, the influence of external factors on degradable plastics, such as radiation, thermal or ultrasonic treatment, before composting storage, is insufficiently studied.Purpose: To study the impact of ultraviolet (UV) radiation on the changes in the physical-mechanical and morphological properties of a biodegradable compound material based on polylactide (PLA) and poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) during laboratory compost storage.Materials and Methods: The purpose of the research was biodegradable polymer films based on a mixture of PLA and PBAT. Changes in strength indicators were conducted according to GOST 14236-2017. Particle size was determined by the bright field method on an Axio Lab. A1 microscope with Axiocam 105 color optics. IR spectra registration was performed on a macro module of the IR-Fourier spectrometer-microscope Bruker Lumos (Germany). Surface analysis of the samples was conducted on a Vega 3 scanning electron microscope (Tescan, Czech Republic).Results: Irradiation of the material before placement in the soil leads to an acceleration of the degradation process: the strength at break of the material decreases by 23.3% faster, and the strength of the welded seams decreases by 70.0%. The analysis of the surface structure of the material after 120 days of storage in compost showed significant changes: numerous cracks were observed on the surface, extending deep into the material almost across the entire surface.Conclusion: The obtained data on the change in the surface structure of the samples after exposure to UV radiation indicates dynamically occurring decomposition processes, creating a real perspective for minimizing environmental risks in the segment of environmental protection related to packaging disposal.Keywords: biodegradable materials, destruction, ultraviolet, composting

About the authors

Dmitriy Mikhailovich Myalenko

All-Russian Dairy Research Institute

Author for correspondence.
Email: d_myalenko@vnimi.org
ORCID iD: 0000-0002-6342-7218

