УНИВЕРСАЛЬНАЯ ДОБАВКА, ИНИЦИИРУЮЩАЯ РАЗЛОЖЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ, И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
POLYMER DECOMPOSITION INITIATING UNIVERSAL ADDITIVE AND METHOD OF PRODUCING SAID ADDITIVE

Изобретение относится к химической и пищевой промышленности, в частности к получению биоразлагаемых пластмасс, и может быть использовано для изготовления формованных или пленочных изделий различного назначения, в том числе пищевого.
Известны композиции, включающие крахмал, синтетические полимеры термопластов, пластификаторы и разжижающий компонент, и способы их получения [US 6277899 B1, US 5288765]. Эти композиции получают смешением ингредиентов с последующей экструзией в расплаве.
Недостатком прототипа является то, что при получении высоконаполненных композиций полимер-крахмал возникает проблема равномерного распределения гранул полимера и функциональных добавок в объеме крахмала, т.к. объемная доля крахмала выше объемной доли полимера, это приводит к тому, что при температуре плавления полимера крахмал начинает термодеструктурироваться («подгорать»), что влечет за собой значительное снижение качества продукта; также недостатком прототипа является необходимость применения пластификатора, который готовится в присутствии водной фазы, что потребует дополнительной стадии отгонки воды и приведет к увеличению материало- и энергоемкости производства и удорожанию продукта; использование же разжижающих компонентов также влечет за собой дополнительную стадию, а многокомпонентность и многостадийность производства приводит к усложнению процесса и удорожанию продукта. Применение разжижающих агентов влечет за собой проблему выпотевания материала (связано со свойством полимера «сжиматься», выталкивая более легкую фазу на поверхность материала). Также к недостаткам следует отнести невозможность регулирования времени разложения указанных композиций, которые содержат в своем составе компоненты синтетического происхождения и не содержат питательной среды для микроорганизмов в доступной форме, что не способствует быстрому биоразложению материала.
Техническая задача изобретения заключается в разработке способа получения универсальной добавки, инициирующей разложение полимеров, состоящей исключительно из природного сырья, включающей матрицу, природные полисахариды, связующее, термостабилизатор и питательную среду, позволяющего повысить биоразложение полимеров на основе указанной добавки, регулировать срок биоразложения композиций, улучшить реологические свойства биоразлагаемых композиций на основе предлагаемой добавки, регулировать водопоглощение материала, содержащего универсальную добавку, повысить термостабилизационные свойства продукта, снизить гетерогенность получаемого полимера, упростить технологию получения биоразлагаемых пластмасс, получить изделия с декоративной глянцевой поверхностью.
Техническая задача изобретения достигается тем, что в способе получения универсальной добавки, инициирующей разложение полимеров, состоящей исключительно из природного сырья, включающей матрицу, природные полисахариды, связующее, термостабилизатор и питательную среду, предусматривающем смешение указанных компонентов в обогреваемом смесителе и дальнейшее гранулирование или таблетирование полученной смеси, новым является то, что добавка содержит в качестве матрицы парафин пищевой (пищевая добавка Е905), в качестве природного полисахарида крахмал, в качестве связующего - коллагенсодержащие продукты (желатин, белкозин, мездровый клей и др.), в качестве термостабилизатора - модифицированный крахмал THERMTEX, в качестве питательной среды - фосфолипиды, смешение указанных компонентов производится в обогреваемом смесителе при температуре 40-70°С с последующим гранулированием или таблетированием полученной смеси; при этом композицию готовят при следующем соотношении компонентов, мас.%:
матрица
15-25
природный полисахарид
82-45
связующее
1-10
термостабилизатор
1-10
питательная среда
1-10.
В качестве матрицы добавки, инициирующей разложение полимеров, может применяться окисленный полиэтиленовый воск (пищевая добавка Е914).
