БИОЛОГИЧЕСКИ РАЗРУШАЕМАЯ ТЕРМОПЛАСТИЧНАЯ КОМПОЗИЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИРОДНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ
BIODEGRADABLE THERMOPLASTIC COMPOSITION USING NATURAL FILLER

Изобретение относится к получению пластмасс на основе полиэтилена, применяемых в производстве пленок, термоформованных изделий (потребительской тары, посуды и пр.), эксплуатируемых как в контакте с продуктами питания, так и в технических целях для изготовления упаковки товаров народнохозяйственного назначения.
В сложной мировой экологической ситуации использование биологически разрушаемых полимерных материалов для получения изделий массового потребления является основным направлением сокращения количества твердого мусора, так как будет 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. 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 США 5248702, C08J 9/12, опубл. т.1154, №4; патент США 5298267, C08J 9/02, 9/12, опубл. 03.05.2004, т.1150, №1; патент RU 2095379, опубл. 30.06.98; патент RU 2180670, опубл. 06.01.2000; патент RU 2174132, опубл. 23.06.2000; патент 1338405 ЕПВ, МЛК В29С 67/24, C08J 5/06, опубл. 27.08.2003; патент США 6054510, МПК7 C08L 63/00, опубл. 25.04.2000).
Фирмой Archer Daniels Midland, США разработан концентрат марки Poly Clean 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 №2349612:
Сополимер этилена и винилацетата
59,5-79,5 мас.%
Какаовелла
20,0-40,0 мас.%
Поверхностно-активное вещество
0,2-0,5 мас.%
Задача изобретения - создание термопластичной композиции с использованием биоразлагаемого наполнителя крахмала (картофельного), изделия из которой разрушаются под действием света, влаги и микрофлоры почвы.
Это достигается тем, что биологически разрушаемая термопластичная композиция, согласно изобретению содержит полиэтилен (63,5-86,4 мас.%), сополимер этилена и винилацетата (3,0-5,0 мас.%), биоразлагаемый наполнитель, в качестве которого используют крахмал (10,0-30,0 мас.%) и технологические добавки, в качестве которых используют шунгит (0,5-1,0 мас.%), и неионогенное поверхностно-активное вещество лаурилмиристил (0,1-0,5 мас.%).
Согласно изобретению в качестве биоразлагаемого наполнителя, стимулирующего процесс биологического разрушения конечных изделий, изготовленных из смеси полиэтилена и сополимера этилена и винилацетата, используется крахмал в количестве (10-30) мас.%.
Используемый для наполнения крахмал картофельный имеет следующие физические характеристики:
Массовая доля влаги, %
17-20
Массовая доля общей золы в пересчете на сухое вещество, %, не более
0,3-1,0
Кислотность - расход 0,1 н. раствора NaOH на нейтрализацию 100 г сухого вещества, мл, не более
6,0-20,0
Для наполнения можно использовать крахмал различной природы: кукурузный, картофельный, рисовый, пшеничный и др. Однако предпочтение отдается картофельному крахмалу. Зерна картофельного крахмала имеют овальную форму, размер их колеблется от 15 до 100 мкм, структура зерна, в основном, аморфная, такой крахмал легче перерабатывается.
Согласно изобретению в качестве технологической добавки используется шунгит.
Шунгит состоит из алюмосиликатного микропористого каркаса и заполняющего этот каркас углерода. Шунгитовый углерод имеет аморфную структуру, характеризуется высокой реакционной способностью в термических процессах, обладает высокими сорбционными и каталитическими свойствами, электропроводностью. Благодаря своему составу и строению, шунгит отличается большой внутренней поверхностью и, соответственно, высокой сорбционной способностью.
Минеральный состав материала шунгита характеризуется следующими показателями: углерод - 25%; кремний - 65%; остальное - 10%.
Физико-химические свойства:
- содержание углерода
от 20 до 30%
- механическая прочность на истирание
90%
- адсорбционная активность по йоду
11,6 мг/л
- коэффициент неоднородности
1,4
- суммарный объем пор по воде
0,087 см<sup>3</sup>/г
Шунгит может использоваться как наполнитель резин, пластмасс, мастик и др. композиционных материалов для замены технического углерода и белой сажи и придания материалам новых свойств. В сельском хозяйстве шунгиты используются в качестве подкормки в виде шунгито-доломитовой смеси, которая содержит кальций и магний, необходимые для роста растений, микроэлементы - калий, фосфор, ванадий, кобальт, медь, никель, цинк, ускоряющие рост растений.