Olga Borisovna Fedotova

All-Russian Dairy Research Institute

Email: o_fedotova@vnimi.org
ORCID iD: 0000-0002-7348-6019

Aleksand Aleksandrovich Agarkov

All-Russian Dairy Research Institute

Email: a_agarkov@vnimi.org
ORCID iD: 0000-0001-7259-4256
SPIN-code: 8058-8865

References

  1. арифулина, Л.И., Ли, Н. И., Гарипов, Р. М., & Миннахметова, А. К. (2019). Биоразложение полимерных пленочных материалов (обзор). Вестник Технологического Университета, 22(1), 47–53.
  2. Заиков, Г.Е. (2000). Почему стареют полимеры. Соросовский образовательный журнал, 12, 48–55.
  3. Кобзева, Т.В., & Юрова, Е. А. (2016). Оценка показателей качества и идентификационных характеристик сухого молока. Молочная промышленность, 3, 32–35.
  4. Кручинин, А.Г., Илларионова, Е.Е., Туровская, С.Н., & Бигаева, А. В. (2023). Исследование влияния белкового профиля на структурно-механические параметры молочных биосистем с промежуточной влажностью. Food Processing Industry, 1, 59–62. https://doi.org/10.52653/PPI.2023.1.1.017
  5. Ольхов, А.А. (2015). Перспективные биоматериалы на основе полигидроксибутирата и двойного этиленпропиленовогосополимера для транспорта физиологических сред: фазовая структура. Перспективные материалы, 10, 56–63.
  6. Пряничникова, Н.С. (2020a). Защитные покрытия для пищевых продуктов. Современные достижения биотехнологии. Техника, технологии и упаковка для реализации инновационных проектов на предприятиях пищевой и биотехнологической промышленности (том 2, с. 86–89). Пятигорск.
  7. Пряничникова, Н.С. (2020b). Съедобная упаковка: транспорт для функциональных и биоактивных соединений. Молочная Река, 4(80), 32–34.
  8. Радаева, И.А., Радаева, И. А., Илларионова, Е. Е., Туровская, С. Н., Рябова, А. Е., & Галстян, А. Г. (2019). Принципы обеспечения качества отечественного сухого молока. Пищевая промышленность, 9, 54–57.
  9. http://doi.org/10.24411/0235–2486-2019–10145
  10. Саликов П.Ю. (2014). Пиролизная утилизация использованных изделий из полиэтилентерефталата. Экология и промышленность России, 3, 16–20.
  11. Фильчакова С. А. (2008). Санитария и гигиена на предприятиях молочной промышленности. ДеЛи принт.
  12. Фильчакова, С.А. (2008). Микробиологическая чистота упаковки для молочных продуктов. Молочная промышленность, 7, 44–46.
  13. Юрова, Е.А. (2019). Оценка качества и хранимоспособности молочных продуктов функциональной направленности. Milk Branch Magazine, 10, 6–11. https://doi.org/ 10.33465/2222–5455-2019–10-6–10
  14. Юрова, Е.А. (2020). Особенность определения содержания витамина Е (токоферолов) в молочных продуктах функциональной направленности. Продовольственная безопасность, 12, 36–39.
  15. http://doi.org/10.24411/0235–2486-2020–10141
  16. Ailes, A., & Abigail, N. M. (2013). Expanding bioplastics: Sustainable business innovation in the chemical industry. Journal of Cleaner Production 45, 38–49.
  17. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2012.05.008
  18. Aversa, C., Barletta, M., Cappiello, G., & Gisario, A. (2022). Compatibilization strategies and analysis of morphological features of poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT)/poly(lactic acid) PLA blends: A state-of-art review. European Polymer Journal, 173, 111304.
  19. https://doi.org/10.1016/J.EURPOLYMJ.2022.111304
  20. Barron, A., & Sparks, T. D. (2020). Commercial marine-degradable polymers for flexible packaging. IScience, 23(8).
  21. https://doi.org/10.1016/J.ISCI.2020.101353
  22. Bocchini, S., Fukushima, K., Blasio, A. Di, Fina, A., Frache, A., & Geobaldo, F. (2010). Polylactic acid and polylactic acid-based nanocomposite photooxidation. Biomacromolecules, 11(11), 2919–2926. https://doi.org/10.1021/bm1006773
  23. Brdlík, P., Borůvka, M., Běhálek, L., & Lenfeld, P. (2022). The influence of additives and environment on biodegradation of PHBV biocomposites. Polymers, 14(4), 838.
  24. https://doi.org/10.3390/polym14040838
  25. Dammak, M., Fourati, Y., Tarrés, Q., Delgado-Aguilar, M., Mutjé, P., & Boufi, S. (2020). Blends of PBAT with plasticized starch for packaging applications: Mechanical properties, rheological behaviour and biodegradability. Industrial Crops and Products, 144, 112061. https://doi.org/10.1016/J.INDCROP.2019.112061
  26. Dilkes-Hoffman, L. S., Lant, P. A., Laycock, B., & Pratt, S. (2019). The rate of biodegradation of PHA bioplastics in the marine environment: A meta-study. Marine Pollution Bulletin, 142, 15–24. https://doi.org/10.1016/J.MARPOLBUL.2019.03.020
  27. Dobrov, E. N., Arbieva, Z. K., Timofeeva, E. K., Esenaliev, R. O., Oraevsky, A. A., & Nikogosyan, D. N. (1989). UV Laser induced rna-protein crosslinks and rna chain breaks in tobacco mosaic virus RNA in situ. Photochemistry and Photobiology, 49(5), 595–598.
  28. https://doi.org/10.1111/j.1751–1097.1989.tb08429.x
  29. Gardette, M., Thérias, S., Gardette, J.-L., Murariu, M., & Dubois, P. (2011). Photooxidation of polylactide/calcium sulphate composites. Polymer Degradation and Stability, 96(4), 616–623. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2010.12.023
  30. Gewert, B., Plassmann, M., Sandblom, O., & Macleod, M. (2018). Identification of chain scission products released to water by plastic exposed to ultraviolet light. Environmental Science and Technology Letters, 5(5), 272–276.
  31. https://doi.org/10.1021/acs.estlett.8b00119
  32. Janczak, K., Dąbrowska, G. B., Raszkowska-Kaczor, A., Kaczor, D., Hrynkiewicz, K., & Richert, A. (2020). Biodegradation of the plastics PLA and PET in cultivated soil with the participation of microorganisms and plants. International Biodeterioration & Biodegradation, 155, 105087.
