close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY13658

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2010.10.30
(12)
(51) МПК (2009)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
B 29C 47/08
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОРАЗЛАГАЕМЫХ
ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК
(21) Номер заявки: a 20081116
(22) 2008.08.27
(43) 2010.04.30
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Пинчук Леонид Семенович; Гончарова Екатерина Петровна; Короткий Максим Васильевич;
Ермолович Ольга Анатольевна;
Гольдаде Виктор Антонович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное научное учреждение "Институт
механики металлополимерных систем имени В.А. Белого Национальной академии наук Беларуси"
(BY)
BY 13658 C1 2010.10.30
BY (11) 13658
(13) C1
(19)
(56) BY 9125 C1, 2007.
ГОНЧАРОВА Е.П. и др. // Материаловедение. - 2006. - № 9. - С. 37-44.
ПИНЧУК Л.С. и др. Электретные материалы в машиностроении. - Гомель:
Инфотрибо, 1998. - С. 25-29, 34-39,
138-145, 235-237.
КОРОТКИЙ М.В. и др. // Материаловедение. - 2004. - № 11. - С. 52-56.
EP 1099544 A2, 2001.
JP 2002-220577 A.
DE 102005004789 A1, 2006.
RU 2066890 C1, 1996.
BY 9421 C1, 2007.
(57)
Способ получения биоразлагаемой полимерной пленки, включающий приготовление
композиции, содержащей полиэтилен и неорганическую соль, и формирование из нее
пленки методом экструзии, отличающийся тем, что в качестве неорганической соли используют сульфат аммония в количестве 10 мас. % или дигидрофосфат калия в количестве
5 мас. %, формирование пленки осуществляют с помощью экструзионного агрегата,
оснащенного вальцами, и на выходе из вальцов пленку обрабатывают в поле коронного
разряда, создавая в ней поляризационный заряд с эффективной поверхностной плотностью σэфф, нКл/см2, величина которой находится в диапазоне
2,0≤σэфф≤3,0.
Изобретение соответствует области формирования электретных пленок из биоразлагаемых полимерных композиций.
В технологии получения полимерных пленок используют наполнение связующего частицами неорганических материалов. Известен способ получения пленок из термопластов,
содержащих частицы фосфатов циркония, титана, церия и кремния [1], которые придают
пленкам хорошие механические и барьерные свойства. Способ производства тары (пленок, бутылок и др.) для пищевых продуктов [2] предполагает наполнение полиэфирных
BY 13658 C1 2010.10.30
смол оксидом и сульфатом цинка с целью придания таре свойства поглощать световое излучение. Биоразлагаемую рыболовную приманку на основе белка и углевода [3] наполняют хлоридом калия, бензоатом и метафосфатом натрия, чтобы сделать ее привлекательной
для рыб.
К сожалению, эти наполнители не придают пленкам свойства разлагаться под действием микроорганизмов при захоронении в почву после использования.
Известен способ модифицирования изделий из биоразлагаемых пластиков путем нанесения электропроводных покрытий [4]. Однако последние служат лишь электромагнитным экраном во время эксплуатации изделий, а перед захоронением в почву их снимают
пескоструйной обработкой.
Способ получения биоразлагаемых пленок, водонепроницаемых, но проницаемых для
воздуха и водяного пара [5], предусматривает наполнение композиции на основе сложного полиэфира частицами карбоната кальция, сульфата бария, диоксида кремния, цеолита.
Пленку формируют экструдированием композиции через щелевую головку и подвергают,
пошаговому растяжению по нормали к направлению экструзии. В результате непроницаемая для воды пленка приобретает регулируемую проницаемость для воздуха и водяного
пара. Ее используют для изготовления детских пеленок, женских гигиенических изделий,
больничных простыней и т.п.
Биоразлагаемость таких пленок определяется в основном свойствами полимерного
связующего и лишь незначительно улучшается в результате растяжения.