Черная окраска зерен шунгита регулирует тепловой режим почвы: накопление, длительное сохранение и медленную отдачу поглощенного за день солнечного тепла. Подкормка разрыхляет почву благодаря наличию в ней крупинок шунгита диаметром 1…3 мм.
Биоразлагаемый материал, содержащий шунгит, при компостировании может явиться своеобразной почвоподкормкой.
2
2
n
Поверхностно-активное вещество выбиралось по принципу необходимости создания гетерогенной системы с заданными величинами ее эффективной вязкости в выбранном температурном интервале переработки. Поверхностно-активное вещество - лаурилмиристил (АЛМ-7), общая формула R-O(CHCHO)H, где n=7; R - алкильный остаток, содержащий в основном (12…14) атомов углерода. Данное ПАВ использовалось в композиции для улучшения совместимости ингредиентов и достижения гомогенизации, а также в качестве инициатора биоразложения.
В качестве полимера, выполняющего роль дисперсионной среды, использовался полиэтилен ПЭНП 15803-020, обладающий следующими характеристиками:
3
плотность, кг/м - 919,0
ПТР, г/10 мин при нагрузке 2,16 кг - 2,0
В качестве полимера, выполняющего роль модификатора, использовался сополимер этилена и винилацетата (СЭВА), обладающий следующими характеристиками:
содержание винилацетата от 5 до 30 мас.%
3
плотность 0,928-0,945 г/см
относительное удлинение при растяжении (600-800) %
разрушающее напряжение при разрыве 9-12 МПа
Предлагаемый сополимер этилена и винилацетата имеет достаточное водопоглощение (1-3)%, что способствует биоразложению готовых изделий при утилизации. Кроме того, у СЭВА достаточно большая совместимость с крахмалом, и в результате технологической переработки композиции происходит лучшее распределение крахмала по матрице полиэтилена.
Такая 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.
Выбор оптимальных соотношений полимера, наполнителя, технологических добавок обусловлен теоретическим пределом наполнения, который определяется силой взаимодействия на границе раздела фаз.
Предлагаемая композиция изготавливается следующим образом.
Пример 1. 10 мас.% крахмала смешивают с 86,4 мас.% полиэтилена, 3,0 мас.% сополимера этилена и винилацетата, 0,5 мас.% шунгита,  0,1 мас.% ПАВ в скоростном турбосмесителе в течение 5 мин. Полученная смесь поступает в экструдер для гомогенизации. Температура расплава на выходе из головки экструдера (140-150)°С.
Полученные жгуты охлаждают потоком холодного воздуха и разрезают на гранулы размером 3-5 мм. Из полученных гранул методом экструзии с раздувом при температуре 130-135°С изготавливают пленку.
Пример 2. Приготовление композиции по примеру 1. Количество крахмала 30 мас.%, количество полиэтилена 63,5 мас.%, количество сополимера этилена и винилацетата 5,0 мас.%, количество шунгита 1,0 мас.%, количество ПАВ 0,5 мас.%.
Гранулы, полученные из этого состава, используют для изготовления листа, из которого формуют потребительскую тару различной конфигурации и типоразмеров.
Пример 3. Приготовление композиции по примеру 1. Количество крахмала 20,0 мас.%, количество полиэтилена 75,0 мас.%, количество сополимера этилена и винилацетата 4,0 мас.%, количество шунгита 0,7 мас.%, количество ПАВ 0,3 мас.%.
Гранулы, полученные из этого состава, используют для изготовления пленки методом экструзии.
Составы композиций по примерам приведены в таблице 1. В примерах даны их оптимальные количества.
В таблице 2 приведены методы определения свойств, обеспечивающих задачу изобретения.
Таблица 2
№ п/п
Наименование показаний
Методы испытаний
1.
Температура переработки композиции, °С
ГОСТ 11645-73
2.
Показатель текучести расплава композиции (ПТР) при температуре 190°С и нагрузке 2,16 кг, г/10 мин
ГОСТ 11645-73
3.
Определение физико-механических показателей (относительное удлинение, %; прочность при растяжении, н/м<sup>2</sup>)
ГОСТ 14236-81
4.
Метод определения стойкости к действию химических сред
ГОСТ 12020-72
5.
Микробиологическая устойчивость
ГОСТ 9.053-75 ГОСТ 9.049-91