БИОРАЗЛАГАЕМАЯ ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ИЗ ВТОРИЧНОГО КРАХМАЛСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
BIODEGRADABLE POLYMER COMPOSITION FROM SECONDARY STARCH-CONTAINING RAW MATERIAL

Изобретение относится к биоразлагаемым полимерным композициям для создания изделий, способных подвергаться биоразложению в природных условиях, в частности для создания биоразлагаемой полимерной пленки для упаковки продуктов.
Известно, что большую часть полимерных материалов, используемых в мировом производстве, получают на основе продуктов переработки. углеводородсодержащего сырья (пропилена, этилена и других органических соединений). Но дальнейшее акцентирование внимания на таких технологиях не целесообразно в связи с тем, что, во-первых, с каждым годом отмечается рост цен на углеводородсодержащее сырье и происходит истощение его запасов на планете, и, во-вторых, уже доказано его негативное воздействие на окружающую среду и организм человека.
В целом во всем мире переработке подвергается всего 3% от общего количества отходов полимеров, в то время как доля, например, утилизированной бумаги составляет 30%, металла - 35%, стекла - 18%.
Потому разработки технологий получения биоразлагаемых полимерных материалов представляются исключительно актуальными. Перспективным сырьем для получения биоразлагаемых полимерных композиций являются отходы растительного происхождения.
В настоящее время известно множество биоразлагаемых композиций и пленочных материалов из них.
Известна биоразлагаемая термопластичная композиция (RU, патент 2473578, опубл. 27.01.2013), включающая лигноцеллюлозный наполнитель, связующий агент (сополимер этилена и винилацетат) 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.
Недостатком данного изобретения является получение тонкого материала с ограниченными барьерными свойствами.
Известно биоразлагаемое вещество на основе возобновляемого сырья (RU, патент 2606990, опубл. 10.01.2017), полученное из наполнителя, воды и пластификаторов, в которой в качестве наполнителя использован крахмал, а в качестве пластификаторов желатин и поливинилацетат. Дополнительно в качестве структурообразователя биоразлагаемая композиция может содержать натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы, другие пластификаторы, в частности диметилсульфоксид, карбамид и (или) глицерин.
Недостатком данного изобретения является необходимость дополнительного введения в рецептуру пластификатора и структурообразователя.
Известен способ получения биоразлагаемой смеси для производства формованных изделий (RU, патент 2542558, опубл. 20.02.2015), содержащей в составе частицы крахмала, упрочняющий уплотнитель в виде натурального волокнистого материала, пластификатор и связывающий агент, а также щелочь либо соль. Крахмал содержит крахмал, приготовленный из маниоки, риса, клейкого риса, батата, картофеля, кукурузы, сорго и саго. Натуральный волокнистый материал содержит бамбук, травы семейства однодольных или осоковых, и мякоть маниоки. Пластификаторы отбирают из следующих: групп полиолов: глицерин, или сорбит, или сахариды, к которым относятся сахар, глюкоза, фруктоза, патока и мед; или липиды, или их производные, к которым относятся жирные кислоты, сложные эфиры жирных кислот, моноглицериды, диглицериды, дистиллированный ацетилированный моноглицерид или фосфолипиды, которые могут использоваться отдельно или в смеси.
Недостаток данной упаковки заключается в ограничении ее использования, т.к. предлагаемый биоразлагаемый материал для упаковывания пищевых продуктов не используется.
Известное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в разработке оптимального состава биоразлагаемой полимерной композиции на основе отходов вторичного крахмалсодержащего сырья, пригодной для упаковки продуктов и сохраняющей свои свойства и характеристики непосредственно в период использования.
Полученная биоразлагаемая полимерная композиция заданного состава в дальнейшем под воздействием условий окружающей среды претерпевает биологические, химические и физико-химические превращения, при этом включаясь в обменные процессы в природной биосистеме.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в получении биоразлагаемого материала на основе полимерной крахмалосодержащей массы, модифицированной различными функциональными группами, способствующими биоразложению материала.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать биоразлагаемую полимерную композицию, в состав которой входят крахмалосодержащая масса и загустители/стабилизаторы, в частности пектин, альгинат натрия и карбоксиметилцеллюлоза, и вода.
Разработанная биоразлагаемая композиция может содержать:
- крахмалосодержащую массу и растительные полисахариды в следующем соотношении (масс. %):
Крахмалосодержащая масса (картофельно-крахмальная мезга + 15% сорбитола) - 10,0
Пектин - 10,0
Карбоксиметилцеллюлоза - 10,0
Альгинат натрия - 10,0
Вода - 60,0
- крахмалосодержащую массу и растительные полисахариды в следующем соотношении (масс. %):
Крахмалосодержащая масса (клеточный сок картофеля + 20% дибутилсебацината) - 5,0
Пектин - 10,0
Карбоксиметилцеллюлоза - 10,0
Альгинат натрия - 10,0
Вода - 65,0
Среди природных гелеобразующих полимеров крахмал занимает одно из ведущих мест по объему применения в различных отраслях промышленности. В настоящее время для многих отечественных предприятий, перерабатывающих картофель на крахмал, остро стоит вопрос утилизации жидких побочных продуктов (картофельно-крахмальная мезга и клеточный сок). Эти продукты используются сезонно на корм скоту и ввиду высокой их влажности зачастую портятся, загрязняя окружающую среду.
