RU2783825C1 - Biodegradable polyethylene-based polymeric composite material - Google Patents
Biodegradable polyethylene-based polymeric composite material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2783825C1 RU2783825C1 RU2022116443A RU2022116443A RU2783825C1 RU 2783825 C1 RU2783825 C1 RU 2783825C1 RU 2022116443 A RU2022116443 A RU 2022116443A RU 2022116443 A RU2022116443 A RU 2022116443A RU 2783825 C1 RU2783825 C1 RU 2783825C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- composition
- biodegradable
- natural rubber
- polymer
- composite material
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 8
- -1 polyethylene Polymers 0.000 title claims description 12
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 title claims description 10
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 title claims description 10
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims abstract description 17
- 244000043261 Hevea brasiliensis Species 0.000 claims abstract description 16
- 229920003052 natural elastomer Polymers 0.000 claims abstract description 16
- 229920001194 natural rubber Polymers 0.000 claims abstract description 16
- 150000003904 phospholipids Chemical class 0.000 claims abstract description 15
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 claims abstract description 13
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 229920001684 low density polyethylene Polymers 0.000 claims abstract description 6
- 239000004702 low-density polyethylene Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229920002988 biodegradable polymer Polymers 0.000 claims description 8
- 239000004621 biodegradable polymer Substances 0.000 claims description 8
- 238000007670 refining Methods 0.000 claims description 3
- 235000015112 vegetable and seed oil Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000008158 vegetable oil Substances 0.000 claims description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 38
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 abstract description 23
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 9
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 abstract description 5
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 abstract description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract description 2
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 229920001903 high density polyethylene Polymers 0.000 abstract description 2
- 239000004700 high-density polyethylene Substances 0.000 abstract description 2
- 239000005022 packaging material Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 14
- 239000000047 product Substances 0.000 description 14
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 11
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 8
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 6
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 6
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 description 6
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 5
- 238000006065 biodegradation reaction Methods 0.000 description 5
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 4
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 4
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 3
- XTXRWKRVRITETP-UHFFFAOYSA-N Vinyl acetate Chemical compound CC(=O)OC=C XTXRWKRVRITETP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920006237 degradable polymer Polymers 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- 235000013312 flour Nutrition 0.000 description 3
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 3
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 3
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 3
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 3
- 230000004580 weight loss Effects 0.000 description 3
- 244000299461 Theobroma cacao Species 0.000 description 2
- 235000009470 Theobroma cacao Nutrition 0.000 description 2
- 239000004433 Thermoplastic polyurethane Substances 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920002877 acrylic styrene acrylonitrile Polymers 0.000 description 2
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 2
- OSGAYBCDTDRGGQ-UHFFFAOYSA-L calcium sulfate Chemical compound [Ca+2].[O-]S([O-])(=O)=O OSGAYBCDTDRGGQ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 2
- 239000010903 husk Substances 0.000 description 2
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 description 2
- FPYJFEHAWHCUMM-UHFFFAOYSA-N maleic anhydride Chemical group O=C1OC(=O)C=C1 FPYJFEHAWHCUMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 229920002803 thermoplastic polyurethane Polymers 0.000 description 2
- 229920003169 water-soluble polymer Polymers 0.000 description 2
- MJYQFWSXKFLTAY-OVEQLNGDSA-N (2r,3r)-2,3-bis[(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)methyl]butane-1,4-diol;(2r,3r,4s,5s,6r)-6-(hydroxymethyl)oxane-2,3,4,5-tetrol Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O.C1=C(O)C(OC)=CC(C[C@@H](CO)[C@H](CO)CC=2C=C(OC)C(O)=CC=2)=C1 MJYQFWSXKFLTAY-OVEQLNGDSA-N 0.000 description 1
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M Acetate Chemical compound CC([O-])=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- YAAQEISEHDUIFO-UHFFFAOYSA-N C=CC#N.OC(=O)C=CC=CC1=CC=CC=C1 Chemical compound C=CC#N.OC(=O)C=CC=CC1=CC=CC=C1 YAAQEISEHDUIFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IMROMDMJAWUWLK-UHFFFAOYSA-N Ethenol Chemical compound OC=C IMROMDMJAWUWLK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 244000020551 Helianthus annuus Species 0.000 description 1
- 235000003222 Helianthus annuus Nutrition 0.000 description 1
- 229920000459 Nitrile rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000006057 Non-nutritive feed additive Substances 0.000 description 1
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 description 1
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 1
- 244000046052 Phaseolus vulgaris Species 0.000 description 1
- 235000010627 Phaseolus vulgaris Nutrition 0.000 description 1
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 1
- 229920002367 Polyisobutene Polymers 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 1
- BAPJBEWLBFYGME-UHFFFAOYSA-N acrylic acid methyl ester Natural products COC(=O)C=C BAPJBEWLBFYGME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 239000000440 bentonite Substances 0.000 description 1
- 229910000278 bentonite Inorganic materials 0.000 description 1
