RU2626022C1

RU2626022C1 - Environmentally safe packing material based on polylactide

Info

Publication number: RU2626022C1
Application number: RU2016127076A
Authority: RU
Inventors: Юрий Андреевич Гороховатский; Дмитрий Эдуардович Темнов; Елена Анатольевна Карулина; Дарья Александровна Игнатьева; Алина Альбертовна Гужова; Мансур Флоридович Галиханов
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2017-07-21

Abstract

FIELD: packaging industry.

SUBSTANCE: packing material based on polylactide is created by mixing polylactide with dispersed filler SiO₂ (aerosil) with a concentration of 1.9-2.1% by volume and a particle size of 12 nm. Mixing was carried out for 5 minutes at a temperature of 180°C. Further, the finished composition was placed in a hot press at a pressing temperature of 180°C and a pressing pressure of 15 MPa. The films were cooled for 1 min, then placed in a positive corona discharge field, charged at room temperature or at a temperature above the polylactide glass transition temperature for 5 min to a surface potential of 1.3-1.5 kV.

EFFECT: production of active packaging on the basis of biodegradable materials with increased electret effect.

4 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к технологии получения композитных полимерных упаковочных материалов и может быть использовано в пищевой промышленности, а также в сельском хозяйстве и в быту.The invention relates to a technology for producing composite polymer packaging materials and can be used in the food industry, as well as in agriculture and in everyday life.

Известна крахмалсодержащая рукавная оболочка для пищевых продуктов с переводным слоем, а также способ ее получения [заявка на патент №2004112554 RU]. Оболочка получена экструзией или коэкструзией, единственный или по меньшей мере внутренний слой которой содержит смесь из термопластичного крахмала и/или термопластичного производного крахмала и по меньшей мере одного другого полимера, отличающаяся тем, что другим полимером является гомо- или сополимер со звеньями гидроксикарбоновой кислоты, поли-сложный эфир-уретан, поли-простой эфир-уретан, поли-сложный эфир-простой эфир-уретан или полиалкиленкарбонат, причем оболочка содержит внутри по меньшей мере одно переносимое красящее, ароматизирующее или вкусовое вещество. Недостатки: многокомпонентный состав, сложность производства, содержание синтетических полимеров.Known starch-containing tubular sheath for food products with a transfer layer, as well as a method for its preparation [patent application No. 20044112554 RU]. The shell is obtained by extrusion or coextrusion, the only or at least the inner layer of which contains a mixture of thermoplastic starch and / or thermoplastic derivative of starch and at least one other polymer, characterized in that the other polymer is a homo or copolymer with hydroxycarboxylic acid units, poly urethane-ester, poly-ether-urethane, poly-ester-ether-urethane or polyalkylene carbonate, the shell containing at least one portable coloring dye, aroma tiziruyuschiy or flavoring substance. Disadvantages: multicomponent composition, complexity of production, content of synthetic polymers.

Известна безвредная для окружающей среды многослойная эластичная пленка, обладающая барьерными свойствами [заявка на патент №2009109142 RU]. Многослойная упаковочная пленка, содержит наружный слой, содержащий пленку на биологической основе; адгезивный слой, смежный с указанным наружным слоем, и слой со стороны продукта, содержащий специализированную полипропиленовую пленку. Недостатки: многокомпонентный состав, обязательное содержание со стороны продукта полипропиленового слоя, барьерные свойства достигаются за счет многослойности.Known for environmentally friendly multilayer elastic film having barrier properties [patent application No. 2009109142 RU]. A multilayer packaging film, comprising an outer layer comprising a bio-based film; an adhesive layer adjacent to the specified outer layer, and a layer on the side of the product containing a specialized polypropylene film. Disadvantages: multicomponent composition, obligatory content of the polypropylene layer on the product side, barrier properties are achieved due to multilayer.

Известны биоразлагаемые пленки [заявка на патент №20051004789 DE], основанные на регенерирующем сырье, которое содержит в основе полилактид, молочную кислоту, гомо- и сополиэфир, гидроксибутират и гидроксивалерат полиэстера. Могут использоваться как бандажные ленты для самоклеящихся полос и этикеток, содержащие клей на основе сополиэфиров, так же, как биоразлагаемая клейкая пленка на упаковку, включающая обработку в поле коронного разряда на одной стороне для улучшения склеивания поверхности пленки и подложки. При этом с той же целью может применяться сушка и/или обработка поверхности ультрафиолетовым излучением. Недостатки: многокомпонентный состав, сложность производства, обработка коронным разрядом применяется только для улучшения склеивания.Biodegradable films are known [DE patent application 20051004789] based on a regenerating raw material that contains polylactide, lactic acid, homo- and copolyester, hydroxybutyrate and polyester hydroxyvalerate. Can be used as banding tapes for self-adhesive strips and labels containing copolyesters glue, as well as biodegradable adhesive film on the package, including processing in the corona discharge field on one side to improve adhesion of the film surface and the substrate. In this case, drying and / or surface treatment with ultraviolet radiation can be used for the same purpose. Disadvantages: multicomponent composition, complexity of production, corona treatment is used only to improve bonding.

Прототипом изобретения является композитный полимерный упаковочный материал на основе полиэтилена высокого давления с добавками крахмала и диоксида кремния [патент №2568488 RU]. Сущность изобретения состоит в том, что создается композит методом вальцевания при температуре 150°C и последующего прессования при температуре 170°C в течение 10 минут. Затем полимерные пленки помещаются в поле коронного разряда и заряжаются при комнатной температуре в течение 0,5-2,5 минут до величины поверхностного потенциала порядка 500-1000 В. Время хранения электретного состояния до 130 суток. Недостатки прототипа: многокомпонентный состав, достаточно долгий срок разложения, не является биополимером.The prototype of the invention is a composite polymer packaging material based on high-pressure polyethylene with additives of starch and silicon dioxide [patent No. 2568488 RU]. The essence of the invention lies in the fact that the composite is created by rolling at a temperature of 150 ° C and subsequent pressing at a temperature of 170 ° C for 10 minutes. Then the polymer films are placed in the corona discharge field and charged at room temperature for 0.5-2.5 minutes to a surface potential of about 500-1000 V. The storage time of the electret state is up to 130 days. The disadvantages of the prototype: multicomponent composition, a sufficiently long decomposition period, is not a biopolymer.

Цель изобретения - получение активной упаковки на основе биоразлагаемых материалов с повышенным электретным эффектом.The purpose of the invention is the production of active packaging based on biodegradable materials with enhanced electret effect.

Выбор полилактида в качестве основного компонента для получения биоразлагаемого материала обусловлен следующими соображениями. Актуальным является создание композитных материалов, обладающих свойствами активной упаковки и одновременно являющихся биоразлагаемыми материалами. Наиболее перспективными биополимерами являются полилактиды (PLA) - полимеры молочной кислоты. Их легко можно переработать в волокна, пленки и другие изделия. Исходным сырьем для формирования полимера служит крахмал или меласса, получаемая при производстве сахара из сахарной свеклы или сахарного тростника. Упаковка из полилактида полностью разрушается за 45 дней в условиях промышленного компостинга при определенных требованиях (температура не менее 60°C, определенный уровень влажности, наличие бактерий и др.). Однако по сравнению с традиционными полимерами, применяемыми для создания электретов, полилактид в чистом виде не проявляет электретного эффекта в той степени, которая необходима для практического применения.The choice of polylactide as the main component for the preparation of biodegradable material is due to the following considerations. It is relevant to create composite materials with the properties of active packaging and at the same time biodegradable materials. The most promising biopolymers are polylactides (PLA) - polymers of lactic acid. They can easily be processed into fibers, films and other products. The raw material for the formation of the polymer is starch or molasses, obtained by the production of sugar from sugar beets or sugar cane. A polylactide package is completely destroyed in 45 days under conditions of industrial composting under certain requirements (temperature not less than 60 ° C, a certain level of humidity, the presence of bacteria, etc.). However, compared with traditional polymers used to create electrets, polylactide in its pure form does not exhibit an electret effect to the extent necessary for practical use.

Искомый технический результат достигается за счет того, что для получения композитного полимерного упаковочного материала полилактид смешивают с дисперсным наполнителем SiO₂ (аэросил), затем применяют метод горячего прессования, а соотношение наполнителя позволяет добиться наилучшей стабильности электретного состояния.The desired technical result is achieved due to the fact that to obtain a composite polymer packaging material, polylactide is mixed with dispersed filler SiO ₂ (Aerosil), then the hot pressing method is used, and the ratio of the filler allows to achieve the best stability of the electret state.

Сущность изобретения состоит в том, что для изготовления композита на основе полилактида методом горячего прессования полилактид смешивали с дисперсным наполнителем SiO₂ (аэросил) с концентрацией 1-6 об. %, с размером частиц 12 нм на смесителе с регулируемым электрообогревом для образцов. Скорость вращения валков 150 об/мин. Смешение производили в течение 5 минут при температуре 180°C. Готовая композиция помещалась между двумя отшлифованными пластинами в пресс. Температура прессования составляла 180°C, давление прессования - 15 МПа, время предварительного нагрева - 3 мин, время выдержки под давлением - 5 мин, время подпрессовки - 2 мин. Далее нагретые плиты размыкали, пресс-форму помещали между охлаждающими плитами и подавали холодную воду с температурой 20°C. После охлаждения в течение 1 мин пленки толщиной 150-220 мкм извлекались из пресс формы. Электретное состояния в образцах формировалось в положительном поле коронного разряда при комнатной температуре (или при температуре выше температуры стеклования) в течение 5 минут до величины поверхностного потенциала порядка 1,3-1,5 кВ, что позволило увеличить время хранения электретного состояния композита на основе полилактида до 3-х месяцев.The essence of the invention lies in the fact that for the manufacture of a composite based on polylactide by hot pressing, polylactide was mixed with dispersed filler SiO ₂ (aerosil) with a concentration of 1-6 vol. %, with a particle size of 12 nm on a mixer with adjustable electrical heating for samples. The speed of rotation of the rolls is 150 rpm. Mixing was carried out for 5 minutes at a temperature of 180 ° C. The finished composition was placed between two polished plates in a press. The pressing temperature was 180 ° C, the pressing pressure was 15 MPa, the preheating time was 3 minutes, the holding time under pressure was 5 minutes, and the pressing time was 2 minutes. Then the heated plates were opened, the mold was placed between the cooling plates and cold water was supplied at a temperature of 20 ° C. After cooling for 1 min, films 150–220 μm thick were removed from the mold. The electret state in the samples was formed in a positive corona discharge field at room temperature (or at a temperature above the glass transition temperature) for 5 minutes to a surface potential of the order of 1.3-1.5 kV, which allowed to increase the storage time of the electret state of the polylactide composite up to 3 months.

Перечень фигурList of figures

Фиг. 1. ТСРПП образцов (метод прессования) при положительном знаке коронного разряда при одинаковой скорости нагрева:FIG. 1. TSRPP samples (pressing method) with a positive sign of the corona discharge at the same heating rate:

1 - исходный PLA;1 - source PLA;

2 - PLA + 2% SiO₂;2 - PLA + 2% SiO ₂ ;

3 - PLA + 6% SiO₂.3 - PLA + 6% SiO ₂ .

Фиг. 2. ТСРПП образцов заряженных в положительном коронном разряде, при одинаковой скорости нагрева β=0,125°C/с в абсолютных значениях: 1 - PLA + 2% SiO₂ (прошедшие предварительное электретированные при повышенной температуре 55-60°C), 2 - PLA + 2% SiO₂ (электретированные при комнатной температуре).FIG. 2. TSRPP of samples charged in a positive corona discharge, at the same heating rate β = 0.125 ° C / s in absolute values: 1 - PLA + 2% SiO ₂ (passed pre-electret at an elevated temperature of 55-60 ° C), 2 - PLA + 2% SiO ₂ (electret at room temperature).

Фиг. 3. Зависимость потенциала от времени хранения композита на основе PLA с дисперсным наноразмерным наполнителем аэросилом 2%.FIG. 3. The dependence of the potential on the storage time of the composite based on PLA with dispersed nanosized filler Aerosil 2%.

Для исследования параметров электрически активных дефектов применялись методы термостимулированной релаксации поверхностного потенциала (ТСРПП). Нагрев образцов производился от комнатной температуры до 110-120°C со скоростью β=0,125°C/с. Анализ результатов, представленных на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3, свидетельствует о следующем. В пленках, полученных методом прессования, введение SiO₂ приводит к увеличению стабильности электретного состояния. Стабильность зависит от знака короны, в которой происходит электретирование образца. Наибольшая стабильность наблюдается при положительном знаке короны. Наибольшая стабильность в пленках полилактида наблюдается, если электретирование пленок осуществляется в положительном коронном разряде при температуре выше температуры стеклования и при процентном содержании наполнителя аэросил 1,9-2,1%. Композит на основе PLA с объемным содержанием аэросила 1,9-2,1 об. % является хорошим электретом с длительным временем хранения и может быть использован в качестве биоразлагаемой «активной упаковки».To study the parameters of electrically active defects, the methods of thermally stimulated relaxation of the surface potential (TSRPP) were used. The samples were heated from room temperature to 110-120 ° C at a rate of β = 0.125 ° C / s. Analysis of the results presented in FIG. 1, FIG. 2 and FIG. 3, indicates the following. In films obtained by extrusion, the introduction of SiO ₂ increases the stability of the electret state. Stability depends on the sign of the corona in which the electretation of the sample occurs. The greatest stability is observed with a positive sign of the crown. The greatest stability in polylactide films is observed if the electretization of the films is carried out in a positive corona discharge at a temperature above the glass transition temperature and with a percentage content of aerosil filler of 1.9-2.1%. A composite based on PLA with a volume content of aerosil of 1.9-2.1 vol. % is a good electret with a long storage time and can be used as a biodegradable “active package”.

Таким образом, цель изобретения, заключающаяся в получение активной упаковки на основе биоразлагаемых материалов, достигнута.Thus, the aim of the invention, which is to obtain active packaging based on biodegradable materials, has been achieved.

Claims

An environmentally friendly packaging material based on polylactide, characterized in that for its manufacture polylactide is mixed with dispersed filler SiO ₂ (Aerosil) with a concentration of 1.9-2.1 vol.% And a particle size of 12 nm, mixing is carried out for 5 min at a temperature of 180 ° С and the finished composition is placed in a hot press at a pressing temperature of 180 ° С and a pressing pressure of 15 MPa; after cooling for 1 min, the films are placed in a positive corona discharge field and charged at room temperature or at a temperature above rounds of glass transition of polylactide for 5 min to a surface potential of 1.3-1.5 kV.