Биологически разрушаемая термопластичная композиция с использованием ржаной муки
Владельцы патента RU 2318006:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет прикладной биотехнологии" (RU)
Изобретение относится к получению пластических масс на основе сополимера этилена и винилацетата, применяемых в производстве различных термоформованных изделий, эксплуатируемых как в контакте с пищевыми продуктами, так и для использования в сельском хозяйстве. Биологически разрушаемая термопластичная композиция для изделий содержит 50-68,7 мас.% сополимера этилена и винилацетата, биоразлагаемый наполнитель, в качестве которого содержит ржаную муку в количестве от 30 до 48,7 мас.% и технологические добавки, в качестве которых используют катионное поверхностно-активное вещество, в количестве 0,1 мас.%, амилацетат кукурузный, в количестве 1 мас.% и 0,2 мас.% метилцеллюлозы. Технический результат состоит в создании термопластичной композиции с использованием биоразлагаемого наполнителя - ржаной муки, изделия из которой разрушаются под действием света, влаги и микрофлоры почвы. 2 табл.
Изобретение относится к получению пластических масс на основе сополимера этилена и винилацетата применяемых в производстве различных термоформованных изделий (потребительской тары, посуды и пр.), пленок, эксплуатируемых как в контакте с пищевыми продуктами, так и в технологических целях для народного хозяйства (коррексы для цветочной и овощной рассады).
В тяжелой экологической ситуации, сложившейся в мире, использование биологически разрушаемых полимерных материалов для получения изделий массового потребления, является основным направлением сокращения количества твердого мусора, так как будет обеспечивать их быстрое разложение под действием климатических факторов и микроорганизмов.
Одним из возможных направлений получения биологически разрушаемых материалов является модификация традиционных полимеров. Сочетание синтетического полимера с природным активным наполнителем может придавать материалу новый набор свойств.
Такие материалы представляют собой наполненные системы, где в качестве активного наполнителя используется крахмал. Из известных низко- и высоконаполненные крахмальные композиции. Наиболее важным качеством этих композиций является их способность к деструкции под действием природных факторов окружающей среды: света, тепла, микроорганизмов. Известен биологически разрушаемый упаковочный материал на основе крахмала (Франция, 2691467, класс 5 С08J 5/18, В65D 1/10, 65/46, С08L 3/20).
В последнее время появилось значительное количество патентов и научных публикаций, содержащих информацию об использовании крахмалов в качестве наполнителей для придания полимерным композициям биологической разрушаемости (патент США 5248702, C08J 9/12, опубл., том 1154, №4; патент США 5208267, С08J 9/02, 9/12, опубл. 93.05.2004 г., том 1150, №1; патент RU 2095379, опубл. 30.06.98 г.; патент RU 2180670, опубл. 06.01.2000 г.; патент RU 2174132, опубл. 23.06.2000 г.; патент 1338405 ЕПВ, МКЛ В29С 67/24, С08J 5/06, опубл. 27.08.2003 г.; патент США 6054510, МПК7 С08L 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 равно 5-6%. Недостатком такой композиции является то, что биологическому разрушению в ней подвергается только крахмальная составляющая.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является композиция по патенту РФ №2180670:
| крахмал | 100 |
| продукт сополиконденсации | |
| капролактама, адипиновой | |
| кислоты и гексаметилендиамина | 1-10 |
Получение композиции по прототипу требует использование пластификатора (водно-глицериновой смеси).
При наличии в композиции воды технологическая схема переработки требует дополнительного узла - дегазации, увеличивающего энергозатраты.
Предлагаемое решение упрощает технологию изготовления термопласта и исключает использования жидких компонентов.
Задача изобретения - создание термопластичной композиции с использованием биоразлагаемого наполнителя - ржаной муки, изделия из которой разрушаются под действием света, влаги и микрофлоры почвы.
Это достигается тем, что биологически разрушаемая термопластичная композиция для изделий, согласно изобретению, содержит сополимер этилена и винилацетата (50-68,7 мас.%), биоразлагаемый наполнитель, в качестве которого используют ржаную муку (30-48,7 мас.%) и технологические добавки, в качестве которых используют катионное поверхностно-активное вещество (0,1 мас.%), амилацетат кукурузный (1 мас.%) и метилцеллюлозу (0,2 мас.%).
Технологические добавки с различным функциональным назначением выбирались по принципу необходимости создания гетерогенной системы с заданными величинами ее эффективной вязкости в выбранном температурном интервале переработки. Катионные ПАВы выбирались из ряда четвертичных аммониевых солей: алкоксиметилпиридиний хлорид, цнтилпиридиний хлорид (торговая марка Катапав, П-26), которые использовались в композиции для улучшения совместимости ингредиентов и достижения гомогенизации, предотвращения комкования порошкообразной смеси. Метилцеллюлоза и амилацетат кукурузный являются водоудерживающими и пленкообразующими модификаторами.
Указанные компоненты вводились в необходимых количествах, используя общепринятые в технологии получения пластмасс приемы введения малых добавок твердой консистенции.
Такая композиция обладает реологическими характеристиками, которые соответствуют требованиям, предъявляемым к материалам для переработки на традиционном для пластмасс оборудовании (экструдер, термопластавтомат).
Изделия из предлагаемой композиции обладают заданными эксплуатационными характеристиками, в том числе биологической разрушаемостью.
Используемая для наполнения ржаная мука имеет следующие физические характеристики: влажность 15%, зольность не более 1,45%, белки 8,9 г, жиры 1,7 г, углеводы 61,8 г.
