Биоразлагаемое вещество на основе возобновляемого сырья
BIODEGRADABLE SUBSTANCE BASED ON RENEWABLE RAW MATERIAL

Изобретение относится к биоразлагаемой композиции для создания материалов и изделий, способных подвергаться биоразложению, в частности упаковочных пленок.
Известно, что полиэтилен производится из не возобновляемого сырья. Использование нефтепродуктов для производства полиэтилена уже сегодня создает ряд проблем для отечественных потребителей. Производство не справляется с растущим на 3-8% в год спросом. Это ведет к удорожанию материала, увеличению привлекаемых к производству ресурсов с одновременным скачком экологической угрозы.
Экономия сырья и его природная составляющая способны решить целый спектр проблем, среди которых главными становятся истощение ресурсов и экологический кризис. Использование биоразлагемых упаковок изменит в лучшую сторону экологию, уменьшит государственные и частные траты на сборы мусора в труднодоступных местах. При этом по своим эксплуатационным характеристикам продукт не уступает полиэтилену.
В настоящее время известно множество биоразлагаемых композиций и пленочных материалов из них. Как правило, речь идет о оксобиоразлагаемых материалах, т.е. о биоразлагаемых добавках в полиэтилен или его производные. При этом полиэтилен как производную нефтяных/газовых ресурсов следует отнести к не возобновляемым продуктам.
В качестве прототипа выбрана композиция боразлагаемой пленки на основе пектина и хитозана [Патент РФ №2458077, МПК C08J 5/18, C08L 5/06, C08L 5/08, C08L1 01/16, з. 14.12.2010 г., оп. 10.08.2012 г. ], включающая пектин, хитозан (наполнители), воду, однонормальную соляную кислоту (растворитель хитозана), глицерин в качестве пластификатора и структурообразователь - трехпроцентный раствор метилцеллюлозы, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
пектин
35-37
хитозан
35-37
вода
7-8
однонормальная соляная кислота
7-8
глицерин
5-6
трехпроцентный раствор метилцеллюлозы
остальное
К недостаткам прототипа следует отнести дороговизну пектина (самый дешевый способ его получения из апельсиновой цедры, в которой содержание пектина составляет 2/3 части, кроме того, производство пектина ориентировано на другие отрасли промышленности, в частности на производство детского питания, комбикормов и т.п.) и трудности с промышленным производством хитозана (не освоено в Российской Федерации). Кроме того, для растворения хитозана используется соляная кислота, что создает дополнительные риски производства.
Задачей изобретения являлась разработка биоразлагаемой композиции из природного возобновляемого сырья, позволяющей изготавливать широкий спектр материалов и изделий с заданным сроком биодеструкции от нескольких секунд до нескольких суток.
Указанная задача решается биоразлагаемой композицией на основе возобновляемого сырья, полученной из наполнителя, воды и пластификаторов, в которой, согласно предложению, в качестве наполнителя использован крахмал, в качестве пластификатора использованы желатин и поливинилацетат, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
крахмал
5-35
желатин
25-70
поливинилацетат
5-10,4
вода
остальное
Дополнительно в качестве структурообразователя биоразлагаемая композиция может содержать натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы в количестве 5-15 мас. %.
Дополнительно биоразлагаемая композиция может содержать другие пластификаторы, в частности диметилсульфоксид в количестве не более 25 мас. %, карбамид и (или) глицерин в количестве не более 20 мас. %.
Задавая процентное соотношение компонентов и добавляя другие, возможно регулировать процесс водорастворимости, то есть первичную стадию биоразложения. Первичная стадия биоразложения дополняется вторичной: продукты распада становятся питательной средой для грибов рода trichoderma - самого распространенного вида грибов в почвах средних широт. Таким образом, можно изготавливать, например, пленки, которые растворяются в воде при нормальных условиях.
Далее представлены примеры биоразлагаемой композиции для производства упаковочной пленки.
Пример I
Масс. %:
Крахмал
8,9
Желатин
26,6
Карбамид
11,1
Поливинилацетат
8,9
Диметилсульфоксид
8,9
Глицерин
5,6
Вода
30
Изготовление пленки из биоразлагаемой композиции возможно любым известным способом. Например, следующим.
В емкость с половиной заданного количества воды добавляют крахмал, после чего начинается процесс набухания, время процесса определяется исходя из свойств (смачиваемости) крахмала. В емкость с другой половиной воды засыпают желатин, при этом также осуществляется процесс набухания (~3 часа). Далее проводят постепенный нагрев растворов до температуры
Пример IV. Для окрашивания пленок можно добавлять пищевые красители: Е160В, Е 160С, Е162, Е140, Е132 в количестве до 15 масс. %:
Крахмал  – 8,3
Карбамид – 10
ПВА  – 8,3
Желатин  – 24,9
ДМСО  – 4,2
Глицерин – 2,6
Натриевая соль
карбоксиметилцеллюлозы – 10
Пищевой краситель – 10
Вода  – 21,7
Краситель Е160С – пленка красного цвета или аннато (Е160В) – пленка желтого цвета, хлорофилл (Е140) – зеленого цвета, индигокармин (Е 132) – синего цвета – в количестве до 5 масс. %, слабый окрас преимущественно как фоновый рисунок, в количестве 10 масс. % – хороший насыщенный цвет (для контуров рисунка), 15 масс. % – пленка уже непрозрачна ( для нанесения надписей).
Пример V
Масс.%:
Крахмал – 35
Желатин – 25
ПВА  – 8,8
Глицерин – 4,6
Натриевая соль
карбоксиметилцеллюлозы – 5
Вода  – 21,6
При увеличении содержания крахмала до 35 масс. % водорастворимость пленок увеличивается и составляет от нескольких секунд до 2 минут. Прочность увеличивается до 34 МПа, пластичность уменьшается до значения 1,4.
Пример VI
Масс.%:
Крахмал  – 5
Желатин  – 70
ПВА  – 5
Натриевая соль
карбоксиметилцеллюлозы – 5
Вода  – 15
При увеличении содержания желатина до 70 масс. % пленка обладает хорошими физико-механическими свойствами: прочность = 30 МПа, относительное удлинение при разрыве = 1,5, величина напряженности электростатического поля = 3 кВ/м. Удельное поверхностное электрическое сопротивление ~ 10 в 7 степени (Ом), полупериод стекания заряда = 1,5секунды. Однако такая пленка характеризуется быстрой водорастворимостью до 10 минут.
Крахмал
10,4
Карбамид
13,1
Поливинилацетат
10,4
Желатин
31,4
Диметилсульфоксид
5,2
Глицерин
3,2
Вода
26,3
По сравнению с Примером I произошло уменьшение содержания глицерина и диметилсульфоксида в 2 раза. Предел прочности для этого образца уже 28 МПа, относительное удлинение при разрыве немного уступает, но является достаточно высоким - 1,75. Напряженность электростатического поля 2 кВ/м. Удельное поверхностное электрическое сопротивление порядка 10 в 7 степени. Полупериод стекания заряда - 1 секунда.
Пример III. Композиция повторяет композицию по Примеру II, но с добавлением натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), масс %:
Крахмал
9,2
Желатин
27,6
Карбамид
11,6
Поливинилацетат
9,2
Диметилсульфоксид
4,6
Глицерин
2,9
Натриевая соль
карбоксиметилцеллюлозы
11,6
Вода
23,3
При добавлении натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) в количестве от 10 масс. % прочность увеличится до 41 МПа, что является достаточно высоким показателем, сопоставимым уже с полистиролом (который используется для производства бутылей и стаканчиков для йогурта). При этом относительное удлинение при разрыве (пластичность) упадет до значения 1,3.
Следует также отметить, что изделия (пленки) могут окрашиваться, добавлением в композицию красителей, предпочтительно пищевых (для обеспечения безопасности в случае попадания изделия внутрь живого организма).
Пример IV. Для окрашивания пленок можно добавлять пищевые красители: Е160В, Е160С, Е162, Е140, Е132 в количестве до 15 масс. %:
Крахмал
8,3
Карбамид
10
Поливинилацетат
8,3
Желатин
24,9
Диметилсульфоксид
4,2
Глицерин
2,6
Натриевая соль
карбоксиметилцеллюлозы
10
Пищевой краситель
10
Вода
21,7
Краситель Е160С - пленка красного цвета или аннато (Е160В) - пленка желтого цвета, хлорофилл (Е140) - зеленого цвета, индигокармин (Е 132) - синего цвета - в количестве до 5 масс. %, слабый окрас преимущественно как фоновый рисунок, в количестве 10 масс. % - хороший насыщенный цвет (для контуров рисунка), 15 масс. % - пленка уже непрозрачна (для нанесения надписей).
Пример V
Масс. %:
Крахмал
35
Желатин
25
Поливинилацетат
8,8
Глицерин
4,6
Натриевая соль
карбоксиметилцеллюлозы
5
Вода
21,6
При увеличении содержания крахмала до 35 масс. % водорастворимость пленок увеличивается и составляет от нескольких секунд до 2 минут. Прочность увеличивается до 34 МПа, пластичность уменьшается до значения 1,4.
Пример VI
Масс. %:
Крахмал
5
Желатин
70
Поливинилацетат
5
Натриевая соль
карбоксиметилцеллюлозы
5
Вода
15
При увеличении содержания желатина до 70 масс. % пленка обладает хорошими физико-механическими свойствами: прочность = 30 МПа, относительное удлинение при разрыве = 1,5, величина напряженности электростатического поля = 3 кВ/м. Удельное поверхностное электрическое сопротивление ~10 в 7 степени (Ом), полупериод стекания заряда = 1,5 секунды. Однако такая пленка характеризуется быстрой водорастворимостью до 10 минут.