  33. https://doi.org/10.1016/J.IBIOD.2020.105087
  34. Janorkar, A. V., Metters, A. T., & Hirt, D. E. (2007). Degradation of poly(L-lactide) films under ultraviolet-induced photografting and sterilization conditions. Journal of Applied Polymer Science, 106(2), 1042–1047. https://doi.org/10.1002/app.24692
  35. Jian, J., Xiangbin, Z., & Xianbo, H. (2020). An overview on synthesis, properties and applications of poly(butylene-adipate-co-terephthalate)–PBAT. Advanced Industrial and Engineering Polymer Research, 3(1), 19–26.
  36. https://doi.org/10.1016/J.AIEPR.2020.01.001
  37. Kale, G., Auras, R., & Singh, S. P. (2007). Comparison of the degradability of poly(lactide) packages in composting and ambient exposure conditions. Packaging Technology and Science, 20(1), 49–70. https://doi.org/10.1002/PTS.742
  38. Kale, G., Auras, R., Singh, S. P., & Narayan, R. (2007). Biodegradability of polylactide bottles in real and simulated composting conditions. Polymer Testing, 26(8), 1049–1061.
  39. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2007.07.006
  40. Kalita, N. K., Bhasney, S. M., Mudenur, C., Kalamdhad, A., & Katiyar, V. (2020). End-of-life evaluation and biodegradation of Poly(lactic acid) (PLA)/Polycaprolactone (PCL)/Microcrystalline cellulose (MCC) polyblends under composting conditions. Chemosphere, 247, 125875.
  41. https://doi.org/10.1016/J.CHEMOSPHERE.2020.125875
  42. Kiruthika, A. V. (2022). PHBV based blends and composites. In Biodegradable Polymers, blends and composites (pp. 283–308). Elsevier.
  43. https://doi.org/10.1016/B978–0-12–823791-5.00008–9
  44. Lee, J., Maddipatla, M. V. S. N., Joy, A., & Vogt, B. D. (2014). Kinetics of UV irradiation induced chain scission and cross-linking of coumarin-containing polyester ultrathin films. Macromolecules, 47(9), 2891–2898.
  45. Lunt, J. (1998). Large-scale production, properties and commercial applications of polylactic acid polymers . Polym. Degrad. Stab., 59, 145–152.
  46. https://doi.org/10.1016/S0141–3910(97)00148–1
  47. Miranda, T. M. R., Gonçalves, A. R., & Amorim, M. T. P. (2001). Ultraviolet-induced crosslinking of poly(vinyl alcohol) evaluated by principal component analysis of FTIR spectra. Polymer International, 50(10), 1068–1072.
  48. https://doi.org/10.1002/pi.745
  49. Oster, G., Oster, G. K., & Moroson, H. (1959). Ultraviolet induced crosslinking and grafting of solid high polymers. Journal of Polymer Science, 34(127), 671–684. https://doi.org/10.1002/pol.1959.1203412744
  50. Ponjavic, M., Malagurski, I., Lazic, J., Jeremic, S., Pavlovic, V., Prlainovic, N., Maksimovic, V., Cosovic, V., Atanase, L. I., Freitas, F., Matos, M., & Nikodinovic-Runic, J. (2023). Advancing PHBV biomedical potential with the incorporation of bacterial biopigment prodigiosin. International Journal of Molecular Sciences, 24(3), 1906. https://doi.org/10.3390/ijms24031906
  51. Puchalski, M., Szparaga, G., Biela, T., Gutowska, A., Sztajnowski, S., & Krucińska, I. (2018). Molecular and supramolecular changes in Polybutylene Succinate (PBS) and Polybutylene Succinate Adipate (PBSA) copolymer during degradation in various environmental conditions. Polymers, 10(3), 251.
  52. https://doi.org/10.3390/POLYM10030251
  53. Reichert, C. L., Bugnicourt, E., Coltelli, M. B., Cinelli, P., Lazzeri, A., Canesi, I., Braca, F., Martínez, B. M., Alonso, R., Agostinis, L., Verstichel, S., Six, L., De Mets, S., Gómez, E. C., Ißbrücker, C., Geerinck, R., Nettleton, D. F., Campos, I., Sauter, E., Pieczyk, P., Schmid, M. (2020). Bio-based packaging: Materials, modifications, industrial applications and sustainability. Polymers, 12(7), 1558. https://doi.org/10.3390/POLYM12071558
  54. Tertyshnaya, Y. V., & Podzorova, M. V. (2020). Effect of UV irradiation on the structural and dynamic characteristics of polylactide and its blends with polyethylene. Russian Journal of Physical Chemistry B, 14(1), 167–175.
  55. https://doi.org/10.1134/S1990793120010170
  56. Van den Oever, M., & Molenveld, K. (2017). Replacing fossil based plastic performance products by bio-based plastic products — Technical feasibility. New Biotechnology, 37, 48–59. https://doi.org/10.1016/j.nbt.2016.07.007
  57. Van Velzen at all. (2016). Recycling efficiency of used plastic packaging. Proceedings of the 32nd International Conference of the Society for the Processing of Polymers, Lyon, France. The Digital Book of Abstracts.
  58. Wang, L., Xu, J., Zhang, M., Zheng, H., & Li, L. (2022). Preservation of soy protein-based meat analogues by using PLA/PBAT antimicrobial packaging film. Food Chemistry, 380, 132022. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.132022
  59. Weng, Y. X., Jin, Y. J., Meng, Q. Y., Wang, L., Zhang, M., & Wang, Y. Z. (2013). Biodegradation behavior of poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT), poly(lactic acid) (PLA), and their blend under soil conditions. Polymer Testing, 32(5), 918–926. https://doi.org/10.1016/J.POLYMERTESTING.2013.05.001
  60. Yousif, B. F. (2013). Editorial for SI: Materials, design and tribology. Materials & Design, 48, 1. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2013.01.009
  61. Yousif, E., & Haddad, R. (2013). Photodegradation and photostabilization of polymers, especially polystyrene: Review. SpringerPlus, 2(1), 1–32.
  62. https://doi.org/10.1186/2193–1801-2–398/FIGURES/49

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».