- SVPXDRXYRYOSEX-UHFFFAOYSA-N bentoquatam Chemical compound O.O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O SVPXDRXYRYOSEX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 229920001222 biopolymer Polymers 0.000 description 1
- NTXGQCSETZTARF-UHFFFAOYSA-N buta-1,3-diene;prop-2-enenitrile Chemical compound C=CC=C.C=CC#N NTXGQCSETZTARF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 239000010791 domestic waste Substances 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 210000003608 fece Anatomy 0.000 description 1
- 235000004426 flaxseed Nutrition 0.000 description 1
- 239000013538 functional additive Substances 0.000 description 1
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 1
- 239000002440 industrial waste Substances 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 235000014413 iron hydroxide Nutrition 0.000 description 1
- NCNCGGDMXMBVIA-UHFFFAOYSA-L iron(ii) hydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[Fe+2] NCNCGGDMXMBVIA-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000010871 livestock manure Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 229920005615 natural polymer Polymers 0.000 description 1
- 235000016709 nutrition Nutrition 0.000 description 1
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 1
- 229920001195 polyisoprene Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 1
- ARJOQCYCJMAIFR-UHFFFAOYSA-N prop-2-enoyl prop-2-enoate Chemical compound C=CC(=O)OC(=O)C=C ARJOQCYCJMAIFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
- 150000004756 silanes Chemical class 0.000 description 1
- 229920005552 sodium lignosulfonate Polymers 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000010902 straw Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 229920001059 synthetic polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 229920002725 thermoplastic elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000009281 ultraviolet germicidal irradiation Methods 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs
Изобретение относится к биоразлагаемым композиционным материалам на основе полиолефинов, и может быть использовано в сельском хозяйстве, строительстве, медицине при изготовлении упаковочных материалов, способных разлагаться в природных условиях.The invention relates to biodegradable composite materials based on polyolefins, and can be used in agriculture, construction, medicine in the manufacture of packaging materials that can decompose in natural conditions.
Уровень техникиState of the art
С возросшими требованиями к охране окружающей среды композиционные полимерные материалы наряду с высоким комплексом показателей при эксплуатации должны обладать способностью к биологическому разложению в условиях депонирования. Объем выпуска биоразлагаемых полимеров в сотни раз уступает традиционным полимерам. Если суммарный объем производства традиционных полимеров в 2020 г. превысил 265 млн. тонн, то выпуск биополимеров (в том числе 1,5 млн. тонн биоразлагаемых) - 2,4 млн. тонн (около 0,9%).With the increased requirements for environmental protection, composite polymer materials, along with a high set of indicators during operation, must have the ability to biodegrade under conditions of deposition. The production volume of biodegradable polymers is hundreds of times inferior to traditional polymers. If the total production of traditional polymers in 2020 exceeded 265 million tons, then the production of biopolymers (including 1.5 million tons of biodegradable ones) - 2.4 million tons (about 0.9%).
Полимеры, так широко распространенные в наше время, как правило, не подвергаются биологическому разложению за исключением немногих из них, которые способны к биодеградации, но очень медленно. С учетом резкого увеличения спроса на полимеры и их доступность существует экологическая опасность загрязнения окружающей среды большим количеством отработанных полимерных изделий и их отходами.The polymers so widely used today are generally not biodegradable, except for a few that are capable of biodegradation, but very slowly. Taking into account the sharp increase in demand for polymers and their availability, there is an ecological danger of environmental pollution with a large amount of used polymer products and their waste.
Традиционные способы получения деградируемых полимеров основываются на:Traditional methods for obtaining degradable polymers are based on:
1) использование водорастворимых и биодеградируемых полимеров;1) the use of water-soluble and biodegradable polymers;
2) введение в основной недеградируемый полимер водорастворимых и деградиремых соединений и полимеров;2) introduction of water-soluble and degradable compounds and polymers into the main non-degradable polymer;
3) применение микроорганизмов - деструкторов, иммобилизированных в полимер с последующей его деградацией в условиях депонирования.3) the use of microorganisms - destructors immobilized in the polymer with its subsequent degradation under conditions of deposition.
Однако ни один из этих способов не является универсальным. Так использование водорастворимых и биодеградируемых полимеров ограничено невысоким комплексом эксплуатационных показателей композиций на их основе, что не дает возможности применить их для изготовления высокопрочных изделий. Второй способ существенно, иногда в разы снижает комплекс эксплуатационных показателей, что также приводит к ограничению сфер использования. Третий способ - применение микроорганизмов - деструкторов требует четкого временного прогноза работы полимерного изделия. Запуск механизма разложения с помощью микроорганизмов-деструкторов обусловливает определенные условия депонирования: температура, концентрация, влажность и т.п. При этом велика опасность включения этого механизма в период хранения или эксплуатации изделия.However, none of these methods is universal. Thus, the use of water-soluble and biodegradable polymers is limited by a low range of performance indicators of compositions based on them, which makes it impossible to use them for the manufacture of high-strength products. The second method significantly, sometimes several times, reduces the set of operational indicators, which also leads to a limitation of areas of use. The third method - the use of microorganisms - destructors requires a clear temporal forecast of the operation of a polymer product. Starting the decomposition mechanism with the help of destructor microorganisms determines certain conditions of deposition: temperature, concentration, humidity, etc. At the same time, there is a great danger of turning on this mechanism during the period of storage or operation of the product.
