CZ35618U1 - Porézní kompozice na bázi plně biodegradabilního polymeru, zejména pro zemědělské aplikace - Google Patents

Description

Porézní kompozice na bázi plně biodegradabilního polymeru, zejména pro zemědělské aplikace

Oblast techniky

Technické řešení se týká porézní kompozice, vytvořené na bázi plně biodegradabilního polymeru, aplikovaného zejména ve formě recyklátu, primární nebo druhotné suroviny. Řešení je určeno především pro aplikace do půdy nebo zahradnického substrátu jako prolehčující materiál se sorpční kapacitou.

Dosavadní stav techniky

Biologicky odbouratelné polymery představují progresivní skupinu plastů se širokým portfoliem uplatnění jako kompostovatelných obalových materiálů, nosičů léčiv a speciální aplikace, například 3D tisk nebo nanovlákna. Tyto materiály jsou vysoce perspektivní z pohledu vývoje komplexních technologií pro některá medicínská, farmaceutická a biotechnologická využití, ale také pro obalový průmysl. Svá uplatnění nachází tam, kde je primární podmínkou funkčnosti určité technologie její biologická odbouratelnost. S rostoucím technologickým zpracováním biologicky odbouratelných plastů vzniká také produkce druhotné suroviny výroby, která již nevykazuje vhodné parametry pro znovuzpracování, především se jedná o nižší molekulovou hmotnost a barevné změny způsobené částečnou tepelnou dekompozicí.

Kyselina polymléčná - polylaktid, PLA je jedním z několika průmyslově používaných biologicky odbouratelných polymerů. Neustálý rostoucí zájem ve výzkumu z hlediska využití tohoto materiálu pro různá průmyslová odvětví přináší nové aplikace například v zemědělství jako mulčovací fólie, fólie eliminující výpar vody, nebo v obalovém průmyslu jako obaly pro potraviny a odpadkové pytle. Zájem o biologicky odbouratelné polymery roste i v automobilovém průmyslu, který přináší zvýšenou tvorbu druhotné suroviny, jimiž jsou ořezy z výroby a nestandardní výrobky. Takto zpracovaný materiál lze jen těžce znovu využít při výrobě daného produktu.

Při zpracování biologicky odbouratelných polymerů však dochází ke vzniku velkého množství druhotné suroviny, kterou lze v některých výrobách zpracovat pouze omezeně nebo vůbec. Vzniká surovina, kterou současný systém třídění odpadů nedokáže vyseparovat a dále znovu využít. Navíc lze v budoucnu předpokládat, že se v Evropě průmyslově rozšíří další typy biologicky odbouratelných materiálů, jako například polyhydroxyalkanoáty, polybutyl-sukcinát, polybutylen adipát tereftalát atd., při jejichž zpracování bude rovněž vznikat druhotná biologicky odbouratelná surovina.

Dřevní piliny, dřevní moučka nebo dřevní prach jsou přírodní materiál vznikající v dřevoobráběcím průmyslu, který se aktuálně zpracovává především do formy pelet nebo briket pro výrobu tepla jako alternativa uhlí a štípaného dříví. Zahrádkáři piliny také běžně používají na zahradách ve vyšší vrstvě jako cestičky k záhonům nebo k potlačení růstu plevelů. Proto se tato druhotná surovina jeví výhodnou pro zpracování pro další typ zemědělských aplikací.