В качестве полимерного связующего использовался сополимер этилена и винилацетата (СЭВА), обладающий следующими физико-химическими характеристиками: содержание винилацетата от 5 до 30 мас.%, плотностью 0,928-0,945 7/см3, относительное удлинение при растяжении 600-800%, разрушающее напряжение при разрыве 9-12 МПа.
Полимерное связующее играет роль дисперсионной среды. Поверхность наполнителя способна активно взаимодействовать с полимерным связующим, оказывая определенное влияние на реологические свойства композиций и физико-механические характеристики изделий.
Наполнитель и полимер являются гидрофильными и имеют поверхностно-активные центры, способные образовывать достаточно прочные водородные связи. Адгезионное взаимодействие на границе раздела полимер - биоразлагаемый наполнитель представляет собой адсорбционное взаимодействие двух тел.
Выбор оптимальных соотношений полимера и наполнителя обусловлен теоретическим пределом наполнения, который определяется силой взаимодействия на границе раздела фаз.
Согласно изобретению в качестве биоразлагаемого наполнителя, стимулирующего процесс биологического разрушения конечных изделий, изготовленных из сополимера этилена и винилацетата, используется ржаная мука в количестве (30-48,7) мас.%.
Предлагаемый сополимер этилена и винилацетата обладает высокими физико-механическими свойствами, повышенной эластичностью, деформационной теплостойкостью при переработке, имеет достаточное водопоглощение (1-3%), что способствует биоразложению готовых изделий при утилизации.
Оптимальным согласно изобретению является соотношение ржаная мука - сополимер этилена и винилацетата (СЭВА) (30-48,7):(50-68,7), катионное поверхностно-активное вещество (0,1 мас.%), амилацетат кукурузный (1 мас.%) и метилцеллюлозу (0,2 мас.%).
Предлагаемое изобретение осуществляется следующим образом.
Пример 1
48,7 мас.% ржаной муки смешиваются с 50 мас.% сополимера этилена и винилацетата; 0,1 мас.% катионного поверхностно-активного вещества (алкоксиметилпиридиний хлорид), 1 мас.% амилацетата кукурузного; 0,2 мас.% метилцеллюлозы в скоростном турбосмесителе в течение 5 мин. Полученная смесь поступает в экструдер для гомогенизации. Температура расплава на выходе из головки экструдера 90-100°С.
Полученные жгуты охлаждают потоком холодного воздуха и разрезают на гранулы размером 4-6 мм. Из полученных гранул на экструдере со щелевой головкой получают лист, из которого формуют коррексы и контейнеры различных размеров.
Пример 2
Приготовление композиции по примеру 1. Количество ржаной муки 30 мас.%, сополимера этилена и винилацетата 68,7 мас.%. Гранулы, полученные из этого состава, используются для изготовления пленки методом экструзии с раздувом, при температуре 120-150°С.
Пример 3
Приготовление композиции по примеру 1. В качестве катионного поверхностно-активного вещества используют цетилпиридиний хлорид в количестве 0,1 мас.%.
Составы композиций по примерам приведены в таблице 1. Технологические добавки используются в предлагаемых композициях в традиционных соотношениях. В примерах даны их оптимальные количества.
| Таблица 1 | ||||||||||
| №№ примера | Наполнитель | Полимер | Технологические добавки | Технологические и эксплутационные свойства | ||||||
| Ржаная мука | Полимер по прототипу* | Сополимер этилена и винилацетата (СЭВА) | Катионное ПАВ, мас.% | Амилацетат кукурузный мас.% | Метилцеллюлоза, мас.% | Температура переработки расплава, °С | ПТР, г/10 мин. нагрузки | Водопоглощение за 24 часа, % | Микробиологическая устойчивость | |
| Прототип | - | 100 | - | - | - | - | 135 | 15 | 15 | Обсемененность 10 см поверхности 1×30 ед. |
| Пример 1 | 48,7 | - | 50 | 0,1** | 1 | 0,2 | 90-100 | 18 | 35 | Обсемененность 10 см поверхности 1×70 ед. |
| Пример 2 | 30 | - | 68,7 | 0,1 | 1 | 0,2 | 120-150 | 22 | 20 | Обсемененность 10 см поверхности 1×40 ед. |
| Пример 3 | 48,7 | - | 50 | 0,1*** | 1 | 0,2 | 90-100 | 18 | 35 | Обсемененность 10 см поверхности 1×70 ед. |
| *Смесь кукурузного крахмала с продуктом сополиконденсации капролактама, адипиновой кислоты и гексаметилендиацетата **Алкоксиметилпиридиний хлорид ***Цетилпиридиний хлорид |
В таблице 2 приведены методы определения свойств, обеспечивающих задачу изобретения.
| Таблица 2 | ||
| №№ п/п | Наименование показаний | Методы испытаний |
| 1 | Показатель текучести расплава композиции (ПТР) при температуре 120°С, г/10 мин | ГОСТ 11645-73 |
| 2 | Температура переработки композиции, °С | ГОСТ 11645-73 |
| 3 | Водопоглощение, % за 24 ч | ГОСТ 4650-80 |
| 4 | Микробиологическая устойчивость | ГОСТ 9.053-75 ГОСТ 9.049-91 |
Биологически разрушаемая термопластичная композиция для изделий, отличающаяся тем, что содержит сополимер этилена и винилацетата, биоразлагаемый наполнитель, в качестве которого используют ржаную муку и технологические добавки, в качестве которых используют катионное поверхностно-активное вещество, амилацетат кукурузный и метилцеллюлозу, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| сополимер этилена и винилацетата | 50-68,7 |
| ржаная мука | 30-48,7 |
| катионное поверхностно- | |
| активное вещество | 0,1 |
| амилацетат кукурузный | 1 |
| метилцеллюлоза | 0,2 |