В настоящее время решением проблемы является создание биоразлагаемых полимерных композитов путем введения в основной недеградируемый полимер, другого био разлагаемого полимера. В этой связи способ получения ПКМ, описанный в изобретении имееют большую актуальность.Currently, the solution to the problem is the creation of biodegradable polymer composites by introducing another biodegradable polymer into the main non-degradable polymer. In this regard, the method of obtaining PCM described in the invention is of great relevance.
Известны биоразлагаемые полимерные композиции, содержащие в качестве наполнителя крахмал. В качестве полимерной основы они могут содержать производные целлюлозы [RU 96112905 А, опубл. 27.09.1998, RU 2174132 С1, опубл. 27.09.2001, RU 2404205 С1, опубл. 20.11.2010], полиамиды [RU 97121172 А, опубл. 27.08 1999], сополимер этилена и винилового спирта [RU 2073037 С1, опубл. 10.02.1997] и другие полимеры. Однако крахмал является ценным пищевым продуктом, поэтому производство на его основе крупнотоннажного материала, предназначенного для изготовления изделий кратковременного использования, экономически неоправдано.Known biodegradable polymer compositions containing starch as a filler. As a polymer base, they may contain cellulose derivatives [RU 96112905 A, publ. September 27, 1998, RU 2174132 C1, publ. September 27, 2001, RU 2404205 C1, publ. November 20, 2010], polyamides [RU 97121172 A, publ. August 27, 1999], a copolymer of ethylene and vinyl alcohol [RU 2073037 C1, publ. 10.02.1997] and other polymers. However, starch is a valuable food product, so the production of large-tonnage material on its basis, intended for the manufacture of non-durable products, is not economically justified.
Известна биоразлагаемая и эластомерная композиция [RU 2551515, опубл. 27.05.2015], которая имеет степень биоразлагаемости менее 30%, и содержит, по меньшей мере, 0,5% и не более 99,95 вес.% ацетата крахмалистого материала, который имеет степень замещения (СЗ) от 2,5 до 3 и, по меньшей мере, 0,05 вес.% и не более 99,5 вес.% полимера, отличного от крахмала, причем указанный полимер выбран из группы, состоящей з из натуральных каучуков и их производных, полиизобутиленов, полиизопренов, бутадиен-стирольных сополимеров (SBR), бутадиен-акрилонитриловых сополимеров, гидрогенизированных бутадиен-акрилонитриловых сополимеров, акрилонитрил-стирол-акрилатных сополимеров (ASA), этилен/метилакрилатных сополимеров (ЕАМ), термопластических полиуретанов (TPU) типа простого эфира или типа сложный эфир-простой эфир, полиэтиленов или полипропиленов, функционализированных галогенированным силаном, элементарными звеньями акрилового или малеинового ангидрида, разновидностей каучуков на основе сополимера этилен-диеновый мономер (EDM) и каучуков на основе сополимера этилен-пропилен-диеновый мономер (EPDM), термопластических эластомеров, полученных из полиолефинов (ТРО), стирол-бутилен-стирольных сополимеров (SBS) и стирол-этилен-бутилен-стирольных сополимеров (SEBS), функционализированных элементарными звеньями малеинового ангидрида, и каких-либо смесей этих полимеров. Недостатком этого способа является низкая степень биодеградируемости полученных на основе данного изобретения изделий.Known biodegradable and elastomeric composition [EN 2551515, publ. 05/27/2015], which has a degree of biodegradability of less than 30%, and contains at least 0.5% and not more than 99.95 wt.% acetate starchy material, which has a degree of substitution (DS) from 2.5 to 3 and at least 0.05 wt.% and not more than 99.5 wt.% of a polymer other than starch, and the specified polymer is selected from the group consisting of natural rubbers and their derivatives, polyisobutylenes, polyisoprenes, butadiene-styrene copolymers (SBR), butadiene-acrylonitrile copolymers, hydrogenated butadiene-acrylonitrile copolymers, acrylonitrile-styrene-acrylate copolymers (ASA), ethylene/methyl acrylate copolymers (EAM), thermoplastic polyurethanes (TPU) of the ether type or the ester-ether type, polyethylenes or polypropylenes functionalized with halogenated silane, acrylic or maleic anhydride units, ethylene-diene monomer (EDM) copolymer rubbers, and ethylene-propene copolymer rubbers ylene-diene monomer (EPDM), thermoplastic elastomers derived from polyolefins (TPO), styrene-butylene-styrene copolymers (SBS) and styrene-ethylene-butylene-styrene copolymers (SEBS) functionalized with maleic anhydride units, and any mixtures of these polymers. The disadvantage of this method is the low degree of biodegradability obtained on the basis of this invention products.
