Біодеградовна полімерна композиція

Реферат: Біодеградовна полімерна композиція містить полімерну матрицю, пластифікатор гліцерин та природний силікат як наповнювач. Як полімерну матрицю вона містить термодеградований у водному середовищі крохмаль та як природний силікат містить глауконіт. UA 76963 U (12) UA 76963 U UA 76963 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель відноситься до хімічної та харчової промисловості, а саме - до одержання бiодеградовних полімерних матеріалів, що використовуються для пакування, у тому числі харчових продуктів. Активне використання у повсякденному житті виробів та упаковки із синтетичних полімерних матеріалів призводить до накопичення великої кількості небезпечних для навколишнього середовища полімерних відходів. Тому розробка нових екологічних матеріалів цього призначення є дуже актуальним завданням. Розробники таких матеріалів в останні десятиліття йдуть шляхом часткової або повної заміни синтетичного полімеру у складі композиції біодеградовними компонентами, які стимулюють процес біологічного руйнування кінцевих виробів, а також підбору технологічних додатків з числа екологічно безпечних речовин та матеріалів. Так, відома полімерна композиція для одержання бiодеградовних формованих виробів, яка містить 60-89 % мас відходів поліетилену, наповнювач - буряковий жом (10-30 % мас.) та технологічну добавку - бентоніт у кількості 1-10 % мас. [Пат. RU № 2408621 від 10.01.2011 року]. У цій композиції бентоніт використовують як диспергатор, що полегшує рівномірне розподілення компонентів у полімерній матриці, а буряковий жом - як біодеградовний наповнювач, що стимулює процес біологічного руйнування кінцевих виробів. Основними недоліками відомої композиції є високий вміст синтетичних полімерів, нестабільність за складом і обводненість жому, котрий швидко закисає та потребує додаткових витрат на транспортування і сушіння. Широко відомим функціональним наповнювачем біологічно руйнівних матеріалів на основі синтетичних полімерів є крохмаль. Так, згідно з патентом RU № 2026321, запропоновано композицію на основі водорозчинного гомо- або співполімеру (0,1-90,0 % мас.) та деструктурованого крохмалю (10,0-99,9 % мас.). В США фірмою "Archer Daniels Midland" розроблено концентрат для одержання біодеградовних плівок на основі поліетилену, який містить 40 % крохмалю та окиснювальну добавку. Спільним недоліком такого роду композицій є те, що синтетичні полімери в їх складі тільки частково замінено на біологічно руйнівні компоненти. В сучасній хімічній технології знайшло свій розвиток створення та застосування матеріалів, які містять наночастинки, - нанокомпозитів на основі органічного полімеру та неорганічного наповнювача, наприклад шаруватого силікату. Так, в патенті США № 7094847, 2006 p. описано спосіб одержання біодеградовної композиції з додаванням глини до полімерної матриці, що складається з полігідроксибутирату та крохмалю (20-80 %). Недоліком відомої композиції є одержання з неї недостатньо пластичного та крихкого композиту. В патенті RU № 2415883 від 10.04.2011 р. запропоновано підвищувати міцність та пластичність композицій на основі полігідроксибутирату додаванням 1,3-5 % мас. + пластифікатора гліцерину та 1-5 % мас. шаруватого силікату - модифікованого Nа монтморилоніту [прототип]. Відомий композит достатньо міцний та пластичний, має широку сферу застосування (у тому числі для виготовлення пакувальних матеріалів харчових продуктів), однак для його деградації необхідно застосовувати спеціальні мікроорганізми, наприклад гриби Aspergillus caespitosus на середовищі з агаром. Недоліком відомої композиції є також відносно складний спосіб одержання з неї композиту, який включає розчинення полімеру в хлороформі, додавання гліцерину, наступне випарювання розчинника та подальше змішування компонентів з + додаванням Na -монтморилоніту (який попередньо модифікують четвертинною амонієвою сіллю) в екструдері при температурі 140 °C. Задачею корисної моделі є створення полімерної композиції на основі поновлюваної біологічно руйнівної та екологічно безпечної сировини та спрощення технології одержання із неї нанокомпозитного пакувального матеріалу. Поставлену задачу вирішено у корисній моделі, яка стосується композиції, що містить полімерну матрицю, пластифікатор, гліцерин та природний силікат як наповнювач, згідно з корисною моделлю, як полімерну матрицю вона містить термодеградований у водному середовищі крохмаль, а як природний силікат - глауконіт при такому співвідношенні компонентів, % мас.: крохмаль 3,0-15,0 глауконіт 1,5-6,0 гліцерин 1,0-8,0 вода до 100,0. 1 UA 76963 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Для одержання композиції, що заявляється, змішують водні суспензії нативного крохмалю (картопляного, кукурудзяного або будь-якого іншого ботанічного походження) і глауконіту, додають гліцерин та витримують суміш протягом години при температурі 50-90° С, періодично перемішуючи. В цих умовах суспензія крохмалю переходить у гелеву форму, відбувається термодеструкція його частинок до розмірів 3-38 нм та видалення кристалогідратної води із "внутрішньої області" спіралей макромолекул крохмалю. Внаслідок цього зростає вільна поверхнева енергія системи і активізується взаємодія як між самими молекулами крохмальної матриці, так i з частинками наповнювача - глауконіту, який у водному середовищі здатний до самодиспергації з утворенням елементарних