Биологически разрушаемая полимерная композиция
BIOLOGICALLY DEGRADABLE POLYMER COMPOSITION

Изобретение относится к полимерным композициям, предназначенным для получения биоразлагаемых упаковочных материалов и изделий, в том числе коррексы для цветочной и овощной рассады, пленки для мульчирования и уничтожения сорняков с эффектом прогревания.
Композиция содержит полиэтилен, поликапролактон (ПКЛ), свекловичный жом, крахмал и бентонит в качестве технологической добавки. Композиция по изобретению обладает реологическими характеристиками, которые соответствуют требованиям, предъявляемым к полимерным материалам для возможности их переработки на традиционном оборудовании, а также необходимыми эксплуатационными характеристиками, в том числе биологической разрушаемостью с заданным сроком биодеструкции.
Изобретение относится к получению биоразлагаемых полимерных композиций на основе полиэтилена, поликапролактон, природных наполнителей (крахмал, свекловичный жом), применяемых в производстве различных изделий, пленок, используемых для упаковки пищевых продуктов, а также коррексы для цветочной и овощной рассады, пленка для мульчирования и уничтожения сорняков с эффектом прогревания.
В настоящее время все больше уделяется внимание вопросам создания биоразлагаемых полимерных материалов для получения изделий массового потребления и упаковки, что является основным направлением сокращения количества твердых бытовых отходов при утилизации методом захоронения, что позволит обеспечивать их быстрое разложение под действием климатических факторов и микроорганизмов.
Одним из возможных направлений получения биологически разрушаемых материалов является модификация традиционных полимеров. Сочетание синтетического полимера с природным активным наполнителем может придавать материалу новый набор свойств.
Такие материалы представляют собой наполненные системы, где в качестве активного наполнителя используется крахмал. Известны низко- и высоконаполненные крахмальные композиции. Наиболее важным качеством этих композиций является их способность к деструкции под действием природных факторов окружающей среды: света, тепла, микроорганизмов. Известен биологически разрушаемый упаковочный материал на основе крахмала (Франция, 2691467, кл. 5 C08J 5/18, B65D 1/10, 65/46, C08L 3/20).
В последнее время появилось значительное количество патентов и научных публикаций, содержащих информацию об использовании крахмалов в качестве наполнителей для придания полимерным композициям биологической разрушаемости
(патент RU 2418014 МПК C08L 23/06 от 30.09.2009
патент RU 2490289 МПК C08L 101/16 ЗАЯВ. 2012103514/15 от 02.02.2012;
патент RU 2645677 МПК C08L 23/06 ЗАЯВКА 2016151141 от 26.12.2016;
ES 235229 МПК C08J 5/18 от 21.04.2009
патент RU 2651034 от 19.05.2017;
патент RU 2446191 МПК C08L 23/06 от 08.02.2011).
Фирмой Archer Daniels Midland, США, разработан концентрат марки PolyClean на основе полиэтилена для получения биоразлагаемых пленок. Концентрат содержит 40% крахмала и окисляемую добавку; количество крахмала в конечном продукте равно 5…6%. Недостатком такой композиции является то, что биологическому разрушению в ней подвергается только крахмальная составляющая.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является композиция по патенту РФ №2180670:
Крахмал
100
Продукт сополиконденсации капролактама, адипиновой кислоты и
гексаметилендиамина
1-10
Глицерин
20
Вода
20
Двуокись титана
20
Ультрамарин
0,008
Получение композиции по прототипу требует использования пластификатора (водно-глицериновой смеси).
При наличии в композиции воды технологическая схема переработки требует дополнительного узла дегазации, увеличивающего энергозатраты.
Предлагаемое решение упрощает технологию изготовления термопласта за счет исключения использования жидких компонентов, значительно уменьшает стоимость готового изделия, т.к. сырьем для термопласта служит полиэтилен.