Известны биоразлагаемые композиции, содержащие в качестве полимерной основы до 70-80% сополимера этилена и винилацетата (СЭВА), а в качестве наполнителей природного происхождения - отходы технологического производства переработки какао бобов какаовелла (20,0-40,0 мас. %) [RU 2349612 С1, опубл. 20.03.2009] или ржаную муку (30-48,7 мас. %) [RU 2318006 С1, опубл. 27.02.2008]. Для улучшения совместимости ингредиентов в композиции вводят поверхностно-активные вещества и другие технологические добавки. Недостатком этих технических решений является использование в качестве полимерной основы сравнительно дорогого сополимера этилена и винилацетата, что удорожает стоимость готового продукта. Помимо этого, какаовелла и ржаная мука - также относительно дорогие наполнители и могут быть использованы в кормопроизводстве или в пищевой промышленности.Known biodegradable compositions containing as a polymer base up to 70-80% of the copolymer of ethylene and vinyl acetate (EVA), and as fillers of natural origin - waste from the technological production of processing cocoa beans (20.0-40.0 wt.%) [RU 2349612 C1, publ. 03/20/2009] or rye flour (30-48.7 wt.%) [RU 2318006 C1, publ. February 27, 2008]. To improve the compatibility of ingredients, surfactants and other processing aids are added to the compositions. The disadvantage of these technical solutions is the use of a relatively expensive copolymer of ethylene and vinyl acetate as a polymer base, which increases the cost of the finished product. In addition, cocoa shell and rye flour are also relatively expensive fillers and can be used in the feed or food industry.
Учитывая большие объемы производства и малый срок использования продукции из биоразлагаемых полимерных материалов, для создания композиций целесообразно использовать наиболее дешевые полимерные термопласты, пригодные, в том числе, и для применения в контакте с пищевыми продуктами, а также дешевые, не представляющие пищевой и кормовой ценности, наполнители.Given the large volumes of production and the short period of use of products made from biodegradable polymeric materials, it is advisable to use the cheapest polymeric thermoplastics for creating compositions, suitable, among other things, for use in contact with food products, as well as cheap ones that do not represent nutritional and feed value, fillers.
Известны биоразлагаемые термопластичные композиции, содержащие в качестве полимерной основы производственные и/или бытовые отходы полиэтилена, добавки - олигомерный краситель и двуокись титана и в качестве биоразлагаемого наполнителя - рисовую лузгу [RU 2363711, опубл. 10.08.2009]. Недостатком данного способа является низкие физико-механические показатели изделий, изготовленных из данной композиции.Known biodegradable thermoplastic compositions containing, as a polymer base, industrial and/or household waste polyethylene, additives - oligomeric dye and titanium dioxide, and as a biodegradable filler - rice husk [RU 2363711, publ. 10.08.2009]. The disadvantage of this method is the low physical and mechanical properties of products made from this composition.
Известна биоразлагаемая термопластичная композиция, которая содержит полиэтилен в качестве полимерной основы, древесную муку и функциональные добавки, такие как бетонит, поливиниловый спирт, компатибилизатор и наночастицы. В качестве компатибилизатора преимущественно использован сополимер этилена и винилацетата, а в качестве наночастиц - химически осажденные гидроксид железа или сульфат кальция.Known biodegradable thermoplastic composition, which contains polyethylene as a polymer base, wood flour and functional additives such as bentonite, polyvinyl alcohol, compatibilizer and nanoparticles. A copolymer of ethylene and vinyl acetate is mainly used as a compatibilizer, and chemically precipitated iron hydroxide or calcium sulfate is used as nanoparticles.
Недостатком данного способа является низкий уровень влагопоглощения изделий из данной композиции и большое количество разных наполнителей в составе.The disadvantage of this method is the low level of moisture absorption of products from this composition and a large number of different fillers in the composition.
Согласно изобретению, выбранному в качестве прототипа, биологически разлагаемая термопластичная композиция в качестве полимерной основы содержит полиэтилен низкого давления, связующий агент и лигноцеллюлозный наполнитель. В качестве лигноцеллюлозного наполнителя используют не представляющие пищевой и кормовой ценности отходы технологических производств и природные материалы, выбранные из костры льняной, лузги подсолнечника, лигносульфоната натрия, листвы, соломы [RU 2473578, опубл. 27.01.2013].According to the invention, selected as a prototype, a biodegradable thermoplastic composition as a polymer base contains low-pressure polyethylene, a binder and a lignocellulosic filler. As a lignocellulosic filler, waste from technological production and natural materials selected from flaxseed, sunflower husks, sodium lignosulfonate, leaves, straw [RU 2473578, publ. 27.01.2013].