Problematika zádrže vody v půdě, postupné uvolňování vláhy a těžkost či nízká provzdušněnost různých druhů půd, například jdovitých půd, je dlouhodobě diskutovaným tématem. V hobby, ale také jiných četných zahradnických aplikacích se v současnosti ve většině případů pro vyřešení těchto problémů používá keramzit. Jedná se o přírodní materiál, který vzniká vypalováním třetihomích jílů, cyprisu, ve speciálních rotačních pecích při teplotách přes 1000 °C. Používá se především pro různé zásypy a podsypy ve stavebnictví, jako substrát pro hydroponie a především jako drenáž na dno květináče nebo na povrch substrátu pro dekorativní zakrytí zeminy a vegetační plochy, dle přihlášky vynálezu RU 2537178 C2 a užitného vzoru CZ 1905 U1. Nevýhodou keramzitu je skutečnost, že se velmi těžce odbourává po ukončení aplikace, nelze kompostovat,

-1 CZ 35618 UI hyzdí záhony v zahradách nebo skončí v komunálním odpadu, kdy dochází ke zbytečnému navýšení masy odpadu.

Dalším přírodním materiálem užívaným v této oblasti je perlit. Je to přírodní hornina sopečného původu, která se používá obdobně jako keramzit ve stavebnictví a z hlediska aplikací v zemědělství je vhodná především pro výsev a zakořeňování mladých rostlin. Nevýhodou je zde opět biologická inertnost.

Nejběžnější alternativou ke zvýšení sorpční kapacity půdy jsou hydrogely. Jejich nespornou výhodou je velmi vysoká retence vody ve hmotě. Nedostatkem je pak skutečnost, že se v naprosté většině jedná o sloučeniny akrylové kyseliny, která se v půdě může následně uvolňovat a působit toxicky nejen pro rostliny. Další nevýhodou je problém celkového odbourání hydrogelů v půdním prostředí. Po ukončení aplikace je možné substrát s hydrogelem odstranit společně s domovním komunálním odpadem. Tím se v domácnostech zbytečně navyšuje odpadní hmota, která aktuálně končí především na skládkách odpadu.

Další skupina hydrogelů je přírodního původu a je na bázi polysacharidů, jak uvádí užitný vzor CZ 34213; tyto hydrogely se naopak ve vodném prostředí odbourávají velmi rychle. Společným nedostatkem hydrogelů je ale v těchto aplikacích skutečnost, že primárně neslouží kprolehčení a tím i provzdušnění půdy.

Žádné z uvedených řešení však nevyužívá druhotnou polymemí surovinu. Výroba výše uvedených technických řešení je velmi energeticky náročná a v některých případech je třeba vyvíjet nová technologická zařízení.

Podstata technického řešení

K odstranění výše uvedených nedostatků do značné míry přispívá porézní kompozice na bázi plně biodegradabilního polymeru, určená především pro zemědělské aplikace, podle předloženého technického řešení. Podstata technického řešení spočívá v tom, že kompozice obsahuje 47 až 80 % hmotnostních biologicky odbouratelného polymeru, 10 až 50 % hmotnostních přírodního plniva a 3 až 15 % hmotnostních nadouvadla.

U porézní kompozice podle technického řešení je biologicky odbouratelným polymerem s výhodou primární nebo sekundární surovina nebo recyklát na bázi polylaktidu, polybutylen adipát tereftalátu nebo jejich směsí. Přírodním plnivem jsou s výhodou dřevní piliny, dřevní moučka nebo dřevní prach. Nadouvadlem je s výhodou hydrogenuhličitan sodný.

Oproti přírodním produktům na trhu se porézní kompozice podle technického řešení vyrábí při běžných zpracovatelských teplotách typických pro plastikářský průmysl v rozmezí 110 až 250 °C, proces tedy není natolik energeticky náročný.

Kompozice podle technického řešení díky použitým surovinám snižuje molekulovou hmotnost výsledného produktu v průměru o polovinu v porovnání se vstupním polymerem, což je výhodné z hlediska následného odbourání produktu z prostředí. Receptura umožňuje zpracování najedno i dvoušnekovém extruzním zařízení, kdy výběrem vhodné hlavy lze docílit odlišného finálního tvaru a velikosti frakce produktu. Produkt je také možné dezintegrovat na menší frakce pomocí sekacího nebo mlecího zařízení.

