Биологически разрушаемая термопластичная композиция

Изобретение относится к полимерным композициям, предназначенным для получения биодеградируемых изделий, таких как пленки и термоформованные изделия в виде потребительской тары. Композиция содержит производственные и/или бытовые отходы полиэтилена, олигомерный краситель, двуокись титана и в качестве биоразлагаемого наполнителя - рисовую лузгу. Композиция по изобретению обладает реологическими характеристиками, которые соответствуют требованиям, предъявляемым к полимерным материалам для возможности их переработки на традиционном оборудовании, а также необходимыми эксплуатационными характеристиками, в том числе биологической разрушаемостью после срока эксплуатации в течение 18 месяцев. 2 табл.

 

Изобретение относится к полимерным композициям, содержащим наполнители и синтетические термопластичные полимеры, пригодные для получения биодеградируемых изделий с удовлетворительными эксплуатационными свойствами традиционной технологией переработки термопластичных материалов.

В тяжелой экологической ситуации, сложившейся в мире, использование биологически разрушаемых 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. 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 разрушаемости (патент США 5248702, С08J 9/12, опубликован, том 1154, №4, патент США 5208267, С08J 9/02, 9/12, опубликован 93.05.2004 г., том 1150, №1; патент RU 21800670, опубл. 06.01.2000 г.; патент RU 2174132, опубликован 23.06.2000 г.; патент 1338405 ЕПВ, МПК В29С 67/24, С08J 5/06, опубликован 27.08.2003 г.; патент США 6054510, МПК⁷ С08L 63/00, опубликован 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 5-6%. Термопластичные композиции вышеупомянутого типа известны и раскрыты, например, в NN ЕР-А-0400532, ЕР-А-0032802; ЕР-А-0327505, WO 91/02024.

Обычно подобные композиции могут быть получены смешиванием компонентов на основе крахмала с синтетическим термопластичным компонентом в условиях для экструзии.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является композиция по патенту РФ №2180670, включающая: крахмал (100 мас.%) и продукт сополиконденсации капролактама, адипиновой кислоты и гексаметилендиамина (1-10 мас.%).

Получение композиции по прототипу требует использования пластификатора (водно-глицериновой смеси).

При наличии 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, включающей отходы полиэтилена производственные и бытовые, технологические добавки и биоразлагаемый наполнитель - рисовую лузгу, изделия из которой разрушаются под действием света, влаги, микрофлоры.

Это достигается тем, что биологически разрушаемая термопластичная композиция для изготовления пленок и изделий содержит отходы полиэтилена производственные и бытовые (67-76,5 мас.%), олигомерный краситель (1-2 мас.%), двуокись титана (0,5-1 мас.%) и биоразлагаемый наполнитель - рисовая лузга (0,5-1 мас.%).

Технологические добавки функционального назначения (окрашивающие, тонирующие) выбирались по принципу необходимости создания гетерогенной системы с заданными величинами ее эффективной вязкости (10³-10⁴ Па·с) в выбранном температурном интервале переработки (100-135°С).

Указанные компоненты вводили 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 необходимыми эксплуатационными характеристиками, в том числе биологической разрушаемостью после срока эксплуатации в течение 18 месяцев.

Используемая в качестве наполнителя рисовая лузга имеет следующие характеристики: влажность 10-13%; зольность не менее 18%; белок не более 3,5%; крахмал 36%; клетчатка не менее 45%; жирность не более 1,2%; измельчается на центробежном классификаторе до состояния тонкодисперсного порошка со средним размером частиц 100-120 мкм.

В качестве полимера использовались производственные и/или бытовые отходы полиэтилена, имеющие следующие показатели: частицы (крошка) разного цвета без механических примесей, количество посторонних включений не более 10%, массовая доля влаги не более 2%.

В качестве красителя использовался олигомерный краситель (олигоэпокси-эфир), полученный с использованием эпоксидной смолы, модифицированной канифолью с температурой размягчении 60-140°С. Краситель обладает низкой светостойкостью, что ускоряет процесс биоразложения материала и обладает большим сродством к полиэтилену.

Для снижения светостойкости полимерного материала дополнительно вводилась двуокись титана, изменением процентного содержания которой в рецептуре композиции можно регулировать срок биоразложения материала.

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.

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 из отходов полиэтилена, используется рисовая лузга в количестве 20-30 мас.%. Оптимальное, согласно изобретению, соотношение "рисовая лузга - отходы полиэтилена" составляет (20-30%):(67-76,5%) соответственно.

Предлагаемое изобретение осуществляется следующим образом.

Пример 1.

60 мас.% отходов полиэтилена смешивают с 30 массовыми частицами рисовой лузги и 2 мас.% олигомерного красителя, 1 мас.% двуокиси титана в скоростном турбосмесителе в течение 7 минут.

Полученная смесь поступает в экструдер для гомогенизации. Температура расплава на выходе из головки экструдера 140-160°С.

Полученные жгуты охлаждают потоком холодного воздуха и разрезают на гранулы размером 4-6 мм. Из полученных гранул на экструдере со щелевой головкой получают пленку или лист, из которого формуют различные изделия.

Пример 2.

Приготовление композиций по примеру 1. Количество рисовой лузги 20 мас.%. Отходов полиэтилена 78,5 мас.%, красителя 1 мас.%, двуокиси титана 0,5 мас.%.

Пример 3.

Приготовление композиции по примеру 1. Количество рисовой лузги 30 мас.%, количество отходов полиэтилена 70 мас.%.

Составы композиций по примерам приведены в таблице 1.

В примерах даны оптимальные количества используемых добавок.

В таблице 2 приведены методы определения свойств изделий, обеспечивающих цель изобретения.

Таблица 2
№№ п/п	Наименование показателей	Методы испытаний
1	Показатель текучести расплава композиций (ПТP) при температуре 150°С, г/10 мин	ГОСТ 11645-72
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
5	Метод испытания на растяжение	ГОСТ 14236-81
6	Метод определения стойкости к действию химических сред. Определение изменения линейных размеров образца	ГОСТ 12020-72

Биологически разрушаемая термопластичная композиция для изготовления изделий, включающая полимер, биоразлагаемый наполнитель, двуокись титана и краситель, отличающаяся тем, что она содержит в качестве полимера производственные и/или бытовые отходы полиэтилена, в качестве биоразлагаемого наполнителя - рисовую лузгу, а в качестве красителя - олигомерный краситель при следующем соотношении компонентов, мас.%:

отходы полиэтилена
(производственные и/или бытовые)	67-76,5
рисовая лузга	20-30
олигомерный краситель	1-2
двуокись титана	0,5-1