Недостатком данного способа является то, что полученные изделия из такой био разлагаемой термопластичной композиции имеют низкие физико-механические показатели, что ограничивает широту их эксплуатации.The disadvantage of this method is that the products obtained from such a biodegradable thermoplastic composition have low physical and mechanical properties, which limits the breadth of their operation.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Технической проблемой является создание термопластичной, биоразлагаемой полимерной композиции, включающей в качестве полимерной составляющей дешевые синтетические полимерные материалы, а в качестве природного наполнителя - не представляющие пищевой или кормовой ценности наполнители, при этом получаемые композиции должны проявлять высокую способность к биодеструкции под действием природных факторов, а также соответствовать требованиям, предъявляемым к материалам для переработки с помощью известных технологических процессов.The technical problem is the creation of a thermoplastic, biodegradable polymer composition, which includes cheap synthetic polymer materials as a polymer component, and fillers that do not represent food or feed value as a natural filler, while the resulting compositions must exhibit a high ability to biodegrade under the influence of natural factors, and also meet the requirements for materials to be processed using known technological processes.
Техническая проблема решается биоразлагаемой композицией, включающей полиэтилен, натуральный каучук и фосфолипидный концентрат, при следующем соотношении компонентов, масс. %:The technical problem is solved by a biodegradable composition, including polyethylene, natural rubber and phospholipid concentrate, in the following ratio of components, wt. %:
Содержание 3-10% масс. натурального каучука и фосфолипидного концентрата в композиции является необходимым для достижения технического результата. Содержание ниже 3% масс. указанных компонентов является недостаточным для появления свойства биоразложения, свыше 10% масс. нецелесообразно с экономической точки зрения и из-за нежелательных изменений физико-механических характеристик.The content of 3-10% of the mass. natural rubber and phospholipid concentrate in the composition is necessary to achieve a technical result. The content is below 3% of the mass. of these components is insufficient for the appearance of biodegradation properties, more than 10% of the mass. inexpedient from an economic point of view and due to undesirable changes in physical and mechanical characteristics.
Техническим результатом изобретения является повышение скорости разложения материала на основе полиолефинов с сохранением необходимых физико-механических характеристик в отличие от прототипа. Полученная композиция отвечает всем требованиям для производства и эксплуатации изделий из нее. Также введенные наполнители позволяют повысить пластичность композиции, твердость и износостойкость изделий, изготовленных по технологии на основе изобретения.The technical result of the invention is to increase the rate of decomposition of the material based on polyolefins while maintaining the necessary physical and mechanical characteristics, in contrast to the prototype. The resulting composition meets all the requirements for the production and operation of products from it. Also, the introduced fillers make it possible to increase the plasticity of the composition, the hardness and wear resistance of products manufactured using the technology based on the invention.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Существенными признаками, отличающими изобретение от прототипа, являются использование в композиции неочищенного натурального каучука и фосфолипидного концентрата. Натуральный каучук является природным полимером, не накапливающимся в природе и содержащим в своем составе белки, фосфолипиды и другие компоненты, способствующие деградации в естественных условиях. Натуральный каучук также ответственен за сохранение необходимых физико-механических показателей полученных композиций. Фосфолипидный концентрат является побочным продуктом рафинации растительного масла, и не имеет рыночной ценности. Кроме того, в своем составе содержит структурные аналоги фосфолипидов натурального каучука, придающие ему свойство биоразложения. Дополнительным фактором использования фосфолипидного концентрата является его гидрофильность. Известно, что чем более гидрофильна композиция, тем быстрее проходят процессы биодеструкции.The essential features that distinguish the invention from the prototype are the use of crude natural rubber and phospholipid concentrate in the composition. Natural rubber is a natural polymer that does not accumulate in nature and contains proteins, phospholipids and other components that contribute to degradation in natural conditions. Natural rubber is also responsible for maintaining the necessary physical and mechanical properties of the resulting compositions. Phospholipid concentrate is a by-product of vegetable oil refining and has no market value. In addition, it contains structural analogs of natural rubber phospholipids, which give it the property of biodegradation. An additional factor in the use of phospholipid concentrate is its hydrophilicity. It is known that the more hydrophilic the composition, the faster the processes of biodegradation.
Получение композицииGetting a composition
Полиэтилен, предпочтительно ПЭВД, смешивают с требуемым количеством фосфолипидного концентрата, побочного продукта очистки растительных масел, и ранее измельченного натурального каучука. Полученную смесь загружают в двухшнековый экструдер для расплавления и гомогенизации при температуре 60-190°С. Жгуты, выходящие из головки экструдера, нарезают на гранулы, которые используют для последующей обработки и получения биоразрушаемых материалов.Polyethylene, preferably HDPE, is mixed with the required amount of phospholipid concentrate, a by-product of vegetable oil refining, and previously ground natural rubber. The resulting mixture is loaded into a twin screw extruder for melting and homogenization at a temperature of 60-190°C. The tows leaving the extruder head are cut into granules, which are used for further processing and obtaining biodegradable materials.
Из полученных гранул могут быть изготовлены изделия с помощью литья под давлением. Для этого смесь подвергают плавлению в термопластавтомате с последующим впрыском полученного расплава в пресс-форму под давлением. Также из гранул можно получить пленки методом прессования.From the obtained granules, products can be made using injection molding. To do this, the mixture is subjected to melting in an injection molding machine, followed by injection of the resulting melt into a mold under pressure. It is also possible to obtain films from granules by pressing.
В процессе прессования пластины полимера подвергают воздействию давления и температуры с помощью гидравлического пресса с нагреваемыми пластинами.During the pressing process, the polymer plates are subjected to pressure and temperature using a hydraulic press with heated plates.
В качестве иллюстрации в таблице 1 показано влияние содержания НК (натурального каучука) и ФЛК (фосфолипидного концентрата) на водопоглощение.As an illustration, Table 1 shows the effect of NC (natural rubber) and FLC (phospholipid concentrate) content on water absorption.
Изменения технологических и физико-механических показателей полимерных композиций после 72 часов ускоренных климатических испытаний (УФ облучение мощность излучения ламп 1,55 Вт/м2., температура, при которой происходило облучение 60°С) приведены в таблице 2.Changes in technological and physical-mechanical parameters of polymer compositions after 72 hours of accelerated climatic tests (UV irradiation, lamp radiation power 1.55 W/ m2 , temperature at which irradiation took place 60°C) are shown in Table 2.
Исследование полученных композиций проводили с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Наноматерналы и нанотехнологии» Казанского национального исследовательского технологического университета при финансовой поддержке проекта Минобрнауки России в рамках гранта №075-15-2021-699.The study of the obtained compositions was carried out using the equipment of the Center for Collective Use "Nanomaterials and Nanotechnologies" of the Kazan National Research Technological University with the financial support of the project of the Ministry of Education and Science of Russia within the framework of grant No. 075-15-2021-699.
Значительные изменения показателя текучести расплава и разрушающего напряжения при растяжении в сторону их уменьшения наблюдается для всех исследуемых образцов, и находятся в пределах от -92 до +11% и от -24 до +6%, соответственно. Такой диапазон объясняется протеканием процессов структурирования и деструкции. С увеличением НК преобладают процессы структурирования.Significant changes in the melt flow rate and tensile stress in the direction of their decrease are observed for all the studied samples, and are in the range from -92 to +11% and from -24 to +6%, respectively. This range is explained by the processes of structuring and destruction. With an increase in NC, structuring processes predominate.
Использование ФЛК в количестве до 10% масс. в границах одного содержания НК приводит к повышению значений физико-механических показателей.The use of FLC in an amount up to 10% of the mass. within the same content of NC leads to an increase in the values of physical and mechanical parameters.
Пример 1 представляет собой чистый ПЭВД без наполнителей, не обладающий свойствами биоразлагаемости. Из табл. 1 мы видим, что полимер практически не имеет свойства водопоглощения. В табл. 2 мы видим, что физико-механические показатели после ускоренных климатических испытаний уменьшились на 7-17%.Example 1 is a pure LDPE with no fillers and is not biodegradable. From Table. 1 we see that the polymer has practically no water absorption property. In table. 2 we see that the physical and mechanical parameters after accelerated climatic tests decreased by 7-17%.
Примеры 2-4 без добавления неочищенного натурального каучука, как наполнителя, и с добавлением ФЛК от 3 до 10% получены следующим способом: ПЭВД смешивают с фосфолипидным концентратом до полной гомогенизации смеси при 60-190°С. Жгуты, выходящие из головки экструдера, нарезают на гранулы, которые используют для последующей обработки и получения биоразрушаемых материалов.Examples 2-4 without the addition of crude natural rubber as a filler, and with the addition of FLC from 3 to 10% were obtained in the following way: LDPE is mixed with a phospholipid concentrate until the mixture is completely homogenized at 60-190°C. The tows leaving the extruder head are cut into granules, which are used for further processing and obtaining biodegradable materials.
Данные примеры демонстрируют увеличение свойств водопоглощения при 24 часах и колебания изменения массы от 3,0-3,2% в диапазоне 48-96 часов. По сравнению с примером 1, примеры 2-4 демонстрируют меньшие изменения физико-механических свойств, а пример 4 с содержанием НК 0% масс. и ФЛК 10% масс. демонстрирует даже увеличение ПТР на 3%.These examples demonstrate an increase in water absorption properties at 24 hours and fluctuations in weight change from 3.0-3.2% in the range of 48-96 hours. Compared with example 1, examples 2-4 show less changes in physical and mechanical properties, and example 4 with 0 wt% NK content. and FLC 10% wt. demonstrates even an increase in MFR by 3%.
Примеры 5, 9, 13 с содержанием НК от 3 до 10% НК и не содержащие ФЛК получены аналогичным способом, как примеры 2-4, однако в смесь не добавлен ФЛК. Данные примеры демонстрируют незначительное увеличение водопоглощения, по сравнению с примером 1. Однако по сравнению с другими примерами, изменение массы намного ниже.Examples 5, 9, 13 containing NA from 3 to 10% NA and not containing FLC were obtained in a similar way as examples 2-4, however, no FLC was added to the mixture. These examples show a slight increase in water absorption compared to example 1. However, compared to other examples, the weight change is much lower.