Известно применение порошкообразных неорганических солей - сульфата аммония
(NH4)2SO4 и дигидрофосфата калия KH2PO4 - в качестве наполнителя полимерных волокнистых изделий, служащих носителями микроорганизмов в биофильтрах [6]. Эти соли
традиционно применяют как компоненты питательных сред при культивировании микроорганизмов.
Прототипом изобретения является способ получения биоразлагаемых пленок, описанный в [7]. В биоразлагаемую композицию на основе полиэтилена, содержащую крахмал и
компатибилизатор, вводят порошок KH2PO4, достаточно термостойкий, чтобы выдержать
экструзионную переработку совместно с полиэтиленом. Из композиции традиционными
методами экструзионной переработки наполненных полимерных систем формируют
пленку.
Недостатки прототипа:
сложный состав полимерной композиции;
высокие трудоемкость получения и цена компатибилизатора;
прочность такой пленки, характеризующая степень ее биоразложения, возрастает после захоронения в почву в течение периода от полугода до нескольких лет и только потом
экспоненциально снижается.
Задачи, на решение которых направлено изобретение:
1) упростить состав полимерной биоразалагаемой пленки;
2) отказаться от применения дорогостоящих компатибилизаторов, не снижая скорости
деструкции пленки под действием почвенных микроорганизмов;
3) применить для повышения скорости биодеструкции пленки экологически чистые
технологические методы.
Поставленные задачи решаются тем, что известный способ получения биоразлагаемых
полимерных пленок дополнен новой операцией. Традиционные операции способа состоят:
первая - в приготовлении смеси из полиэтилена, пластифицированного крахмала, компатибилизатора - полиэтилена с привитой итаконовой кислотой, неорганических солей сульфата аммония (NH4)2SO4 или дигидрофосфата калия KH2PO4; вторая - в формировании пленки методами экструзионной переработки этой смеси. Новая операция заключается в том, что пленку, полимерный материал которой находится в вязко-текучем
состоянии, формируют с помощью экструзионного агрегата, оснащенного вальцами, и на
2
BY 13658 C1 2010.10.30
выходе из вальцов пленку обрабатывают в поле коронного разряда, создавая в ней поляризационный заряд с эффективной поверхностной плотностью σэфф, нКл/см2, величина
которого находится в диапазоне 2,0 ≤ σэфф ≤ 3,0. При этом в качестве неорганической соли
используют сульфат аммония в количестве 10 мас. % или дигидрофосфат калия в количестве 5 мас. %.
Сущность изобретения состоит, во-первых, в том, что пленка содержит биогенные
элементы, необходимые для питания микроорганизмов. Это стимулирует адсорбционную
иммобилизацию на ней почвенных микроорганизмов после захоронения пленки. Вовторых, наличие в полимерной пленке поляризационного заряда ускоряет процессы иммобилизации и метаболизма иммобилизованных микроорганизмов, благодаря чему интенсифицируется рост биопленки и деградация макромолекул.
Примеры осуществления способа.
В экспериментах использовали полиэтилен высокого давления (ПЭВД) марки 125022000 по ГОСТ 16337-77, а также порошки неорганических солей (NH4)2SO4 и KH2PO4
дисперсностью менее 10 мкм. Пленки, изготовленные способом-прототипом, состояли из
ПЭВД - 60 мас. %, кукурузного крахмала (ГОСТ 7697-82) в смеси (3 : 1) с глицерином
(ГОСТ 6259-75) - 15 мас. %, ПЭ с привитой итаконовой кислотой марки ПФ-1 (ТУ РБ
03535.297.015-97) - 23 мас. %, KH2PO4 - 2 мас. %
Композиции готовили механическим смешением компонентов, а затем с помощью
экструзионного агрегата HAAKE RHEOCORD, оснащенного щелевой головкой и вальцами, перерабатывали в пленки толщиной 150 ± 5 мкм. Согласно предложенному способу,
пленку, материал которой находится в вязко-текучем состоянии на выходе из вальцов, обрабатывали коронным разрядом постоянного тока отрицательной полярности, напряженность поля которого регулировали в пределах от 2⋅105 до 5⋅105 кВ/м.
Поверхностную плотность заряда σэфф пленок контролировали по ГОСТ 25209-82 методом вибрирующего электрода.
Образцы пленок в виде лопаток (по ГОСТ 14236-81) помещали в универсальный почвогрунт (ТУ РБ 100261684.0003-2006), состоящий из торфа, растительного грунта, биогумуса и др. на глубину 3-5 см. Один раз в неделю грунт поливали. Периодически образцы
извлекали и контролировали их предел прочности σв при растяжении и относительное
удлинение ε при разрыве по ГОСТ 14236-81 с помощью разрывной машины Instron.
Результаты испытаний обработаны методами математической статистики.
Составы композиций и свойства изготовленных из них пленок приведены в таблице.
Состав образцов
ПЭВД + 10 мас. %
(NH4)2SO4
ПЭВД + 5 мас. %
КН2РО4
σэфф,
нКл/см2
0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
В числителе - значение σв (МПа) / в знаменателе - значение ε (%) после экспозиции пленок в грунте (мес.)
0
1
2
3
2,12/32
2,21/29
2,33/25
2,42/28
3,37/31
3,35/28
3,33/27
3,31/28
4,73/27
3,97/28
3,23/28
2,41/27
5,91/25
4,74/27
3,57/28
2,38/29
6,14/24
4,95/26
3,63/29
2,38/30
7,45/23
7,47/24
7,47/23
7,49/23
3,51/17
3,88/21
4,16/27
4,55/31
3,77/17
3,78/21
3,77/24
3,78/27
4,02/18
3,70/20
3,34/23
3,03/25
4,29/19
4,15/19
4,02/20
2,91/21
4,55/19
4,04/21
3,53/23
3,07/25
4,88/21
4,79/20
4,83/21
4,85/20
3
BY 13658 C1 2010.10.30
Состав образцов
σэфф,
нКл/см2
согласно прототипу
0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
Продолжение таблицы
В числителе - значение σв (МПа) / в знаменателе - значение ε (%) после экспозиции пленок в грунте (мес.)
0
1
2
3
4,20/43
5,38/51
6,57/59
7,73/67
4,81/39
4,87/43
4,95/47
5,00/55
5,43/35
4,52/38
3,41/40
2,71/43
6,00/31
4,82/34
3,64/37
2,47/38
6,62/31
5,45/33
4,28/36
3,12/39
7,33/33
7,35/33
7,34/32
7,33/34
Анализ данных таблицы приводит к следующим заключениям.
1. Все пленки, не подвергнутые электрической обработке (σэфф ≈0), в начальный период (3 мес.) экспозиции в почве демонстрируют упрочнение. Это происходит вследствие
вторичной кристаллизации ПЭВД и сшивки его макромолекул под действием пластифицирующих и активирующих компонентов почвы - гуминовых кислот. После упрочнения,
длящегося от полугода до нескольких лет, значения σв пленок экспоненциально снижаются вследствие биодеструкции макромолекул.
Период упрочнения отсутствует у пленок, подвергнутых электрическому заряжению.
Можно представить, что эффект упрочнения под действием гуминовых кислот компенсируется деструктивной работой микроорганизмов, которые ускоренно иммобилизуются на
пленках, являющихся источником электрического поля оптимальной напряженности.
На изменение ε пленок, захороненных в почву, влияет очень большое количество факторов, находящихся в сложной взаимосвязи (кристаллизация и пластификация полимера,
сшивка и биодеструкция макромолекул, растворение солей и др.). Анализ этих изменений
свидетельствует, что оценка биоразложения пленки по величине ε малоинформативна.