Produkt vyrobený z této kompozice díky své struktuře a složení absorbuje vodu, kterou je schopen zadržet a následně postupně uvolňovat do okolí. Jedná se o plně biologicky odbouratelný materiál, který lze po ukončení aplikace směřovat do biologicky odbouratelného odpadu nebo kompostéru v případě, že se zcela nerozložil při vlastní aplikaci.

- 2 CZ 35618 UI

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1

Polylaktidový prášek o molekulové hmotnosti 5 000 g/mol, laboratorně připravený polykondenzační reakcí z kyseliny mléčné, v množství 80 % hmota., byl smíchán s 10 % hmota, nadouvadla NaHCCE a 10 % hmota, dřevní moučky, frakce 150 až 300 pm. Tato směs byla termoplasticky zpracována ve dvoušnekovém mikrohnětači do formy struny a nasekána na kusy o délce cca 1 cm.

Takto získaný produkt vykazoval sorpční kapacitu cca 25 procent po deseti minutách s rostoucí tendencí až do 48 procent po 24 hodinách imerze v destilované vodě.

Příklad 2

Polylaktidový granulát, primární surovina, v množství 55 % hmota., byl smíchán s 15 % hmota, nadouvadla NaHCCE a 30 % hmota, pilin. Tato směs byla termoplasticky zpracována ve dvoušnekovém mikrohnětači do formy struny a nasekána na kusy o délce cca 1 cm.

Připravená porézní kompozice vykazovala sorpční kapacitu až 80 procent po 30 minutách imerze v destilované vodě s rostoucí tendencí. Voda vykazovala na konci experimentu pH 7,7 až 8,5. Pro porovnání, keramzit, frakce 8 až 16 mm, vykazoval sorpční kapacitu 18,6 hmotnostních dílů po 30 minutách imerze v destilované vodě, která měla na konci experimentu pH 9,3. Elementární analýza kompozice prokázala přítomnost následujících prvků: uhlík 42 hmotnostních dílů, vodík

5 hmotnostních dílů a dusík 1 hmotnostních dílů. Byla tedy potvrzena přítomnost dusíku ve struktuře kompozice.

Příklad 3

Polylaktidová drť, druhotná surovina, v množství 47 % hmota., byla smíchána s 3 % hmota, nadouvadla NaHCCE a 50 % hmota, pilin a termoplasticky zpracována na jednošnekovém zařízení s centrálním šnekem, získaný kompozit byl podrcen na laboratorním mlýnu na velikost frakce 5 až 10 mm.

Porézní produkt měl zhruba třetinovou molekulovou hmotnost, 56 000 g/mol, v porovnání se vstupní surovinou, polylaktidová drť M_w = 162 000 g/mol. Produkt vykazoval sorpční kapacita 50 až 100 procent po 30 minutách imerze v destilované vodě s rostoucím trendem na 90 až 110 procent po 18 dnech. Po této době dochází k postupné dezintegraci porézního produktu. Hodnota pH destilované vody se pohybovala v rozmezí 7,5 až 8,1. Produkt byl smíchán se zahradnickým substrátem v poměru 1:10 objemově a byl sledován vliv kompozice na klíčivost semen řepky olejně v porovnání se zahradnickým substrátem bez přídavku kompozice, přičemž zde nebyl pozorován vliv na klíčivost semen.

Příklad 4

Provedení kompozice ve formě drti odpovídalo složení, uvedeném v příkladu 3, s tím rozdílem, že finální frakce drti byla o velikosti 20 až 30 mm. Produkt vykazoval sorpční kapacitu až cca 30 hmotnostních dílů po 30 minutách imerze v destilované vodě.

so Příklad 5

Polylaktidová drť, druhotná surovina z tiskových 3D strun (25 % obsah plniva - sazí), v množství 67 % hmota., byla smíchána s 3 % hmota, endotermního nadouvadla na uhlíkové bázi a obsahem 30 % hmota, dřevní moučky o frakci 150 až 300 pm, a poté termoplasticky zpracována na

-3CZ 35618 UI laboratorním hnětači. Materiál byl následně podrcen v laboratorním mlýnu na frakci cca 5 až 15 mm.