Примеры 5-8 с добавлением 3% масс. НК демонстрируют значительное снижение ПТР от 50 до 51%. Также значительно снизилось и разрушающее напряжение до 31% и ударная вязкость по Шарпи до 15%.Examples 5-8 with the addition of 3% of the mass. NCs show a significant reduction in MFR from 50 to 51%. The fracture stress was also significantly reduced to 31% and the Charpy impact strength to 15%.
Примеры 6-8, 10-12 с содержанием НК от 3 до 5% масс. и ФЛК от 3 до 10% масс., полученные аналогичным способом, как и примеры 2-4, имеют больший процент водопоглощения, по сравнению с примерами 1-5, 9, 13. С увеличением доли НК и ФЛК в композиции степень водопоглощения тоже увеличивается.Examples 6-8, 10-12 containing NK from 3 to 5 wt%. and FLC from 3 to 10% wt., obtained in a similar way, as well as examples 2-4, have a higher percentage of water absorption, compared with examples 1-5, 9, 13. With an increase in the proportion of NC and FLC in the composition, the degree of water absorption also increases .
Примеры 10-12, полученные аналогичным способом, как примеры 2-4, демонстрируют уменьшение ПТР на 18-33%. С увеличением доли ФЛК увеличивается степень разрушающего напряжения по сравнению с образцами, содержащими меньшую долю ФЛК. Наилучшие показатели в данном диапазоне примеров демонстрирует образец 12.Examples 10-12, prepared in a similar manner as Examples 2-4, show an 18-33% reduction in MFR. With an increase in the proportion of FLC, the degree of breaking stress increases in comparison with samples containing a lower proportion of FLC. Sample 12 demonstrates the best performance in this range of examples.
Примеры 14-16, полученные аналогичным способом, описанным в примерах 2-4, с содержанием натурального каучука 10% масс. и ФЛК 3-5% масс. демонстрируют наибольшее проявление свойств водопоглощения. Также испытания показали (табл. 2), что у данных примеров наблюдается небольшое увеличение прочности при разрыве до +6%. Показатель текучести расплава по сравнению с образцами, не подвергшимся климатическим испытаниям, увеличился на 7-11%.Examples 14-16, obtained in a similar way as described in examples 2-4, with a natural rubber content of 10% of the mass. and FLC 3-5 wt%. demonstrate the greatest manifestation of water absorption properties. Tests have also shown (Table 2) that these examples show a slight increase in tensile strength up to +6%. The melt flow rate increased by 7-11% compared to samples not subjected to climatic tests.
В табл. 3 приведены данные по изменению массы образцов спустя 6 месяцев выдержки в почве согласно ГОСТ 9.060-75. Для испытаний использовалась почва, состоящая из смеси песка, конского навоза и лесной земли, взятых в равных количествах по массе. Перед испытаниями почва была выдержана в течение двух месяцев при температуре 23°С. В период выдержки почву ежедневно перемешивали и поддерживали ее влажность на уровне 30±5%. Через 6 месяцев пребывания в почве образцы в виде пленок толщиной 0,20±0,04 мм извлекли из почвы, отмыли и высушили при температуре 85°С в сушильном шкафу до постоянной массы. Оценку биоразложения проводили по изменению потери массы образцов.In table. 3 shows data on the change in the weight of the samples after 6 months of exposure in the soil according to GOST 9.060-75. For testing, soil was used, consisting of a mixture of sand, horse manure and forest land, taken in equal amounts by weight. Before testing, the soil was kept for two months at a temperature of 23°C. During the exposure period, the soil was mixed daily and its moisture content was maintained at the level of 30±5%. After 6 months of being in the soil, samples in the form of films 0.20 ± 0.04 mm thick were removed from the soil, washed and dried at a temperature of 85°C in an oven to constant weight. The assessment of biodegradation was carried out by changing the weight loss of the samples.
Пример 1 представляет собой чистый ПЭВД без наполнителей, не обладающий свойствами биоразлагаемости и не изменивший массы после выдержки в почве.Example 1 is a pure LDPE without fillers, which does not have biodegradable properties and does not change mass after exposure to soil.
Примеры 4-3 демонстрируют последовательное увеличение потери массы с увеличением содержания НК и ФЛК.Examples 4-3 show a consistent increase in weight loss with increasing content of NA and FLA.
Пример 16 представляет собой композицию с максимальной потерей массы в 9% при максимальном содержании НК и ФЛК.Example 16 is a composition with a maximum weight loss of 9% with a maximum content of NA and FLA.
Таким образом, полученные данные показывают, что полученные композиции, содержащие от 3 до 10% масс. НК и от 3 до 10% масс. ФЛК демонстрируют высокую способность к биоразложению, при этом физико-механические свойства полученных композиции находятся на достаточном уровне для предназначенного применения.Thus, the obtained data show that the obtained compositions containing from 3 to 10% of the mass. NK and from 3 to 10% of the mass. FLCs show a high biodegradability, while the physico-mechanical properties of the obtained compositions are at a sufficient level for the intended use.