Технический результат изобретения заключается в создании способа получения универсальной добавки, инициирующей разложение полимеров, состоящей исключительно из природного сырья, включающей матрицу, природные полисахариды, связующее, термостабилизатор и питательную среду, предусматривающего смешение указанных компонентов в обогреваемом смесителе и дальнейшее гранулирование или таблетирование полученной смеси, позволяющего повысить биоразложение полимеров на основе указанной добавки, регулировать срок биоразложения композиций, улучшить реологические свойства биоразлагаемых композиций на основе предлагаемой добавки, регулировать водопоглощение материала, содержащего универсальную добавку, повысить термостабилизационные свойства продукта, снизить гетерогенность получаемого полимера, упростить технологию получения биоразлагаемых пластмасс, получить изделия с декоративной глянцевой поверхностью.
Компоненты добавки имеют следующие характеристики.
1. Матрица:
- парафин пищевой П-2 (ГОСТ 23683-89) - натуральное вещество, твердый высокоочищенный парафин, смесь твердых углеводородов метанового ряда, кристаллическая масса белого цвета, температура плавления 52-58°С, массовая доля масла не более 1,8%, цвет - не более 11 условных марок;
-3
-1
- воск полиэтиленовый окисленный ПВО-30 (ТУ 6-0203499-24-92) - натуральное вещество, технические характеристики: вязкость расплава при 140°С 25-80 Па·с·10, температура каплепадения не более 100°С, твердость по пенетрации не более 30·10 мм, кислотное число 25-30 мг КОН на 1 г воска, число омыления 45-80 мг КОН на 1 г воска.
2. Природный полисахарид:
- крахмал кукурузный (ГОСТ Р 51985-2002) - это натуральное вещество, углеводный полимер, который состоит из двух структурно разных фракций амилозы и амилопектина; технические характеристики: массовая доля влаги - не более 13%, массовая часть общей золы (в пересчете на сухое вещество) - не более 0,11%, кислотность - не более 16, рН - 4,0…6,0.
3. Связующее:
- коллагенсодержащие продукты (желатин, белкозин, мездровый клей и др.) - натуральные продукты в порошкообразном виде (ГОСТ 18157-88. Продукты убоя скота. Термины и определения. Раздел «Производство клея и желатина»), основу которых составляет фибриллярный белок, обеспечивающий прочность и эластичность композиции. Коллагеновые волокна образуются путем агрегации микрофибрилл. Коллагенсодержащие продукты широко применяются в пищевой промышленности в качестве гелеобразователей, стабилизаторов, эмульгаторов.
4. Термостабилизатор:
- модифицированный крахмал THERMTEX [ТУ 9187-003-96457359-07] - натуральное вещество, «сшитый» пищевой заварной крахмал, полученный на основе дикрахмалфосфата оксипропелированного с последующим синтезом сшитого продукта, с температурой желатинизации около 70°С. Вязкость THERMTEX очень стабильна при высоких температурах, низком рН, а также при сильных нагрузках и механическом воздействии. Крахмал модифицированный THERMTEX является пищевой добавкой Е1442 [Приложение 7 к СанПиН 2.3.2.1078-01 от 14.11.2001 г.].
5. Питательная среда:
- фосфолипиды (ТУ 9146-006-00371185-93) - натуральное вещество, природные липиды, содержащие в молекуле остаток фосфорной кислоты, связанной эфирной связью с производным многоатомного спирта, внешний вид - мазеобразный.
Фосфолипиды обеспечивают дополнительную питательную среду микроорганизмам, разлагающим композиции на основе синтетических полимеров и добавки, инициирующей разложение. Содержание в универсальной добавке коллагенсодержащих продуктов также обеспечивает дополнительную питательную среду для микроорганизмов (белок) [А.И.Нетрусов, И.Б.Котова. Микробиология. М.: Академия, 2007 г.].
Для получения гранул либо таблеток используется связующее - коллагенсодержащее сырье, - которое переводит свободную влагу, содержащуюся в компонентах универсальной добавки, в связанное состояние, при этом продукту придается необходимая прочность и формуемость.
Способ получения универсальной добавки осуществляют следующим образом.
В обогреваемый смеситель вносят матрицу - парафин (либо окисленный воск) в количестве 15-25 мас.%, природный полисахарид (крахмал) в количестве 82-45 мас.%, связующее (коллагенсодержащие продукты) в количестве 1-10 мас.%, термостабилизатор (модифицированный крахмал THERMTEX) в количестве 1-10 мас.%, питательную среду (фосфолипиды) в количестве 1-10 мас.%. Смешение указанных компонентов производится при температуре 40-70°С в течение 5-10 минут до пастообразного состояния. Затем полученную смесь гранулируют или таблетируют.
Способ получения универсальной добавки поясняется следующими примерами.
Пример 1. В обогреваемый смеситель вносят 15 г (15 мас.%) парафина пищевого П-2, 82 г (82 мас.%) крахмала кукурузного, добавляют 1 г (1 мас.%) желатина пищевого, 1 г (1 мас.%) модифицированного крахмала THERMTEX, 1 г (1 мас.%) фосфолипидов. Массу перемешивают при температуре 60°С в течение 10 мин до пастообразного состояния, затем полученную смесь гранулируют или таблетируют.
Пример 2. Получают универсальную добавку, инициирующую разложение полимеров, аналогично примеру 1, но количество парафина пищевого П-2 составляет 25 г (25 мас.%), количество крахмала кукурузного составляет 45 г (45 мас.%), количество желатина пищевого составляет 10 г (10 мас.%), количество модифицированного крахмала THERMTEX составляет 10 г (10 мас.%), количество фосфолипидов составляет 10 г (10 мас.%).
Универсальную добавку, инициирующую разложение полимеров, можно применять в биоразлагаемых полимерных композициях на основе полиэтилена, полипропилена и их сополимеров, поливинилхлорида, эфиров целлюлозы, полистирола и других синтетических полимеров в соотношении полимер: универсальная добавка, равном 20-95:80-5 мас.%, причем изменением процентного содержания универсальной добавки в композиции можно регулировать срок службы изделия, время его биоразложения и водопоглощение материала, также процентное содержание универсальной добавки влияет на реологические свойства и прочностные характеристики композиции.
Биоразлагаемую композицию на основе синтетического полимера и универсальной добавки, инициирующей разложение полимера, получают смешением гранул синтетического полимера и универсальной добавки и дальнейшим экструдированием полученной смеси при температуре 110-190°С.
3
Пример 3. В смеситель вносят 20 г (20 мас.%) гранул полиэтилена ПВД марки 12003-200 (ГОСТ 16337-77), имеющего плотность 0,9170±0,001 г/см и показатель текучести расплава 20,0±15% г/10 мин, и 80 г (80 мас.%) гранул универсальной добавки, инициирующей разложение полимера, смешивают в течение 2 минут и экструдируют полученную смесь при температуре 150°С с получением листового или пленочного материала.
Пример 4. Получают биоразлагаемую композицию, аналогично примеру 3, но количество гранул полиэтилена составляет 80 г (80 мас.%), а количество гранул универсальной добавки, инициирующей разложение полимера, составляет 20 г (20 мас.%).
Полученные композиции анализируют, определяют показатель текучести расплава, водопоглощение, кинетику биоразложения.
Полученные результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1
Определяемые параметры
Данные по примерам
3
4
Показатель текучести расплава, г/10 мин,
4,34
8,82
Водопоглощение, мас.%/1 сутки
11,84
4,26
Потеря массы биоразлагаемого полимера в процессе биоразложения через 60 дней, мас.%
16,6
5,5
Использование способа получения универсальной добавки, инициирующей разложение полимеров, состоящей исключительно из природного сырья, включающей матрицу, природные полисахариды, связующее, термостабилизатор и питательную среду, предусматривающего смешение указанных компонентов в обогреваемом смесителе и дальнейшее гранулирование или таблетирование полученной смеси, позволяет:
- повысить биоразложение композиций, содержащих универсальную добавку, инициирующую разложение полимеров;
- регулировать срок биоразложения композиций;
- улучшить реологические свойства композиций, содержащих универсальную добавку, инициирующую разложение полимеров;
- регулировать водопоглощение материала, содержащего универсальную добавку;
- повысить термостабилизационные свойства композиций, содержащих универсальную добавку, инициирующую разложение полимеров;
- снизить гетерогенность получаемых композиций;
- упростить технологию получения биоразлагаемых композиций;
- получить изделия с декоративной глянцевой поверхностью;
- снизить себестоимость продукта.