Биологически разрушаемая термопластичная композиция с использованием отходов кондитерской промышленности

Биологически разрушаемая термопластичная композиция с использованием отходов кондитерской промышленности

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, пленка для мульчирования и уничтожения сорняков с эффектом прогревания).

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. Известны 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, кл. 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. т.1154, №4; патент США 5208267, C08J 9/02, 9/12, опубл. 03.05 2004, том 1150, №1; патент RU 2095379, опубл. 30.06.98; патент RU 2180670, опубл. 06.01.2000; патент RU 2174132, опубл. 23.06.2000; патент 1338405 ЕПВ, МЛК В29С 67/24, С08J 5/06, опубл. 27.08.2003; патент США 6054510, МПК⁷ С08L 63/00, опубл. 25.04.2000).

Фирмой Archer Daniels Midiand 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 сополикондесации
капролактама, адипиновой
кислоты и
гексаметилендиамина	1-10
Глицерин	20
Вода	20
Двуокись титана	20
Ультрамарин	0,008

Получение композиции по прототипу требует использования 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 использование жидких компонентов.

Задача изобретения - создание термопластичной композиции с использованием биоразлагаемого наполнителя - отходов кондитерской промышленности, 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 (59,5-79,5 мас.%), биоразлагаемый наполнитель, в качестве которого используют отходы кондитерской промышленности - какаовеллу (20-40 мас.%) и поверхностно-активное вещество (0,2-0,5 мас.%).

Согласно изобретению в качестве биоразлагаемого наполнителя, стимулирующего процесс биологического разрушения конечных изделий, изготовленных из сополимера этилена и винилацетата, используется какаовелла в количестве (20-40) мас.%.

Используемая для наполнения какаовелла имеет следующие физические характеристики: влажность 6,0...12,0%, белок 12,2...15,8%, крахмал 3,6...5,4%, какао-масло 1,2...4,6%, остальное 77-62,2%.

Какао бобы - дорогое импортное сырье для производства шоколада. Около 12% от массы какао боба приходится на долю какаовеллы, которая в производстве шоколада не используется. В измельченном виде она передается на корм скоту. Известно, что какаовеллу можно использовать в строительной промышленности (она имеет низкую теплопроводность), в бумажной промышленности. В силу природного происхождения какаовеллы, ее низкой стоимости как отходов технологического процесса переработки какао бобов целесообразна ее ассимиляция в качестве активного наполнителя биоразлагаемых полимеров.

Поверхностно-активное вещество выбиралось по принципу необходимости создания гетерогенной системы с заданными величинами ее эффективной вязкости в выбранном температурном интервале переработки. Поверхностно-активное вещество - моноэфир янтарной кислоты (оксиянт) выбиралось из ряда моноэфиров дикарбоновых кислот. Данное ПАВ использовалось в композиции для улучшения совместимости ингредиентов и достижения гомогенизации, а также в качестве инициатора биоразложения.

В качестве полимера, выполняющего роль дисперсионной среды, использовался сополимер этилена и винилацетата (СЭВА), обладающий следующими физико-химическими характеристиками: содержание винилацетата от 5 до 30 мас.%, плотностью 0,928-0,945 г/см³, относительное удлинение при растяжении 600-800%, разрушающее напряжение при разрыве 9-12 МПа.

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.

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.

Выбор оптимальных соотношений полимера и наполнителя обусловлен теоретическим пределом наполнения, который определяется силой взаимодействия на границе раздела фаз.

Согласно изобретению, оптимальным является соотношение "какаовелла - сополимер этилена и винилацетата (СЭВА)" (20-40):(59,5-79,5).

Предлагаемая композиция изготавливается следующим образом.

Пример 1.

40 мас.% какаовеллы смешивают с 59,5 мас.% сополимера этилена и винилацетата; 0,5 мас.% ПАВ в скоростном турбосмесителе в течение 5 минут. Полученная смесь поступает в экструдер для гомогенизации. Температура расплава на выходе из головки экструдера 100-125°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 какаовеллы 20 мас.%, сополимера этилена и винилацетата 79,5 мас.%, количество ПАВ - 0,2 мас.%. Гранулы, полученные из этого состава, используются для изготовления пленки методом экструзии с раздувом при температуре 120-135°С.

Составы композиций по примерам приведены в таблице 1. В примерах даны их оптимальные количества.

Таблица 1
№ примера	Наполнитель	Полимер	Технологические и эксплутационные свойства
	Какаовелла, мас.%	Полимер по прототипу**, мас.%	Сополимер этилена и винилацетата (СЭВА), мас.%	ПАВ, мас.%	Температура переаботки расплава, °С	ПТР, г/10 мин нагрузки	Водопоглощение за 24 час, %	Микробиологическая устойчивость
Пример 1	40,0	-	59,5	0,5	100-125	9,4	30	Обсемененность 10 см поверхности 1×70 ед
Пример 2	20,0	-	79,8	0,2	120-135	21,0	20	Обсемененность 10 см поверхности 1×40 ед
Пример 3	40,0	-	59,8	0,2	100-125	10,0	30,0	Обсемененность 10 см поверхности 1×70 ед
* Смесь кукурузного крахмала с продуктом сополиконденсации капролактама, адипиновой кислоты и гексаметилендиацетата

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 пленок и упаковок хозяйственного назначения, содержащая сополимер этилена и винилацетата, биоразлагаемый наполнитель - какаовелла, являющаяся отходом технологического процесса переработки какао бобов и поверхностно-активное вещество, из ряда моноэфиров дикарбоновых кислот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Сополимер этилена и винилацетата	59,5-79,5
Какаовелла	20,0-40,0
Поверхностно-активное вещество	0,2-0,5