Биологически разрушаемая термопластичная композиция с использованием отходов кондитерской промышленности
Владельцы патента RU 2349612:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет пищевых производств" Министерства образования Российской Федерации (RU)
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет прикладной биотехнологии" (RU)
Термопластичная композиция, применяемая в производстве пленок и различных термоформованных изделий для использования в сельском хозяйстве и в качестве упаковки для товаров народного потребления, содержит сополимер этилена и винилацетата, биоразлагаемый наполнитель - какаовелла - отход технологического процесса переработки какао бобов и поверхностно-активное вещество из ряда моноэфиров дикарбоновых кислот. Технический результат - создание термоформуемой композиции, изделия из которой биологически 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, 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 |