частинок (або плейтлетів) розміром 62-198 нм. У результаті утворюється стійка дисперсія, в якій ланцюги біополiмеру крохмалю частково інтеркалюються в міжпакетний простір мінералу на зовнішній поверхні його частинок. Така структура та взаємодія частинок компонентів одержуваної нанокомпозиції, незважаючи на відсутність в її складі синтетичного полімерного зв'язуючого, забезпечує достатню міцність одержуваних із неї полімерних плівок для створення пакувальних виробів, які хоча і поступаються за рівнем цього показника виробам на основі синтетичних полімерів, однак мають інші переваги. Вони складаються з поновлюваної та біологічно руйнівної основи - крохмалю та широко розповсюдженого в Україні мінералу - глауконіту, який є екологічно безпечним, відомий як комплексне добриво з високими сорбційними властивостями, що здатне утримувати у ґрунті вологу і поглинати пестициди. Технологія одержання плівок на основі композиції, що заявляється, проста і полягає в нанесенні свіжоприготовленої композиції на гладку поверхню шаром товщиною 0,2-0,5 мм і висушуванням на повітрі при температурі 20-23 °C до повного висихання. Таким чином, поставлена задача вирішена з досягненням необхідного технічного результату. Нижче наведено приклади здійснення корисної моделі, що заявляється. Приклад 1. Для виготовлення композиції використовували нативний картопляний крохмаль з вмістом амілози 36 % виробництва ПБП "Вімал", м. Чернігів, гліцерин виробництва "Галичфарм", м. Львів та мінерал глауконіт Карачаївського родовища Хмельницької області, який попередньо очищали магнітним сепаруванням, просіювали на класифікаторі та відбирали з нього фракції з розміром частинок 0,25-0,5 мм. З цих компонентів готували композицію із вмістом 7 % мас. крохмалю, 5 % мас. гліцерину та 2,5 % мас глауконіту. Для цього у колбу ємністю 250 мл вносили 100 г суспензії крохмалю у воді з вмістом 14 г крохмалю, потім тонким струмінцем при перемішуванні додавали 10 г гліцерину, 50 г суспензії, що містила 5 г глауконіту, та додаванням води доводили масу суміші до 200 г. Одержану суміш перемішували протягом 10-15 хвилин зі швидкістю 150 об/хв та поміщали у термостат, де витримували при температурі 90 °С та періодичному перемішуванні протягом 60 хв. Після термооброблення суміш знову перемішували з тією ж швидкістю протягом 15-20 хв та виливали на рівну скляну поверхню форми розміром 1515 см шаром ~0,2-0,5 мм і залишали на повітрі при температурі 20-23 °C до повного висихання. Отримані зразки плівки добре відділялися від скляної поверхні форм. Приклад 2. Процес одержання полімерної композиції та виготовлення з неї зразків плівки проводили як описано у прикладі 1, однак готували композицію з вмістом 10 % мас. картопляного крохмалю, 3,5 % мас. гліцерину і 3,5 % мас. глауконіту. Для цього використовували вихідну суспензію крохмалю із вмістом його 20 г, суспензію глауконіту, що містить 7 % мінералу та гліцерин у кількості 7 г. Споживчі властивості зразків плівки, одержаної за прикладами 1 і 2, оцінювали по результатах випробувань за допомогою стандартних методик для полімерних плівок. Для цього, зразки кондиціонували не менше 1 години при температурі 23 °C±2 °C і відносній вологості 50±5 %. Середню товщину кожного зразка визначали механічним скануванням за допомогою товщиноміра з двома плоскими вимірювальними поверхнями діаметром 10 мм та розраховували як середнє арифметичне результатів вимірювання 5-7 зразків. Зразки одержаної плівки мали товщину 0,2-0,5 мм, що знаходиться у встановлених для пакувальних матеріалів межах. Випробування на розтягування зразків плівки товщиною 0,41 мм, одержаної за прикладом 1, показало, що міцність плівки при розриві складає 1,883 МПа 2 (Н/мм ), а зразки плівки товщиною 0,35 мм, одержаної за прикладом 2, мали міцність 2,373 МПа 2 (Н/мм ), що за стандартами характеризує цей матеріал як пакувальну плівку. 2 UA 76963 U 5 10 Здатність до біологічного розкладання вивчали в компостних умовах, згідно з міжнародним стандартом EN 13432. Зразки плівки, що заявляється, повністю розкладалися на вуглекислий газ, воду та біогумус протягом 30 діб, в той час, як для синтетичних полімерів стандарт встановлює термін біодеградації 180 діб. Плівка, одержана із полімерної композиції, що заявляється, не є токсичним матеріалом, використання її в нормальних температурних (від -20 до +55 °C) і атмосферних умовах не вимагає застосування запобіжних заходів. Така плівка не проявляє адгезійних властивостей до продуктів, що мають пакуватися, до того ж, завдяки присутності в її складі мінералу глауконіту вона має бактерицидну здатність. Паропроникливість плівки протягом 24 годин, визначена за ГОСТ 7730, для зразків за 2 прикладом 1 становила 1,6 гмм/кПагод.м , що знаходиться у межах, встановлених для пакувальних матеріалів. Таким чином, плівка, одержана із запропонованої полімерної композиції, може бути застосована у харчовій промисловості та медицині. 15 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 Біодеградовна полімерна композиція, що містить полімерну матрицю, пластифікатор гліцерин та природний силікат як наповнювач, яка відрізняється тим, що як полімерну матрицю вона містить термодеградований у водному середовищі крохмаль та як природний силікат містить глауконіт при такому співвідношенні компонентів, % мас.: крохмаль 3,0-15,0 глауконіт 1,5-6,0 гліцерин 1,0-8,0 вода решта. Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3