Биологически разрушаемая термопластичная композиция с использованием ржаной муки

Биологически разрушаемая термопластичная композиция с использованием ржаной муки

Реферат

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