Claims (4)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2783825C1 true RU2783825C1 (en) | 2022-11-18 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2826497C1 (en) * | 2023-08-11 | 2024-09-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский экономический университет имени Г. В. Плеханова" | Composite material with accelerated biodegradation and high thermal stability |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011141573A1 (en) * | 2010-05-14 | 2011-11-17 | Novamont S.P.A. | Biodegradable pellets foamed by irradiation |
RU2473578C1 (en) * | 2011-06-27 | 2013-01-27 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Биохимической Физики Им. Н.М. Эмануэля Российской Академии Наук (Ибхф Ран) | Biodegradable thermoplastic composition |
RU2480495C2 (en) * | 2006-05-01 | 2013-04-27 | Бнт Форс Байоудигрейдэбл Полимерс Пвт Лтд. | Novel biodegradable polymer composition suitable for producing biodegradable plastic, and method of preparing said composition |
RU2551515C2 (en) * | 2008-10-13 | 2015-05-27 | Рокетт Фрер | Thermoplastic and elastomeric formulations on basis of compound ethers of starchy material and methods of synthesis thereof |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2480495C2 (en) * | 2006-05-01 | 2013-04-27 | Бнт Форс Байоудигрейдэбл Полимерс Пвт Лтд. | Novel biodegradable polymer composition suitable for producing biodegradable plastic, and method of preparing said composition |
RU2551515C2 (en) * | 2008-10-13 | 2015-05-27 | Рокетт Фрер | Thermoplastic and elastomeric formulations on basis of compound ethers of starchy material and methods of synthesis thereof |
WO2011141573A1 (en) * | 2010-05-14 | 2011-11-17 | Novamont S.P.A. | Biodegradable pellets foamed by irradiation |
RU2473578C1 (en) * | 2011-06-27 | 2013-01-27 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Биохимической Физики Им. Н.М. Эмануэля Российской Академии Наук (Ибхф Ран) | Biodegradable thermoplastic composition |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
I. Varyan, P. Tyubaeva, N. Kolesnikova, A. Popov //journal Polymers // Biodegradable Polymer Materials Based on Polyethylene and Natural Rubber: Acquiring, Investigation, Properties, Publisced: 16.06.2022, doi: 103390/polym14122457. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2826497C1 (en) * | 2023-08-11 | 2024-09-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский экономический университет имени Г. В. Плеханова" | Composite material with accelerated biodegradation and high thermal stability |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE69327871T2 (en) | BIODEGRADABLE COMPOSITIONS OF SYNTHETIC AND NATURAL POLYMERS | |
Andrzejewski et al. | Cork-wood hybrid filler system for polypropylene and poly (lactic acid) based injection molded composites. Structure evaluation and mechanical performance | |
Essabir et al. | Bio-composites based on polypropylene reinforced with Almond Shells particles: Mechanical and thermal properties | |
Rozman et al. | The effect of coupling agents on the mechanical and physical properties of oil palm empty fruit bunch–polypropylene composites | |
Xu et al. | Environmental-friendly corn stover/poly (butylene adipate-co-terephthalate) biocomposites | |
Boontima et al. | Mechanical properties of sugarcane bagasse fiber-reinforced soy based biocomposites | |
DE3789799T2 (en) | Thermoplastic elastomer composition. | |
DE69009878T2 (en) | Compositions based on polymers and destructurized starch. | |
US20200283600A1 (en) | Algae-blended thermoplastic compositions | |
Tufan et al. | Mechanical, thermal, morpological properties and decay resistance of filled hazelnut husk polymer composites | |
DE69914175T2 (en) | Thermoplastic composition and method of making the same | |
DE102012017353A1 (en) | Thermoplastic elastomer composition | |
WO2012110237A1 (en) | Plasticizable polymer material based on the natural polymers polylactide and/or lignin | |
RU2783825C1 (en) | Biodegradable polyethylene-based polymeric composite material | |
RU2408621C2 (en) | Polymeric composition for moulding biodegradable articles form molten mass | |
Salmah et al. | The effect of filler loading and maleated polypropylene on properties of rubberwood filled polypropylene/natural rubber composites | |
Obasi et al. | Effects of native cassava starch and compatibilizer on biodegradable and tensile properties of polypropylene | |
Castillo et al. | Influence of thermoplasticized starch on physical-chemical properties of new biodegradable carriers intended for forest industry | |
Fathanah et al. | Biopolymer from starch and chitosan as bioplastic material for food packaging | |
WO2020136231A1 (en) | Compound or film containing thermoplastic starch and a thermoplastic polymer | |
JP2020125420A (en) | Thermoplastic elastomer composition and its use | |
Obasi | Tensile and biodegradable properties of extruded sorghum flour filled high density polyethylene films | |
DE102012017354A1 (en) | Thermoplastic elastomer composition | |
Abdelwahab et al. | Effect of bagasse on the physico-mechanical properties of natural and styrene-butadiene rubbers | |
Affandi et al. | Water absorption behavior of palm kernel shell filled polypropylene/recycled acrylonitrile butadiene rubber composites: effects of γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane |