Композиция на основе диацетата целлюлозы для термоформованных изделий
Владельцы патента RU 2425849:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет прикладной биотехнологии" (RU)
Изобретение относится к термопластичной композиции для пластических масс, применяемых в производстве термоформованных изделий. Композиция содержит диацетат целлюлозы, пластификатор - триацетат глицерина - и модификатор. В качестве модификатора используют смесь катионного поверхностно-активного вещества - четвертичной аммониевой соли - в количестве 0,5 мас.% и углеродных нанотрубок в количестве 0,01 мас.%. Полимерный материал, полученный с использованием термопластичной композиции, обладает улучшенными технологическими и эксплуатационными свойствами. 2 табл.
Предлагаемое изобретение относится к получению пластических масс, в частности эфироцеллюлозных пластиков (этролов), применяемых в производстве разнообразных термоформованных изделий, в том числе тароупаковочных материалов и потребительской тары.
Создаваемый материал должен иметь широкий интервал пластичности, определенную вязкость расплава, широкий интервал между температурой текучести и температурой разложения, высокий показатель предела текучести при растяжении (не ниже 40 МПа), определенный набор эксплуатационных характеристик.
Известен прием модификации технологических и эксплуатационных свойств этролов введением в композицию модификаторов.
Олигоэфирные пластификаторы, например продукт конденсации диэтиленгликоля с алифатическими двухосновными кислотами (янтарная, адипиновая и др.), используют в качестве пластификатора в композициях на основе диацетата целлюлозы (Патент США №4094695, кл. 106-179, опубл. 1978. Патент Японии №16305-68, кл. 25713, 25 Н 94, опубл. 1968 г.). Такие композиции плохо перерабатываются через расплавы, а образцы характеризуются повышенной хрупкостью. Кроме того, пластификатор после охлаждения изделия выделяется в отдельную фазу, что отрицательно сказывается на санитарно-химических и эксплуатационных свойствах изделия.
При этом для получения хорошо перерабатываемых пластиков вводят пластификатор в количестве 35-40 мас.ч. на 100 мас.ч. ацетата целлюлозы. Миграция пластификатора в контактирующие среды из такого материала достаточно велика, к тому же материал имеет низкую водостойкость и плохо перерабатывается в тару различными методами формования.
Чтобы решить задачу получения пластиков, обладающих требуемым комплексом свойств, используют для пластификации эфиров целлюлозы пластифицирующие смеси (АС 1659435, опубл. 1991 г., БИ №24). Используют для модификации сложных эфиров целлюлозы модифицирующую систему, компоненты которой определенным образом взаимодействуют между собой и полимером.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является композиция по патенту РФ №2146269, включающая, мас.%:
| Диацетат целлюлозы | 100 |
| Триацетат глицерина | 25-34 |
| Диалкиладипинат | 1-10 |
| Стеарат кальция | 0,3 |
| Ультрамарин | 0,008 |
| Двуокись титана | 3 |
Получение композиции по прототипу требует использования смеси пластификаторов и технологических добавок.
Предлагаемое решение упрощает технологию изготовления термопластичной композиции за счет использования модифицирующего комплекса "катионное ПАВ (КПАВ) - нанотрубки", который придает композиции новые технологические и эксплуатационные свойства.
Задача изобретения - создание термопластичной композиции для тароупаковочных материалов с улучшенной перерабатываемостью (повышенной текучестью расплава и пониженной вязкостью) благодаря использованию смеси модификаторов - углеродных нанотрубок и катионного поверхностно-активного вещества.
Это достигается введением в состав композиции смеси КПАВ и углеродных нанотрубок.
В качестве катионного ПАВ использовали четвертичные аммониевые соли общей формулы
[R-NR'3]⊕ Х-, где R - гидрофобный радикал, содержащий в цепи 10-20 атомов углерода (кислорода или азота);
R'3N - третичный алифатический амин или гетероциклическое основание;
X- - неорганический или органический анион (чаще всего хлор или бром).
Четверичные аммониевые соли - один из наиболее перспективных классов ПАВ. Они являются основными представителями катионных ПАВ. В природе очень многие поверхности заряжены отрицательно, что обусловливает хорошую сорбцию четвертичных катионов. К главным их преимуществам следует отнести способность работать как в кислой, так и в щелочной средах и высокую антимикробную активность.
Четверичные аммониевые соли - эффективные катализаторы гетерогенных процессов, комплексообразователи, антистатики. Они обладают целым рядом других ценных свойств, определяющих многочисленные пути их применения.
Среди добавок, вводимых в полимерную композицию, особую роль играют модификаторы, обладающие поверхностной активностью (поверхностно-активные вещества), которые также могут выступать в качестве структур: пластификаторов. Известно, что КПАВ, введенные в полимер в небольших количествах, могут изменить смачиваемость, адгезионную способность и коэффициент трения изделий без изменения свойств полимера в блоке. Введение малых количеств КПАВ способствует улучшению деформационных свойств полимеров.
Известно также, что введением малых добавок КПАВ можно улучшить антистатические и антимикробные свойства полимерных композиций, что важно при эксплуатации пленочных материалов.
Таким образом, путем введения малых добавок КПАВ в состав полимерной композиции можно изменять технологические параметры расплава и эффективно влиять на ряд свойств готового изделия.
Благодаря внедрению достижений нанотехнологии в различных научно-технических направлениях, связанных с созданием и исследованием новых композиционных материалов, модификацией их свойств, в химии пластмасс в последние годы определилось и активно развивается направление использования нанотрубок, являющихся одним из эффективных современных модификаторов свойств материалов.
Нанотрубки - это своеобразные цилиндрические молекулы диаметром примерно от 0,5 нанометров и длиной до нескольких микрометров.
Одним из важнейших условий производства нанокомпозитов с требуемыми потребительскими свойствами является однородное распределение частиц наполнителя в матрице полимера.
В изобретении решены задачи, обеспечивающие:
- однородность распределения наполнителя - углеродных нанотрубок - в матрице полимера,
- эффективную модификацию эфиров целлюлозы для получения изделий с требуемыми свойствами.
При этом достигается:
- снижение вязкости расплава;
- увеличение водостойкости термоформованных изделий;
- повышение физико-механических показателей готового материала;
- корректировка электрофизических свойств материала.
В качестве полимерного связующего использовался пластифицированный триацетатом глицерина диацетат целлюлозы.
Перерабатывают композицию на стандартном оборудовании, а использование предлагаемых компонентов в заявленном соотношении не вносит каких-либо принципиальных изменений в технологический процесс. Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. 100 мас.% сложного эфира целлюлозы смешивают со смесью включающей 0,5 мас.% катионного ПАВ и 0,01 мас.% углеродных нанотрубок, в скоростном турбосмесителе (время смешения сухих компонентов 8 минут), после чего вводят пластификатор (триацетин) и продолжают смешение в течение 15 минут. Полученную смесь гомогенизируют в экструдере при температуре расплава на выходе из головки экструдера 160°С. Полученные жгуты охлаждают и гранулируют. Из гранул изготавливают изделия различных типоразмеров.
Составы композиций по примерам и их свойствам приведены в таблице 1.
В качестве исходных компонентов согласно изобретению используются:
- диацетат целлюлозы;
- триацетат глицерина (триацетин);
- катионное поверхностно-активное вещество (четвертичная аммониевая соль);
- углеродные нанотрубки.
В таблице 2 приведены методы определения свойств, обеспечивающих цель изобретения.
Как видно из приведенных данных, модифицированные смесью "КПАВ - нанотрубки" этрольные композиции обладают эффективной вязкостью, меньшей, чем у прототипа. При этом снижается температура переработки расплава. Изделия из такого материала обладают пониженным уровнем миграции НМВ в контактирующие среды за счет образования упорядоченной (кристаллической) структуры.
Повышается прочность изделия и термостойкость, что приводит к увеличению срока службы изделий при одновременном снижении их толщины и, как следствие, к экономии расходуемого материала.
| Таблица 2 | ||
| № п/п | Наименование показаний | Методы испытаний |
| 1 | Показатель текучести расплава композиции (ПТР), г/10 мин | ГОСТ 11645-73 |
| 2 | Температура переработки композиции, °С | ГОСТ 11645-73 |
| 3 | Эффективная вязкость расплава композиции, Па·с | ГОСТ 11645-73 |
| 4 | Миграция НМВ | ГОСТ 12020-72 |
| 5 | Физико-механические показатели (σ, МПа; ε, %) | ГОСТ 14236-81 |
| 6 | Электрофизические показатели | - |
Композиция для пластических масс, отличающаяся тем, что содержит диацетат целлюлозы, пластификатор триацетат глицерина и модификатор, в качестве которого используют смесь катионного поверхностно-активного вещества четвертичной аммониевой соли и углеродных нанотрубок при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| диацетат целлюлозы | 100 |
| триацетат глицерина | 35 |
| катионное поверхностно-активное | |
| вещество четвертичная аммониевая соль | 0,50 |
| углеродные нанотрубки | 0,01 |