Иногда картофельная мезга не полностью используется на корм скоту в свежем виде и хранится в ямах, что приводит к большим потерям питательных веществ (до 30-35% сухого вещества).
Поскольку картофельно-крахмальная мезга и клеточный сок картофеля характеризуются высоким содержанием крахмала (10,65-12,05% для мезги и 6,25-6,35%) для клеточного сока), целесообразно использовать данные отходы картофельного производства в технологии биоразлагаемых полимерных материалов.
Термопластичный, или термопластифицированный, крахмал в настоящее время является одним из главных объектов исследования для производства недорогих биоразлагаемых материалов. Известно, что крахмал не является истинным термопластом, но в присутствии пластификаторов при высокой температуре он плавится и разжижается, что позволяет использовать его на литьевом, экструзионном и раздувном оборудовании, применяемом для производства полимерной продукции.
Далее представлены примеры биоразлагаемой полимерной композиции для создания изделий, способных подвергаться биоразложению в природных условиях.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами (сравнение полученной биоразлагаемой полимерной композиции для обоснования достижения указанного технического результата будет проведено с биоразлагаемой смесью, полученной согласно патенту RU 2542558).
Пример 1
Исходное сырье (отходы переработки картофеля и растительные полисахариды) принимают, оценивают качество согласно нормативным документам и готовят крахмалосодержащую массу: картофельно-крахмальная мезга + 15% сорбитола, при t=100-120°С. Далее готовят композиции из крахмалосодержащей массы и растительных полисахаридов при нагревании до температуры 70-80°С при перемешивании до полного растворения при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Крахмалосодержащая масса - 10,0
Пектин - 10,0
Карбоксиметилцеллюлоза - 10,0
Альгинат натрия - 10,0
Вода - 60,0
Далее смесь компонентов нагревают, плавят, перемешивают в канале шнека экструдера (температура 140-170°С, скорость линии - 150-250 мм/мин) и выдавливают через кольцевую формующую головку.
Когда заготовка достигает нужной длины, полуформы сжимаются, фиксируя верхний и нижний края заготовки своими бортами. Нижний конец заготовки сваривается, при этом образуя отверстия на ее верхнем конце (или наоборот). После сжатия формы в нее через дорн или ниппель подается сжатый воздух, способствуя размягчению материала рукава, который принимает при этом очертания внутренней полости формы.
Когда заготовка вступает в контакт с поверхностью охлаждаемой формы, начинается ее охлаждение до тех пор, пока не охладятся самые толстые участки изделия, соединенные с дном или горловиной. Температура охлаждения - 20°С.
После охлаждения изделия форма раскрывается, готовое изделие извлекается и направляется на окончательную обработку (удаление приливов, снятие заусенцев и т.п.).
Результаты определения структурно-механических свойств, толщины и плотности, степени биоразложения полученной биоразлагаемой композиции по сравнению с ближайшим аналогом (RU, патент 2542558) представлены в таблицах 1-3.
Пример 2
Исходное сырье (отходы переработки картофеля и растительные полисахариды) принимают, оценивают качество согласно нормативным документам и готовят крахмалосодержащую массу: клеточный сок картофеля + 20% дибутилсебацината, при t=100-120°С. Далее готовят композиции из крахмалосодержащей массы и растительных полисахаридов при нагревании до температуры 70-80°С при перемешивании до полного растворения при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Крахмалосодержащая масса - 5,0
Пектин - 10,0
Карбоксиметилцеллюлоза - 10,0
Альгинат натрия - 10,0
Вода - 65,0
Далее смесь компонентов нагревают, плавят, перемешивают в канале шнека экструдера (температура 140-170°С, скорость линии - 150-250 мм/мин) и выдавливают через кольцевую формующую головку.
Когда заготовка достигает нужной длины, полуформы сжимаются, фиксируя верхний и нижний края заготовки своими бортами. Нижний конец заготовки сваривается, при этом образуя отверстия на ее верхнем конце (или наоборот). После сжатия формы в нее через дорн или ниппель подается сжатый воздух, способствуя размягчению материала рукава, который принимает при этом очертания внутренней полости формы.
Когда заготовка вступает в контакт с поверхностью охлаждаемой формы, начинается ее охлаждение до тех пор, пока не охладятся самые толстые участки изделия, соединенные с дном или горловиной. Температура охлаждения - 20°С.
После охлаждения изделия форма раскрывается, готовое изделие извлекается и направляется на окончательную обработку (удаление приливов, снятие заусенцев и т.п.).
Результаты определения структурно-механических свойств, толщины и плотности, степени биоразложения полученной биоразлагаемой композиции по сравнению с ближайшим аналогом (RU, патент 2542558) представлены в таблицах 1-3.
Таким образом, установлено, что изготовленные по данным рецептурам биоразлагаемые полимерные композиции обладают высокой прочностью и имеют высокую степень разложения.