2. Формирование в пленках слишком слабого (σэфф = 1,5 нКл/см2) и излишне сильного
(σэфф = 3,5 нКл/см2) поляризационных зарядов снижает или устраняет эффект упрочнения
пленок в почве. Тем не менее стабильное снижение прочности пленок, характеризующее
интенсивность их биодеструкции, при этих значениях σэфф не происходит. По этой причине считаем указанные значения σэфф находящимися за пределами области оптимальных
величин электретного заряда.
3. Пленки, несущие заряд плотностью σэфф = 2,0 ÷ 3,0 нКл/см2, с наибольшей скоростью теряют прочность, а следовательно, подвергаются биодеструкции в почве. Это свидетельствует об оптимальности такого заряда по критериям скорости иммобилизации на
пленках и интенсивности процессов метаболизма иммобилизованных почвенных микроорганизмов. Электрическая поляризация пленок ставит по этому критерию в один ряд
пленки простого состава (ПЭВД + соль) и многокомпонентные дорогостоящие пленки по
прототипу.
4. Электрическая поляризация приводит к существенному повышению исходной
прочности пленок, что улучшает их эксплуатационные и потребительские свойства как
упаковочного материала. После захоронения в почву прочность использованных электретных упаковок немедленно начинает уменьшаться, одновременно σэфф спадает до нуля.
Этот период в наибольшей мере определяет время биодеструкции пленок, поскольку кинетика экспоненциального снижения прочности незаряженных пленок одинакова для пленок одного и того же состава.
5. Поляризующее электрическое поле является экологически безопасным технологическим средством регулирования биоразлагаемости пленок. Об этом свидетельствуют
данные таблицы, показывающие, что поляризованные пленки быстрее заселяются почвен4
BY 13658 C1 2010.10.30
ными микроорганизмами, а собственное электрическое поле пленок интенсифицирует метаболизм иммобилизованной микрофлоры.
Таким образом, задачи, поставленные при создании изобретения, решены.
Изобретение найдет применение в промышленности переработки пластмасс при выпуске средств упаковывания товарной продукции. К ним в настоящее время в большинстве стран мира предъявляют законодательно закрепленные жесткие требования,
касающиеся биоразлагаемости.
Источники информации:
1. Патент РФ 2326138. Термопластичный материал, содержащий нанометрические
слоистые соединения / Матье О., Эшалье В., Лусто Б. МПК C 08K 3/32, C 08J 5/18, B 65D
65/38, B 82B 1/00. Опубл. 2008.
2. Патентная заявка РФ 2006140240. Упаковочная тара типа непрозрачных бутылок и
способ ее изготовления / Тергаль Ф., Лепаж Ж.-Л. МПК C 08L 67/00. Опубл. 2008.
3. Патентная заявка РФ 2004110032. Биоразалагаемая рыболовная приманка и материал / Оллис Г.Д., Диаз-Версон С., Белл Л.Н., Улсе Ж.О., Вей Ч.И., Райт Р.А. МПК A 61K
1/18. Опубл. 2005.
4. Patent 1813652 EP. Article made of biodegradable resin and method of making the same.
ICI C 09D 5/00. Publ. 2007.
5. Патент РФ 2256673. Биоразлагаемые пленки, проницаемые для воздуха и водяного
пара, и способ их получения / By П. - 4., Райл Т.Р. МПК C 08J 5/18, 5/04; B 32B 27/12.
Опубл. 2005.
6. Короткий М.В., Макаревич А.В., Пинчук Л.С. Полимерные носители микроорганизмов - источники биогенных элементов // Материаловедение. - 2004. - № 11. - С. 52-56.
7. Патент BY 9125. Биоразалагаемая композиция на основе полиэтилена / Ермолович О.А., Пинчук Л.С., Макаревич А.В., Кривогуз Ю.М. МПК C 08L 23/26, 3/02. Опубл.
2006 (прототип).
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
101 Кб
Теги
by13658, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа