RO131977A2 - Compoziţie şi procedeu pentru produse cu distrugere totală în mediu - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o compoziţie şi la un procedeu de obţinere a acesteia, utilizată pentru fabricarea unor produse biodegradabile. Compoziţia conform invenţiei conţine amidon, alcool polivinilic cu proprietăţi structurale selectate, policaprolactonă, materiale derivate din lemn, oxizi metalici, agenţi de accelerare a curgerii, alţi aditivi de prelucrare din topitură. Procedeul conform invenţiei constă în amestecarea componenţilor solizi cu cei lichizi, după care amestecul este supus procesului de extrudare în două faze, pe un extruder cu un singur melc, la o temperatură de maximum 90°C, urmat de un extruder cu doi melci, la o temperatură de 110...180°C, rezultând granule care se prelucrează ulterior în filme sau folii pentru produse de unică folosinţă.

Description

COMPOZIȚIE SI PROCEDEU PENTRU PRODUSE CU DISTRUGERE TOTALA IN MEDIU

DESCRIERE

Invenția se refera la o compoziție si un procedeu de obținere produse cu distrugere totala in mediu care sunt de tipul filmelor, foliilor pentru ambalaje sau produselor termoformate de unica întrebuințare si care in mediu sunt biodegradabile si/sau hidrosolubile cu solubilitate controlata, iar soluția rezultata după solubilizare poate fi biodegradata fie de anumite microorganisme fie prin tratare cu nămol activ

Este cunoscuta deasemeni o alta compoziție de material polimeric biodegradabil si un procedeu de obținere a acesteia care este destinata industriei de polimeri pentru fabricarea ambalajelor alimentare, cosmetice sau pentru agricultura. Aceasta compoziție este pe baza de alcool polivinilic, policlorură de vinii, amidon si glicerina [1] si prezintă dezavantajul ca este puțin probabil sa se producă o reacție chimica intre acești componenți incompatibili si sa rezulte compozite cu proprietăți reproductibile chiar daca umplutura a fost functionalizata. Valorile proprietăților materialelor date ca exemplu de realizare a invenției nu pun in evidenta reacția chimica revendicata, ca de altfel, nici una din revendicări.

Mai sunt cunoscute compoziții biodegradabile compuse dintr-un amestec de polietilena de joasa sau înalta densitate, polietilena reciclata sub forma de oligomeri ai etilenei, amidon si alti aditivi de prelucrare din topitura care prezintă dezavantajul ca au biodegradabilitate extrem de scăzută dat fiind ca in toate compozițiile revendicate procentul de polietilena este extrem de ridicat si de aceea, la scoaderea din uz si după biodegradare in sol a produselor confecționate din acestea va ramane in sol sub forma perforata insa cu perforații puține întrucât cantitatile de amidon din aceste compoziții care a fost mancat de microorganisme sunt reduse. După cum se știe biodegradarea materialelor se produce in următoarele 4 faze: atașarea microorganismului de material si consumarea unor componenți in funcție de necesitățile proprii de alimentare, fragmentarea, dezintegrarea materialului sub forma de pulbere, transformarea pulberii in dioxid de carbon, apa si substanțe minerale [2]. Testarea materialelor biodegradabile revendicate de brevet a aratat ca, după cca. 3 luni de biodegradare, aceste materiale se afla inca in primul stadiu de biodistructie din cele 4 posibile si anume acela al scăderii in greutate determinata desigur de consumarea de către microorganisme a conținutului de amidon. Procedeul de obținere al acestor compoziții este greoi si conduce la degradarea polimerilor din amestec întrucât se bazeaza pe multe prelucrări repetate sub acțiunea distructiva a temperaturii si a solicitărilor de forfecare [3],

Mai este deasemeni cunoscuta o compoziție care se poate distruge in mediu atat prin biodegradare deoarece conține unul din componenții: amidon, gluten, nămol de fermentație, dextrina, cat si prin autooxidarea altor componenți de tipul copolimer etilena - acetat de vinii, cauciuc natural datorita prezentei in aceasta compoziție a unor agenți de tipul săruri ale metalelor tranzitionale care promovează procesul [4]. Aceasta compoziție prezintă printre dezavantaje, faptul ca matricea polimerică de baza in care sunt incorporați acești componenți este polietilena, polimer care nu se biodegradeaza si faptul ca autooxidarea materialelor polimerice este un proces extrem de lent practic echivalent cu lipsa degradării in perioade de timp rezonabile.

Se mai cunoaște o compoziție pe baza de rasina epoxidică si nanotuburi de carbon, dar care prezintă dezavantajul ca amidonul este folosit ca agent de dispersare [5]

In scopul obținerii unor materiale biodegradabile se cunoaște o compoziție si un procedeu pentru fabricarea unor materiale biodegrababile [6] pentru ambalaje care prezintă dezavantajul ca sunt de tip expandat si ca se se bazeaza pe alcool polivinilic cu grad de hidroliză 80 - 85% ceea ce inseamna ca solubilizarea nu este controlata q

>7 a 2015 00955

03/12/2015 întrucât procesul este aproape instantaneu in apa rece. Se mai cunoaște deasemeni o compoziție si un procedeu de obținere al unor produse hidrosolubile de tip folie care prezintă același dezavantaj si anume acela al pierderii imediate la contactul cu apa rece a integrității aceste produse fiind confecționate tot materiale pe baza de alcool polivinilic cu grad de hidroliză 80 - 85% [7] . Din acest motiv aceste tipuri de materiale necesita condiții speciale de depozitare si transport întrucât la contactul cu apa rece isi pierd imediat integritatea.

Se mai cunaoste o compoziție si un procedeu de obținere a unor materiale biodegradabile pe baza de alcool polivinilic si amidon care insa prezintă dezavantajul ca au in compoziție materiale care asigura rezistenta la soc si au alta destinație decât cea a materialelor realizabile conform invenției [8],

Este cunoscuta deasemeni o compoziție si un procedeu prin care se realizează prin tehnici din topitură compozite biodegradabile care conțin componenti pentru creșterea proprietăților fizico mecanice de tipul silicatilor stratificați si/sau poliesteri hiperramificati si care sunt destinate ambalajelor nealimentare. Aceste compozite prezintă dezavantajul ca silicatul stratificat nu este exfoliat si de aceea proprietățile mecanice sunt scăzute [9],

Problema tehnica pe care o rezolva invenția consta in alegerea unor elemente constitutive si in stabilitrea rapoartelor dintre acestea pentru a rezulta compoziții care sa poata fi folosite la obținerea prin procedee sigure si eficiente de produse cu viata scurta si distrugere totala in mediu, controlata, destinate folosirii ca ambalaje cu viata scurta de diferite tipuri.

Compoziția conform invenției destinata fabricației de produse cu distrugere totala in mediu controlata, de tipul ambalajelor consta in aceea ca este constituita din următoarele componente (0 - 100)%, de preferința (15 - 65)% amidon, (100-0)% de preferința (85-0)% alcool polivinilic, (0 - 30)% policaprolactona, (0-50)% de preferința (10 - 30)% materiale derivate din lemn, (0 - 10)% de preferința (0-7)% oxizi de magneziu, aluminiu, siliciu sau titan, (5-50)% de preferința 10 - 30)% plastifianti sau amestec de plastifianti, (0.01 - 5)% de preferința (0.07 - 0.2)% stabilizatorizatori, (0 - 0.5)% de preferința (0.02-0.3)% agenți de accelerare a curgerii, (0.01 - 0.3)% de preferința (0.01 - 0.15)% coloranți.

Procedeul conform invenției de obținere de produse cu viata scurta si distrugere totala in mediu de tipul ambalajelor consta in aceea ca alcoolul polivinilic si/sau amidonul, si/sau policaprolactona sunt amestecați in stare uscata (solida) cu ceilalți componenti solizi din compoziție, iar apoi cu cei lichizi lichizi, amestecul fiind lasat sa se matureze timp de 48 ore. Acest amestec este apoi extrus pe extrudere clasice cu un singur melc la temperatura de 5095°C de preferința 60 - 90°C si timpi scurti de staționare in extrudere de 3-20 min.de preferința 3-7 min. si granulat in granulatoare folosite curent in industria materialelor plastice urmând ca granulele rezultate se fie prelucrate ulterior prin extrudere, la temperaturi din domeniul 110°C - 180°C de preferința 120°C -150°C pe aparate cu un singur melc sau cu doi melci, de preferința cu doi melci, extrudere cu sau fara zone de eliminare a volatilelor, in filme cu solubilitate controlata in apa destinate producției de ambalaje sau in placi care după uscare sub ventilație la 85-90°C pana la un continui de apa max.1% se prelucrează prin termoformare.

Invenția prezintă următoarele avantaje:

Compoziția se distruge total in mediu întrucât conține amidon care este hidrolizat si oxidat cu ajutorul enzimelor, alcoolul polivinilic se solubilizeaza in apa iar soluția rezultata, neagresiva pentru mediu, poate fi biodegradata fie de anumite microorganisme, fie prin tratare cu nămol activ [ 10] a 2015 00955

03/12/2015 fi

Compoziția nu se solubilizeaza instantaneu in apa ci in perioade de timp controlate întrucât folosește alcool polivinilic cu structura chimica controlata astfel incat atat numărul interacțiunilor intra si intermoleculare intre conținutul propriu de grupări hidroxil si moleculele de apa cat si conținutul rezidual de 4 grupări acetat sa fie mai mare sau mai mic in funcție de aplicația dorita pentru materialul rezultat conform compoziției si procedeului propus;

‘ Materialele rezultate conform compoziției si procedeului propus sunt prietenoase mediului întrucât polimerul care reprezintă matricea majoritara este un polizaharid de proveniența regenerabila din resurse extrem de abundente, foarte versatil in termeni de modificare fizica si chimica, cu preț de cost relativ scăzut (cartof, porumb, orez, banane, etc.) si pentru ca aceste materiale sunt biodegradabile datorita unei selecții adecvate a celorlalți componenți din compoziție ^_ Bioplasticele realizabile conform compoziției si procedeului propus au biodegradabilitate sporita si prin aceea ca se folosesc aditivi care permit anumite tipuri si nivele de structurare morfologica. In funcție de aceste caracteristici ale morfologiei bioatacul se produce in timp mai scurt sau mai lung.

Compoziția are proprietăți mecanice imbunatatite si higroscopicitate redusa întrucât include componenți special selectați astfel incat prezintă atracții reciproce sub forma legaturilor secundare de valența si de aceea structurări morfologice compacte, de interes practic realizate in utilaje specifice care permit eliminarea conținutului rezidual de apa.

Bioplasticele realizabile conform compoziție si procedeului propus nu se expandeaza in timpul fabricației si nici nu prezintă fenomenele de eliminare in timp a plastifiantilor si nici pe cele de rigidizare ca urmare a pierderii plastifiantului si a post cristalizării polimerului regenerabil prin retrogradare, temperatura tranziției vitroase fiind mai ridicata decât cea la care se reaiizeaza de obicei stocarea;

Procedeul de obținere al noilor bioplastice este astfel conceput incat elimina degradarea polimerului regenerabil posibila prin depolimerizare in amidon dextrinizat, si/sau olizaharide si zaharuri ca urmare a acțiunii îndelungate a factorilor de distructie de natura mecanica (presiune, viteze de forfecare, viteza melcului) sau termica in corelație stricta cu gradul de plastifiere;

Fabricația compoziției conform procedeului propus contribuie la dezvoltarea naționala durabila întrucât asigura un bun echilibru intre folosirea resurselor regenerabile, protecția mediului si dezvoltarea forței de munca intr-un bun climat economico - social.

Se dau in continuare 3 exemple de realizare a invenției

Exemplul 1

Intr-un amestecator pentru materiale solide specific industriei de mase plastice se introduc 39 kg alcool polivinilic cu grad de hidroliză 89 si masa moleculara 1259, 17 kg amidon de porumb, 5.6 kg policaprolactona, 0.84 kg stearil stearamida, 2.8 kg uree, 1.58 kg formamida si se amesteca la temperatura mediului înconjurător timp de 30 min. după care in amestecul solid astfel obtinut se adauga in trepte 33.5 kg polioli si se continua amestecarea timp de 40 min. pana când pulberea curge uniform fara a se aglomera. Amestecul astfel obtinut se lașa la maturat 40 ore după care se extrude intr-un extruder cu dublu snec si cu zone de degazare la temperatura de 160° C, timp de staționare in cilindru de 10 min. in filme sau folii de grosimea dorita din care se confecționează ulterior ambalaje cu distrugere totala in mediu. Proprietățile materialelor rezultate sunt prezentate in tabelul 1.

a 2015 00955

03/12/2015

Tabelul 1

Proprietate, metoda de determinare, UM	Valori
Rezistenta la tracțiune, STAS 5878, MPa	7.15
Alungire la rupere, STAS 5878, %	400
Grosime, mm	0.1
Temperatura tranziției sticloase, măsurători DSC, °C	37

Exemplul 2

Intr-un amestecator pentru materiale solide specific industriei de mase plastice se introduc 42 kg alcool polivinilic cu grad de hidroliză 98 si masa moleculara 1250, 20 kg amidon de porumb, 10 kg nanoceluloza, 0.84 kg stearil stearamida, 11.37 kg uree, 4.15 kg formamida, 0.48 kg bioxid de siliciu, 2 kg colorant si se amesteca la temperatura mediului înconjurător timp de 25 min. după care in amestecul solid astfel obtinut se adauga in trepte 9.16 kg polioli si se continua amestecarea timp de 45 min. pana când pulberea curge uniform fara a se aglomera. Amestecul astfel obtinut se lașa la maturat 48 ore după care se extrude intr-un extruder cu un singur snec la 95 °C iar granulele rezultate se prelucrează intr-un extruder cu dublu snec si cu zone de degazare la temperatura de 175°C, timp de staționare in cilindru de 15 min. in placi din care se confecționează ulterior prin termoformare mecanica ambalaje cu distrugere totala in mediu. Proprietățile materialelor rezultate sunt prezentate in tabelul 1.

Tabelul 2

Proprietate, Metoda de determinare, UM	Valori
Rezistenta la tracțiune, STAS 5878, MPa	7,3
Rezistenta la soc Izod, kJ/m2, epruvete necrestate / crestate, ciocan 2 J, 20uC	32.5 /17.63
Duritatea, °Sh A	80.1
Stabilitatea dimensionala, variație lungime / lățime după 15 min. la T = 100°C, %	0.002/0.01
Temperatura tranziției sticloase, UC	50
Densitate, STAS 12633 - 1988, g/cm3	1.57

Exemplul 3

Intr-un amestecator pentru materiale solide specific industriei de mase plastice se introduc 40 kg alcool polivinilic cu grad de hidroliză 98 si masa moleculara 1250, 21 kg amidon de porumb, 5 kg nanoceluloza, 0.84 kg stearil stearamida, 11.37 kg uree, 4 kg acetamida, 0.79 kg bioxid de siliciu, 5 kg colorant si se amesteca la temperatura mediului înconjurător timp de 25 min. după care in amestecul solid astfel obtinut se adauga in trepte 12 kg polioli si se continua amestecarea timp de 45 min. pana când pulberea curge uniform fara a se aglomera. Amestecul astfel obtinut se lașa la maturat 50 ore după care se extrude intr-un extruder cu un singur snec la 95 °C iar granulele rezultate se prelucrează intr-un extruder cu dublu snec si cu zone de degazare la temperatura de 165° C, timp a 2015 00955 03/12/2015 de staționare in cilindru de 10 min. in placi din care se confecționează ulterior prin termoformare mecanica ambalaje cu distrugere totala in mediu. Proprietățile materialelor rezultate sunt prezentate in tabelul 1.

Tabelul 3

Proprietate, Metoda de determinare, UM	Valori
Rezistenta la tracțiune, STAS 5878, MPa	6.2
Duritatea, °Sh A	90
Stabilitatea dimensionala, variație lungime / lățime după 15 min. la T = 100“C, %	0.015/0.01
Rezistenta la soc Izod, kj/m2, epruvete necrestate / crestate, ciocan 2 J, 20uC	19.3/9.5
Temperatura tranziției sticloase, UC	32
Densitate, STAS 12633 - 1988, g/cm3	1.52

’f

Claims (5)

1. REVENDICĂRI

   1. Compoziția pentru produse cu distrugere totala in mediu controlata, de tipul ambalajelor consta in aceea ca este constituita din următoarele componente exprimate in parti in greutate raportate la total amestec Compoziție pentru produse cu distrugere totala in mediu compusa din (0 - 100)%, de preferința (15 - 65)% amidon , (100 - 0)% de preferința (85 -0)% alcool polivinilic, (0 - 30)% policaprolactona, (0-50 )% de preferința (10 - 30)% materiale derivate din lemn, (0 _ 10)% de preferința (0-7)% oxizi de magneziu, aluminiu, siliciu sau titan, (5-50)% de preferința 10 - 30)% plastifianti sau amestec de plastifianti, (0.01 - 5)% de preferința (0.07 - 0.2)% stabilizatorizatori, (0 0.5)% de preferința (0.02-0.3)% agenți de accelerare a curgerii, (0.01 - 0.3)% de preferința (0.01 0.15)% coloranți.
2. 2. Compoziție conform revendicării 1 caracterizat prin aceea ca alcoolul polivinilic are grad de hidroliza 85.6 - 98.9% , de preferința 89 - 98.9%, iar gradul de polimerizare intre 500 si 2100 de preferința 1250-2500.
3. 3. Compoziție conform revendicării 1 caracterizat prin aceea ca amidonul are continui variabil de amiloza de la 25 la 80 % de preserinta 30 - 50%, provine din porumb si este folosit in concentrații ridicate intre 15% si 90% de preferința 30-70% raportate la total amestec.
4. 4. Compoziție conform revendicării 1 caracterizata prin aceea ca este plastifîata cu polioli, trimetilol melanină, compuși cu azot (formamida, etanolamina, acetamida, uree, aminoacizi, etc.) fructoză, sucroza, manosa, glicoli, polioli, sorbitol, uree, acid citric, acid ascorbic de preferința etanolamina, fructoză, glicoli, uree, formamida, acetamida, acid citric, polioli, plastifianti folosiți in concentrații de 5 - 45% de preferința 7 - 39% raportat la total amestec.
5. 5. Procedeul conform invenției de obținere de produse cu viata scurta si distrugere totala in mediu de tipul ambalajelor consta in aceea ca alcoolul polivinilic si/sau amidonul, si/sau policaprolactona sunt amestecați in stare uscata (solida) cu ceilalți componentii solizi din compoziție iar apoi cu cei lichizi lichizi, amestecul fiind lasat sa se matureze timp de 48 ore. Acest amestec este apoi extrus pe extrudere clasice cu un singur melt la temperatura de 50- 95°C de preferința 60 - 90°C si timpi scurti de staționare in extrudere de 3-20 min., de preferința 3-7 min. si granulat in granulatoare folosite curent in industria materialelor plastice urmând ca granulele rezultate se fie prelucrate ulterior prin extrudere, la temperaturi din domeniul 110°C - 180°C de preferința 120°C -150°C pe aparate cu un singur melc sau cu doi melci, de preferința cu doi melci, extrudere cu sau fara zone de eliminare a volatilelor, in filme cu solubilitate controlata in apa destinate producției de ambalaje sau in placi care după uscare sub ventilație la 85-90°C pana la un continui de apa max.l % se prelucrează prin termoformare.