Výsledný produkt vykazoval méně pórovitou strukturu v porovnání s nadouvadlem NaHCCh. Nicméně u molekulové hmotnosti došlo díky nastavení receptury opět ke snížení z 214 000 g/mol na hodnotu 91 000 g/mol. Póry byly spíše oválné s orientací ve směru hnětadel zařízení s provázanou vláknitou strukturou. Kompozice byla smíchána se zahradnickým substrátem v poměru 1:10 objemově a byl sledován vliv kompozice na klíčivost semen řepky olejně. V porovnání se zahradnickým substrátem bez přídavku kompozice nebyl pozorován vliv kompozitu na klíčivost semen.

Příklad 6

Kompozice byla připravena obdobně jako materiál popsaný v příkladu 3 s tím rozdílem, že jako polymerní recyklát byl použit PLA odpadní regranulát bez přídavku aditiv nebo plniv a směs byla termoplasticky zpracována v poloprovozním zařízení v centrálním šneku, ze kterého byla přes podávači šnek tvarována přes hlavu se štěrbinou 5 mm do podoby struny, která byla řezána na kusy cca 20 až 30 mm.

Výsledná kompozice smíchaná se zahradnickým substrátem v poměru 2:1 obj. neovlivňovala vodivost substrátu a je schopna opakovaně zadržet cca 30 hmotnostních dílů vody ve své struktuře. Molekulová hmotnost kompozice byla 41 800 ± 9100 g/mol.

Příklad 7

Komerčně dostupný biologicky odbouratelný materiál (primární surovina na bázi polylaktidu a polybutylen adipát tereftalátu) v množství 47 % hmota, byl smíchán s 3 % hmota, nadouvadla NaHCCh a 50 % hmota, pilin. Tato směs byla termoplasticky zpracována ve dvoušnekovém mikrohnětači, ve formě struny byla nasekána na kusy o délce 10 mm.

Do kompozice lze také přidat dusíkatou složku, která je při teplotách zpracování stabilní (hnojivo).

Produkt vykazoval sorpční kapacitu do 30 procent po deseti minutách imerze v destilované vodě. Molekulová hmotnost kompozice s výhodou klesla o cca 50 % na hodnotu 61 400 ± 2 700 g/mol se zachováním stejného indexu polydisperzity.

Průmyslová využitelnost

Porézní kompozice podle technického řešení umožňuje prolehčení půdy a zároveň zvýšení sorpční a retenční kapacity substrátu pro rostliny, přičemž je v mnoha ohledech přátelská životnímu prostředí. Řešení je zacíleno zejména na zpracovatele biologicky odbouratelných polymerů, u nichž vzniká nevyužitelná druhotná surovina na bázi těchto polymerů. Výsledný produkt je pak především určen pro hobby pěstitele a zahradnictví.

Claims (3)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Porézní kompozice na bázi plně biodegradabilního polymeru, zejména pro zemědělské 5 aplikace, vyznačující se tím, že obsahuje 47 až 80 % hmota, biologicky odbouratelného polymeru, 50 až 10 % hmota, přírodního plniva a 3 až 15 % hmota, nadouvadla.
2. 2. Porézní kompozice podle nároku 1, vyznačující se tím, že biologicky odbouratelným polymerem je primární nebo sekundární surovina nebo recyklát na bázi polylaktidu, polybutylen ίο adipát tereftalátu nebo j ej ich směsí.
3. 3. Porézní kompozice podle nároku 1, vyznačující se tím, že přírodním plnivem jsou dřevní piliny, dřevní moučka nebo dřevní prach.

   15 4. Porézní kompozice podle nároku 1, vyznačující se tím, že nadouvadlem je hydrogenuhličitan sodný nebo endotermní nadouvadlo na uhlíkové bázi.