БИОРАЗЛАГАЕМАЯ КОМПОЗИЦИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНА И ПРИРОДНЫХ ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ
BIODEGRADABLE COMPOSITION BASED ON POLYETHYLENE AND NATURAL WOOD PROCESSING PRODUCTS

Изобретение относится к производству полимерных композиций, содержащих в качестве основы полиэтилен или пропилен, в качестве наполнителя - органические материалы растительного происхождения, а также различные функциональные добавки. Композиции предназначены для получения биологически разрушаемых изделий различного назначения, например пленок, термоформованных изделий, с использованием традиционных технологий и оборудования.
Известна биологически разрушаемая термопластичная композиция, изготовленная из производственных и бытовых отходов полиэтилена как полимерной основы, свекловичного жома в качестве биоразлагаемого наполнителя и бентонита в качестве функциональной добавки (заявка RU 2008138385, МПК C08L 30/00, C08J 3/02, опубл. 10.04.2010 г.). Компоненты в композиции содержатся в следующем соотношении, в мас.%: отходы полиэтилена - 89-60, свекловичный жом - 10-30, бентонит - 1-10. Бентонит в этом составе используют в качестве диспергатора, облегчающего распределение компонентов в полимерной матрице.
К недостаткам способа следует отнести высокую вязкость расплавов композиции в рабочем режиме ее переработки, а также высокий расход полимера.
Наиболее близкой по технической сущности и назначению композицией к составу в предлагаемом изобретении является композиция, содержащая в качестве основы производственные и/или бытовые отходы полиэтилена, в качестве биоразлагаемого наполнителя - рисовую лузгу, основными компонентами которой являются целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин, а также функциональные добавки - двуокись титана и олигомерный краситель (RU 2363711, МПК C08L 23/06, C08L 97/02, C08L 3/00, C08J 11/04, опубл. 10.08.2009 г.). Соотношение компонентов в композиции, в мас.%: отходы полиэтилена 67-76,5, рисовая лузга 20-30, двуокись титана 0,5-1, олигомерный краситель 1-2. Двуокись титана вводят в композицию для снижения ее светостойкости и, соответственно, для сокращения срока биоразложения материала.
К недостаткам этой композиции следует отнести ее низкое влагопоглощение, низкий модуль упругости полученных из нее изделий, а также высокий расход полимера.
Новыми положительными свойствами предлагаемой композиции являются более высокое водопоглощение и, соответственно, более высокая скорость процесса биоразложения, использование в качестве биоразлагаемого материала недорогих и доступных отходов механической обработки древесины, высокая концентрация биоразлагаемого наполнителя в композиции и, соответственно, в изделиях при обеспечении приемлемых механических показателей.
Указанные результаты достигаются тем, что в биоразлагаемой композиции на основе полиэтилена и природных продуктов переработки древесины, содержащей полимер, лигноцеллюлозный материал в качестве биоразлагаемого наполнителя, функциональные добавки, согласно изобретению в качестве лигноцеллюлозного материала используют древесную муку, а в качестве функциональных добавок - бентонит, сшитый поливиниловый спирт, компатибилизатор и наноразмерные частицы неорганического материала при следующем соотношении компонентов в композиции, в маc.ч.:
полиэтилен
100
древесная мука
70
бентонит
6
сшитый поливиниловый спирт
3
компатибилизатор
12
наноразмерные неорганические частицы
4
В качестве компатибилизатора используют сополимер этилена и винилацетата, а в качестве наноразмерных неорганических частиц - химически осажденные гидроксид железа или сульфат кальция.
Назначение функциональных добавок следующее. При контакте изготовленных из композиций изделий с водой она по микроскопическим дефектам в матрице полимера проникает вглубь материала к поверхностям всех частиц, что вызывает постепенное набухание способных к этому компонентов. При набухании бентонита объем его частиц увеличивается в 2-3 раза, частиц поливинилового спирта (ПВС) - в 10-12 раз. Вследствие возникающих при набухании частиц локальных напряжений в полимере образуются новые дефекты, способствующие более быстрому и глубокому проникновению в объем материала воды, воздуха, микроорганизмов. Тем самым обеспечиваются условия для биоразложения древесных частиц и, соответственно, механического разрушения материала в целом. В определенных условиях частицы бентонита играют роль «купе» воды для частиц ПВС. Кроме того, бентонит обладает хорошими диспергирующими свойствами.
Компатибилизатор, в качестве которого используют сополимер этилена с винилацетатом, хорошо совмещается в расплаве с полиэтиленом и имеет хорошую адгезию к древесному материалу. Поэтому добавки данного компатибилизатора упрочняют полимерную композицию в целом.
Наноразмерные неорганические частицы, равномерно распределенные в матрице полимера, также повышают его механическую прочность. Это дает возможность добавлять в композицию большее количество биоразлагаемой древесной муки без уменьшения механических показателей изделий ниже допустимого уровня и обеспечивать тем самым более быстрое разрушение изделий в условиях, возникающих, например, при захоронении использованных изделий на полигонах.
Соотношения массовых долей компонентов в предлагаемой композиции и, в первую очередь, между долями полимерной основы и биоразлагаемого материала выбраны в пределах, обеспечивающих создание гетерогенной системы с допустимыми величинами ее вязкости в рабочем диапазоне температуры расплава и, соответственно, возможность использования общепринятых технологий и оборудования - смесителей, экструдеров, термопластавтоматов - для приготовления смесей и получения из них изделий.
При определении верхней границы доли древесной муки и оптимального расхода функциональных добавок учтены допустимые технические характеристики изделий, обеспечивающие нормальную эксплуатацию в обычных условиях и заданную скорость биоразрушения в условиях захоронения после завершения эксплуатации.
На всех этапах технологической цепи, включающей подготовку сырья и других компонентов композиций, приготовление промежуточных продуктов, получение конечных изделий, контроль технологических процессов и измерение технических характеристик изделий проводят с использованием известных приемов и оборудования и с учетом требований соответствующих ГОСТов.
2
При изготовлении композиций и изделий по примерам используют полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), сополимер этилена с винилацетатом, древесную муку фракции 140-200 мкм (Пример 1) и менее 140 мкм (Пример 2), бентонит и ПВС с размером частиц менее 140 мкм, сульфат кальция (Пример 1), гидроксид железа (Пример 2). Смесь компонентов готовят в смесителе типа «Брабандер» в течение 10 минут при температуре 140°C. Полученную смесь охлаждают и измельчают в дробильном устройстве. Из дробленки с использованием пресса при температуре 140°C и давлении 60 кгс/см в течение 4 минут получают пластины толщиной 1000 мкм (Пример 1), а на экструдере с щелевой головкой при температуре 170°C получают пленку толщиной 200 мкм.
Для сравнения в этих же условиях получают пластины толщиной 1000 мкм из композиции по прототипу. Используют фракцию измельченной в истирающей мельнице рисовой лузги 140-200 мкм (Пример 3).
В таблице приведены показатели технологических, физико-механических и эксплуатационных свойств композиций и изделий из них.
Таблица
Показатели технологических, физико-механических и эксплуатационных свойств композиций и изделий из них
№ примеров
Показатель текучести расплава (ПТР)
Модуль упругости
Влагопоглощение на воздухе за 24 часа
Микробиологическая устойчивость
Потеря массы за 15 недель
Оценка в баллах
г/10 мин
МПа
%
%
1
1,6 (140°C)
282
11
12
4
2
3,4 (170°C)
291
10
12
4
3 (прототип)
3,9 (140°C)
180
6
8
2
Изготовление композиций и изделий в промышленном масштабе проводят таким же образом, как и в примерах, с использованием оборудования соответствующей производительности. В качестве основного сырья предпочтительно перерабатывать промышленные и/или бытовые отходы полиэтилена.