Биоразлагаемое вещество на основе природных полимеров
BIODEGRADABLE SUBSTANCE BASED ON NATURAL POLYMERS

Изобретение относится к биоразлагаемой композиции для создания материалов и изделий, способных подвергаться биоразложению, в частности одноразовой посуды, упаковочного материала.
Применение нефтепродуктов для производства полиэтилена и пластика, используемых при изготовлении одноразовой посуды, широко распространено и тем самым создается множество проблем при утилизации. Производство не справляется с растущим на 10% в год спросом. Это ведет к удорожанию материала, и нарастающей экологической угрозе.
Использование биоразлагемой одноразовой посуды и упаковочного материала снизит экологические риски, уменьшит государственные и частные траты на сборы мусора в труднодоступных местах.
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 и пластик как производную нефтяных/газовых ресурсов следует отнести к не возобновляемым продуктам.
Известна новая биоразлагаемая полимерная композиция, пригодная для получения биоразлагаемого пластика, и способ получения указанной композиции (Патент РФ №2480495) [1]. Полимерная композиция включает смесь полимера, выбранного из полиэтилена, полипропилена, полистирола, поливинилхлорида или их смеси; целлюлозы; нитрата аммония; питательных компонентов, выбранных из сине-зеленых водорослей и/или дрожжей, и воды. Композиция биоразлагается от 6 до 36 месяцев.
Известна также биоразлагаемая термопластичная композиция на основе лигноцеллюлозного наполнителя (Патент РФ №2473578) [2], которая включает лигноцеллюлозный наполнитель, связующий агент и полиэтилен в качестве полимерной основы. В качестве лигноцеллюлозного наполнителя используют отходы технологических производств и природные материалы, выбранные из костры льняной, лузги подсолнечника, лигносульфоната натрия, листвы, соломы.
В качестве прототипа выбрана биологически разрушаемая термопластичная композиция на основе природных полимеров (Патент РФ №2174132) [3], включающая целлюлозу с содержанием ацетатных групп 56,4-30 мас. ч., пластификатор - триацетин - 30 мас. ч. и биоразлагаемый наполнитель - крахмал 10-50 мас. ч. При этом она содержит дополнительный биоразлагаемый наполнитель - лигнин гидролизный - 10-20 мас. ч. Прогнозируемый срок службы изделий до разрушения в естественных условиях приблизительно 18 месяцев.
Недостатком описанных выше продуктов является то, что их срок биоразложения составляет от 6 до 36 месяцев.
Задачей изобретения является снижение срока биоразложения.
Техническим результатом является получение биоразлагаемого вещества, обладающего регулируемым сроком службы, что позволяет прогнозировать области использования материала.
Поставленная задача решается благодаря тому, что биоразлагаемое вещество на основе природных полимеров, содержащее пластификатор, биоразрушаемый наполнитель, целлюлозный наполнитель, согласно изобретению дополнительно содержит лимонную кислоту и воду, в качестве пластификатора используют глицерин, в качестве биоразрушаемого наполнителя используют крахмал из некондиционного зерна пшеницы, в качестве целлюлозного наполнителя используют муку из свекловичного жома, при следующем соотношении компонентов, масс. %: крахмал из некондиционного зерна пшеницы - 17,1; мука из свекловичного жома - 17,1; глицерин - 8,4; лимонная кислота - 0,5; вода - 56,9.
Крахмал из некондиционного зерна пшеницы - это дешевое сырье, отличительной особенностью которого является способность образовывать клейстеры, которые стабильны при термическом воздействии, перемешивании и длительном хранении.
Крахмал из некондиционного зерна пшеницы поедается микроорганизмами почвы и способствует механическому разрушению изделия.
Свекловичный жом используют предварительно высушенный, измельченный и просеянный через сита размером фракций 200 мкм. Жом способствует ускорению механического разрушения за счет разрыхления структуры. Это явление приводит к лучшему проникновению воды и микроорганизмов внутрь материала, полученного из предлагаемой композиции.
В роли пластификатора выступает глицирин. Глицерин - это бесцветная, вязкая, очень гигроскопичная жидкость, смешивается с водой в любых пропорциях. В соединении с пропиленгликолем становится более текучим. Температура кипения составляет примерно 290°С. Глицерин легко смешивается со спиртом, водой, а также является хорошим растворителем многих соединений (как органических, так и неорганических). Основными физическими свойствами являются гигроскопичность, отсутствие запаха, цвета. Стоит отметить, что это не токсическое вещество, а поэтому и безопасное для здоровья человека.
С участием лимонной кислоты осуществляется гидролиз крахмала. Лимонная кислота - это белый кристаллический порошок, кисловатый на вкус.
Эффективность материала, полученного, как описано выше, по биодеструкции оценивали путем компостирования пленочных образцов во влажном почвогрунте, приготовленном в соответствии с ГОСТ 9.060-75. [4].
Способность биоразлагаемого вещества на основе природных полимеров, полученного, как описано выше, к биодеструкции оценивали путем компостирования биоразрушаемого вещества во влажном почвогрунте, приготовленном в соответствии с ГОСТ 9.060-75. Влагоемкость почвы поддерживали на уровне 60%, что является оптимальным для биологической активности микроорганизмов. Степень разложения определяли по изменению массы образцов.
Пример 1
16,3% крахмала (от общей массы композиции), 7,3% глицерина (от общей массы композиции), 0,4% лимонной кислоты (от общей массы композиции), 11,2% просеянной муки из свекловичного жома размером фракций 200 мкм. смешивали до однородности с 64,8% воды (от общей массы композиции), поддерживали при температуре 100°С с образованием суспензии, полученную суспензию выдерживали в покое в течение 12 часов при температуре 60°С с получением пленочных образцов.
Было найдено, что 5,19 гр. массы пленочного образца было потеряно в течение периода 45 дней, подтверждая, что полимерная композиция подверглась биоразложению, при этом начальная масса образца соответствовала 5,79 гр.
Пример 2
14,5% крахмала, 7,3% глицерина, 0,5% лимонной кислоты, 11,2% просеянной муки из свекловичного жома размером фракций 200 мкм. смешивали до однородности с 66,5% воды, поддерживали при температуре 100°С с образованием суспензии, полученную суспензию выдерживали в покое в течение 12 часов при температуре 60°С с получением пленочных образцов.
Было найдено, что 5,64 гр. массы пленочного образца было потеряно в течение периода 45 дней, подтверждая, что полимерная композиция подверглась биоразложению, при этом начальная масса образца соответствовала 5,82 гр.
Пример 3
15,2% крахмала, 7,3%. глицерина, 0,5% лимонной кислоты, 11,3% просеянной муки из свекловичного жома размером фракций 200 мкм. смешивали до однородности с 65,7%. воды, поддерживали при температуре 100°С с образованием суспензии, полученную суспензию выдерживали в покое в течение 12 часов при температуре 60°С с получением пленочных образцов.
Было найдено, что 5,78 гр. массы пленочного образца было потеряно в течение периода 45 дней, подтверждая, что полимерная композиция подверглась биоразложению, при этом начальная масса образца соответствовала 6,02 гр.
Пример 4
17,9% крахмала, 7,9% глицерина, 0,5% лимонной кислоты, 11,2% просеянной муки из свекловичного жома размером фракций 200 мкм. смешивали до однородности с 62,5% воды, поддерживали при температуре 100°С с образованием суспензии, полученную суспензию выдерживали в покое в течение 12 часов при температуре 60°С с получением пленочных образцов.
Было найдено, что 6,13 гр. массы пленочного образца было потеряно в течение периода 45 дней, подтверждая, что полимерная композиция подверглась биоразложению, при этом начальная масса образца соответствовала 6,32 гр.
Пример 5
13,4% крахмала, 7,1% глицерина, 0,4% лимонной кислоты, 11,3% просеянной муки из свекловичного жома размером фракций 200 мкм. смешивали до однородности с 67,8% воды, поддерживали при температуре 100°С с образованием суспензии, полученную суспензию выдерживали в покое в течение 12 часов при температуре 60°С с получением пленочных образцов.
Было найдено, что 6,42 гр. массы пленочного образца было потеряно в течение периода 45 дней, подтверждая, что полимерная композиция подверглась биоразложению, при этом начальная масса образца соответствовала 6,51 гр.
Пример 6
17,7% крахмала, 8,1% глицерина, 0,5% лимонной кислоты 11,2% просеянной муки из свекловичного жома размером фракций 200 мкм. смешивали до однородности с 62,5% воды поддерживали при температуре 100°С с образованием суспензии, полученную суспензию выдерживали в покое в течение 12 часов при температуре 60°С с получением пленочных образцов.
Было найдено, что 5,77 гр. массы пленочного образца было потеряно в течение периода 45 дней, подтверждая, что полимерная композиция подверглась биоразложению, при этом начальная масса образца соответствовала 5,96 гр.
Пример 7
17,7% крахмала, 5,2%. глицерина, 0,5% лимонной кислоты, 11,9% просеянной муки из свекловичного жома размером фракций 200 мкм. смешивали до однородности с 64,7% воды поддерживали при температуре 100°С с образованием суспензии, полученную суспензию выдерживали в покое в течение 12 часов при температуре 60°С с получением пленочных образцов.
Было найдено, что 6,12 гр. массы пленочного образца было потеряно в течение периода 45 дней, подтверждая, что полимерная композиция подверглась биоразложению, при этом начальная масса образца соответствовала 6,25 гр.
Пример 8
18,2% крахмала, 7,7% глицерина, 0,6% лимонной кислоты, 11,9% просеянной муки из свекловичного жома размером фракций 200 мкм. смешивали до однородности с 61,6% воды, поддерживали при температуре 100°С с образованием суспензии, полученную суспензию выдерживали в покое в течение 12 часов при температуре 60°С с получением пленочных образцов.
Было найдено, что 5,86 гр. массы пленочного образца было потеряно в течение периода 45 дней, подтверждая, что полимерная композиция подверглась биоразложению, при этом начальная масса образца соответствовала 6,14 гр.
Пример 9
17,1% крахмала, 8,4% глицерина, 0,5% лимонной кислоты, 17,1% просеянной муки из свекловичного жома размером фракций 200 мкм. смешивали до однородности с 56,9% воды, поддерживали при температуре 100°С с образованием суспензии, полученную суспензию выдерживали в покое в течение 12 часов при температуре 60°С с получением пленочных образцов.
Было найдено, что 6,78 гр. массы пленочного образца было потеряно в течение периода 45 дней, подтверждая, что полимерная композиция подверглась биоразложению, при этом начальная масса образца соответствовала 6,78 гр.
Пример 10
18,0% крахмала, 7,3% глицерина, 0,5% лимонной кислоты, 16,8% просеянной муки из свекловичного жома размером фракций 200 мкм. смешивали до однородности с 57,4% воды, поддерживали при температуре 100°С с образованием суспензии, полученную суспензию выдерживали в покое в течение 12 часов при температуре 60°С с получением пленочных образцов.
Было найдено, что 6,39 гр. массы пленочного образца было потеряно в течение периода 45 дней, подтверждая, что полимерная композиция подверглась биоразложению, при этом начальная масса образца соответствовала 6,48 гр.
Пример 11
18,3% крахмала, 7,9% глицерина, 0,5% лимонной кислоты, 14,9% просеянной муки из свекловичного жома размером фракций 200 мкм. смешивали до однородности с 58,4% воды поддерживали при температуре 100°С с образованием суспензии, полученную суспензию выдерживали в покое в течение 12 часов пи температуре 60°С с получением добавки биоразлагаемой полимерной композиции.
Было найдено, что 6,41 гр. массы пленочного образца было потеряно в течение периода 45 дней, подтверждая, что полимерная композиция подверглась биоразложению, при этом начальная масса образца соответствовала 6,45 гр.
Пример 12
18,7% крахмала, 7,8% глицерина, 0,5% лимонной кислоты, 20,0% просеянной муки жома из свекловичного размером фракций 200 мкм. смешивали до однородности с 53,0% воды, поддерживали при температуре 100°С с образованием суспензии, полученную суспензию выдерживали в покое в течение 12 часов при температуре 60°С с получением пленочных образцов.
Было найдено, что 6,50 гр. массы пленочного образца было потеряно в течение периода 45 дней, подтверждая, что полимерная композиция подверглась биоразложению, при этом начальная масса образца соответствовала 6,59 гр.
Таким образом, использование предлагаемого биоразлагаемого вещества на основе природных полимеров позволяет сократить сроки биоразложения до 45 суток.