Задача изобретения - создание термопластичной композиции с использованием биоразлагаемого наполнителя свекловичного жома (отходов сахарной промышленности), крахмала, поликапролактона (ПКЛ), бентонита для получения упаковки и материалов, которые разрушаются под действием света, влаги и микрофлоры почвы.
Это достигается тем, что биологически разрушаемая термопластичная композиция для изделий согласно изобретению содержит полиэтилен (45-68 мас. %), биоразлагаемый наполнитель, в качестве которого используют отходы сахарной промышленности - жом свекловичный (5-10 мас. %), крахмал (20-30 мас. %) и бентонит (2-5 мас. %), поликапролактон (5-10 мас. %).
Согласно изобретению в качестве биоразлагаемого наполнителя, стимулирующего процесс биологического разрушения конечных изделий, изготовленных из полиэтилен, используется жом свекловичный в количестве 5-10 мас. %, крахмал 20-30 мас. %.
Используемый для наполнения жом свекловичный (изрезанная в стружку нерастворимая обессахаренная масса свеклы) имеет следующие характеристики:
- пектиновых веществ 50%;
- целлюлозы и гемицеллюлозы 47%;
- белка 2%;
- золы 1%;
- массовая доля влаги, %, не более 14,0;
- массовая доля сырого протеина, %, не менее 7,0.
Технологическая добавка выбиралась по принципу необходимости создания гомогенной системы. Бентонит используют как диспергатор - вещество, облегчающее равномерное распределение компонентов в полимерной матрице при смешении (Технология переработки пластических масс и эластомеров в производстве полимерных пленочных материалов и искусственной кожи. Г.П. Андрианова, К.Л. Полякова, Ю.С. Матвеев, М., «Колос С», 2008 г., 367 с).
Полимерная композиция обладает реологическими характеристиками, которые соответствуют требованиям, предъявляемым к материалам для переработки на традиционном для пластмасс оборудовании (экструдер, термопластавтомат).
Изделия из предлагаемой композиции обладают заданными эксплуатационными характеристиками, в том числе биологической разрушаемостью.
Выбор оптимальных соотношений полимера и наполнителя обусловлен теоретическим пределом наполнения, который определяется силой взаимодействия на границе раздела фаз.
Согласно изобретению оптимальным является соотношение «свекловичный жом - крахмал - поликапролактон - бентонит - полиэтилен» (10:30:10:5:45). Предлагаемая композиция изготавливается следующим образом.
Пример 1
10 массовых частей свекловичного жома, 30 массовых частей крахмала, 10 массовых частей поликапролактон смешивают с 45 массовыми частями полиэтилена и 5 массовыми частями бентонита в скоростном турбосмесителе в течение 5 минут. Полученная смесь поступает в экструдер для гомогенизации. Температура расплава по зонам экструзионной установки 120-160°С. Полученные стренги охлаждают потоком холодного воздуха и разрезают на гранулы размером 4-6 мм. Из полученных гранул на экструдере со щелевой головкой изготавливают пленку или лист, из которого формуют изделия и упаковку (лотки) различных типоразмеров.
Пример 2
Приготовление композиции по примеру 1. Количество свекловичного жома 5 мас. %, крахмала 10 мас. %, поликапролактон 5 мас. %, полиэтилена 68 мас. %, бентонита 2 мас. %.
Пример 3
Приготовление композиции по примеру 1. Количество свекловичного жома 10 мас. %, крахмала 20 мас. %, поликапролактон 10 мас. %, полиэтилена 57 мас. %, бентонита 3 мас. %.
Состав композиций по примерам приведены в таблице 1. В примерах даны их оптимальные количества.
В таблице 2 приведены методы определения свойств, обеспечивающих задачу изобретения.
*)продукт сополиконденсации капролактана, адипиновои кислоты и гексаметипенгуанидин, глицепина, воды, двуокиси титана
**) изменение деформационной прочности и относительного удлинения при разрыве образцов пленок после выдержки в биогумусе в течение 3-х месяцев, %