БИОЛОГИЧЕСКИ РАЗРУШАЕМАЯ ТЕРМОПЛАСТИЧНАЯ КОМПОЗИЦИЯ
BIOLOGICALLY DEGRADABLE THERMOPLASTIC COMPOSITION

Изобретение относится к полимерным композициям, содержащим синтетический термопластичный полимер и наполнитель, пригодный для получения биоразлагаемых полимерных изделий на основе полиэтилена низкой плотности с удовлетворительными эксплуатационными свойствами традиционной технологией переработки термопластичных материалов.
Ввиду постепенно ухудшающейся в мире экологической обстановки использование биологически разрушаемых материалов для получения изделий массового потребления является основным направлением сокращения количества твердого мусора, так как будет обеспечивать их быстрое разложение под действием факторов внешней среды и продуктов жизнедеятельности микроорганизмов.
Одним из возможных направлений получения биологически разрушаемых материалов является модификация традиционных полимеров. Сочетание синтетического полимера с природным полимером и пластификаторами может придавать материалу необходимые свойства для биоразложения в микробиологической среде почвенного покрова. Под воздействием внешних факторов наполнители с большей скоростью разрушаются, вызывают деструктивные изменения в полимерах и сокращают тем самым время их разложения, объемы отходов и свалок.
Такие материалы представляют собой композиции, где в качестве активатора биоразлагаемых свойств служит крахмал как наиболее легко, из природных биополимеров, разрушающийся под действием ферментов микроорганизмов и других факторов внешней среды.
В последнее время появилось значительное количество патентов и научных публикаций, содержащих информацию об использовании крахмалов  или крахмалсодержащего сырья в качестве наполнителей для придания полимерным композициям свойства биоразрушаемости: патент Франции, 2691467, кл. C08J 5/18, B65D 1/10, 65/46, C08L 3/20, патент США 5248702, C08J 9/12, патент США 5208267, C08J 9/02, 9/12, патент RU 2180670, опубл. 06.01.2000 г.; патент RU 2174132, опубл. 23.06.2000 г.; патент 1338405 ЕПВ, МПК В29С 67/24, C08J 5/06, опубл. 27.08.2003 г.; патент США 6054510, МПК7 C08L 63/00, опубл. 25.04.2000 г.
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 5-6%. Термопластичные композиции вышеупомянутого типа известны и раскрыты, например, в ЕР-А-0400532, ЕР-А-0032802; ЕР-А-0327505, WO 91/02024.
Такие композиции могут быть получены смешиванием компонентов на основе крахмала с синтетическим термопластичным компонентом в условиях экструзионной обработки.
Известна композиция, включающая крахмал (100 мас. %); продукт сополиконденсации капролактама, адипиновой кислоты и гексаметилендиамина (1-10 мас. %); водно-глицериновую смесь (20%+20%); двуокись титана, ультамарина (20,008%), а также композиции с отходами пищевых производств - с какаовеллой (отходом переработки какао-бобов) и свекловичным жомом (отходом свеклосахарного производства) [патент RU №2180670]. Известна композиция которая содержит сополимер этилена и винилацетата (59,5-79,5 мас. %); какаовеллу (20-40 мас. %); поверхностно-активное вещество (0,2-0,5 мас. %) [патент RU №2349612]. Композиция по патенту РФ №2408621 предусматривает использование отходов полиэтилена (60-89 мас. %); свекловичного жома (10-30 мас. %); бентонита (1-10 мас. %). Недостатком композиции по патенту РФ №2349612 является использование глицерина в составе водной смеси, которая требует узла дегазации, увеличивающего энергозатраты; недостатком композиций с отходами пищевых производств является низкое содержание крахмала в составе наполнителя какаовеллы (3,6-5,4%) и полное его отсутствие в составе свекловичного жома.
Наиболее близкой к изобретению является композиция, включающая отходы полиэтилена 67-76,5%; рисовую лузгу 20-30%; олигомерный краситель 1-2%, двуокись титана 0,5-1% [патент RU №2363711]. Недостатком композиции являются низкие физико-механические и эксплуатационные свойства, проявляющиеся в повышенной хрупкости изделий, недостаточной прочности и величине водопоглощения. Недостатки проявляются, несмотря на более высокую массовую долю крахмала (36 мас. %) в лузге, по сравнению с другими видами отходов. Но чрезмерно высокая массовая доля клетчатки (45%) и присутствие других компонентов (жир, минеральные веществ), находящихся во взаимодействии с крахмалом, тормозят процесс разложения полимерного крахмала как наиболее легко разлагающегося под действием микроорганизмов и других факторов.
Задача изобретения - создание термопластичной композиции, способной придавать биоразлагаемые свойства синтетическому полимеру (линейному полиэтилену низкой плотности), для производства биоразлагаемых полимерных изделий, разрушающихся в условиях окружающей среды (свет, атмосферные осадки, микроорганизмы и т.д.).
Проблема решается тем, что биологически разрушаемая термопластичная композиция для изготовления пленок и изделий содержит полиэтилен (60-70%), крахмал (18-24%), глицерин (9-12%) и сорбитол (3-4%).
Компоненты вводили в необходимых количествах, используя приемы, общепринятые в технологии получения пластмасс. В качестве полимера использовался линейный полиэтилен низкой плотности.
Предлагаемая композиция обладает реологическими характеристиками, которые соответствуют требованиям, предъявляемым к материалам для переработки на традиционном для пластмасс оборудовании (экструдер, термопластавтомат). Изделия обладают необходимыми эксплуатационными характеристиками и свойствами, в частности биологической разрушаемостью после срока эксплуатации в течение 18 месяцев.
3
-1
Термопластичный крахмал (ТПК), используемый в качестве наполнителя, имеет следующие характеристики: массовая доля влаги - не более 1%; массовая доля золы - не более 0,3%; текучесть клейстера - не менее 60 см; предельное напряжение при растяжении - не менее 4 МПа; относительное удлинение при разрыве - не менее 15%; ТПК производится методом экструзии при оборотах шнека 60-80 мин, температуре на выходе из экструдера 115°С.
Выбор оптимальных соотношений полимера и наполнителя обусловлен теоретическим пределом наполнения, который определяется силой взаимодействия на границе раздела гидрофильных и гидрофобных фаз.
Поверхность полиэтилена играет роль дисперсной среды, среди которой равномерно распределены частицы ТПК, содержащие крахмал и пластификаторы-полиолы: трехатомный спирт глицерин и пятиатомный спирт сорбитол. Глицерин повышает показатель текучести расплава композиции, что положительно отражается на ее растяжении, деформации, а в конечном итоге на способности композиции к биоразложению. Сорбитол гидрофобной частью взаимодействует с гидрофобной поверхностью полиэтилена, а гидрофильной частью через спиртовые группы -ОН- с гидрофильным крахмалом, ослабляя тем самым внутримолекулярные связи внутри полиэтилена. Молекулы крахмала, находящиеся во взаимодействии с гидроксильными группами сорбитола, в первую очередь подвергаются деструкции под влиянием внешних факторов, а продукты деструкции при участии уже сорбитола и глицерина нарушают структуру синтетического полимера с образованием пустот, щелей, в которые проникает вода, микроорганизмы и другие факторы, вызывающие его ускоренное разложение.
Достоинством предлагаемой композиции является отсутствие технологических добавок, таких как двуокись титана и олигомерный краситель, которые понижают ее экологическую безопасность, особенно если происходит контакт с пищевыми продуктами.
Согласно изобретению в качестве биоразлагаемого наполнителя, стимулирующего процесс биоразложения конечных изделий из полиэтилена, используется ТПК в количестве 30-40%. Оптимальное соотношение полиэтилен:ТПК составляет (60-70%) и (30-40%) соответственно.
Предлагаемое изобретение осуществляется следующим способом.
Пример 1. 70 мас. % полиэтилена смешивают с 30 мас. % ТПК в скоростном смесителе в течение 7 минут.
Полученная смесь поступает в экструдер для гомогенизации. Температура расплава на выходе из головки экструдера 140°C.
Полученные жгуты охлаждают потоком холодного воздуха и разрезают на гранулы размером 2×3 мм. Из полученных гранул на экструдере со щелевой головкой получают пленку или лист, из которого формуют различные изделия.
Пример 2. Приготовление композиции по примеру 1. Количество ТПК 35 мас. %, количество полиэтилена 65 мас. %.
Пример 3. Приготовление композиции по примеру 1. Количество ТПК 40 мас. %, количество полиэтилена 60 мас. %.
В табл. 1 и 2 приведены составы композиции по примерам и их характеристики.