БИОРАЗЛАГАЕМАЯ МУЛЬЧА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ Российский патент 2018 года по МПК C09K17/52 A01G13/02 C08L3/02 

Как указано в названии, настоящее описание относится к биоразлагаемой мульче такого типа, который применяется в различных областях сельского хозяйства, отличающейся тем, что она изготовлена методом многослойной экструзии из смеси двух поддающихся биохимическому разложению биоразлагаемых полимеров, соответствующих требованиям стандарта EN13432, и тем, что она включает картофельный крахмал, саженаполненный каучук и биоразлагаемые рециклизованные полимеры.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области полимерных пленок или мульчи, используемых в сельском хозяйстве.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время полимерные пленки или мульча широко известны и применяются для решения различных задач в сельском хозяйстве, главная из которых - это мульчирование. Мульчирование - это методика, применяемая для защиты урожая и почвы от воздействия атмосферных факторов, которые, помимо других эффектов, снижают качество фруктов, иссушают почву, охлаждают землю и выдувают или вымывают удобрения, что повышает затраты. Эта методика культивирования значительно увеличила экономическую эффективность плантаций и может применяться к широкому ряду сельскохозяйственных культур.

Мульчирование широко применяется для культурных растений, которые высаживаются в виде рассады, и основная цель данной процедуры состоит в защите культурного растения от разрастания сорняков, что помогает избежать замедления его развития. Кроме того, мульчирование преследует цель защитить культурные растения и почву от разрушающего воздействия атмосферных факторов и тем самым обеспечивает следующие преимущества для культурных растений:

- предотвращает рост сорняков благодаря остановке проникновения через полимерную пленку света, необходимого для фотосинтеза. Это благоприятствует выращиванию более «органических» культурных растений, поскольку уменьшается применение гербицидов;

- оптимизирует водные ресурсы благодаря уменьшению испарения из почвы, тем самым предотвращает иссушение почвы;

- оптимизирует действие удобрений, предотвращая их вымывание дождевой водой или испарение под действием солнца;

- улучшает внешний вид и качество фруктов благодаря тому, что предотвращает прямой контакт фруктов с почвой;

- обеспечивает более раннее созревание урожая, чем в случае без применения полимерной пленки.

Отходы пластика в сельском хозяйстве вызывают проблему загрязнения окружающей среды в случае их неконтролируемого сжигания или неправильной обработки или хранения. Из этих проблем основными являются загрязнение почвы и грунтовых вод, а также отрицательное воздействие на ландшафт.

Полимерами, применяемыми для мульчирования сельскохозяйственных земель, в основном являются полиэтилены низкой плотности (ПЭВД), что означает - в принципе они могут быть рециклизованы, но имеют недостаток, состоящий в необходимости их сбора, очистки от остатков почвы и транспортировки для рециклизации.

Хотя химический состав данных пластиковых отходов не является недостатком для рециклизации, проблемой является их состояние при прибытии на пункты сбора. Большое количество почвы, которое данные полимеры захватывают во время использования, делает их рециклизацию действительно сложной задачей.

Пример такого типа биоразлагаемой мульчи описан, например, в Промышленном образце U200801310 "Film for Crops".

Известны некоторые попытки применения биоразлагаемых материалов. Например, в Патентах Испании Р200501122 "Sack for agricultural use" и P200501019 "Sheet for agricultural use" используется биоразлагаемая целлюлозная бумага, которая имеет меньшую прочность и сложнее в производстве.

Кроме того, известны примеры применения биоразлагаемых полимеров, полученных из картофеля, такие как, например, описанные в Промышленных образцах Испании U201000437 "Multipurpose biodegradable and compostable bag", U201000247 "Compostable rain cape" и в Патенте Испании Е03250183 "Biodegradable containers that can become compost", но они не ориентированы конкретно на пленки или мульчу для сельскохозяйственного применения, которые имеют намного более высокие требования к механической прочности.

Раскрытие изобретения

Для решения проблем, имеющихся в настоящий момент в области использования мульчи и пленок для нужд сельского хозяйства, была разработана биоразлагаемая мульча для применения в сельском хозяйстве, являющаяся целью настоящего изобретения, изготовленная методом многослойного совместного экструдирования из смеси двух поддающихся биохимическому разложению биоразлагаемых полимеров, которые соответствуют требованиям стандарта EN13432 и включают картофельный крахмал, саженаполненный каучук и биоразлагаемые рециклизованные полимеры.

Указанные полимеры изготавливают из картофельного крахмала, что дает многочисленные преимущества благодаря высокой урожайности картофеля с гектара и содержанию крахмала. Их можно обрабатывать как традиционные полимерные материалы, окрашивать их, в данном случае в черный цвет, с применением красителей, которые также поддаются биохимическому разложению и являются биоразлагаемыми.

Материалом, применяющимся для изготовления сельскохозяйственной мульчи, является пленка, производимая на экструдере, предпочтительно трехслойная, с толщиной 15 микрон (+/-8%).

Экструдирование полимера представляет собой механический промышленный процесс, в котором отливка пластмассы производится под давлением, которое, при непрерывном потоке под давлением и при проталкивании, заставляет пластмассу проходить в пресс-форму, придавая ей желаемую форму. Расплавленный полимер проталкивается через калибровочный штамп, известный также как литьевое отверстие, сжимающим усилием, создаваемым под действием вращения шпинделя, концентрически вращающегося в камере, называемой цилиндром экструдера, при определенной температуре, с миллиметровым разделением между этими двумя элементами. Полимерный материал подают через питатель на одном конце машины, и под толкающим усилием он плавится, течет и смешивается в цилиндре экструдера, и на другом конце машины получают заранее заданный геометрический профиль.

Полимер плавится под механическим воздействием, скомбинированным с ростом температуры от нагревания цилиндра экструдера. Механическое воздействие включает режущее и тяговое усилия, которые проталкивают полимер к литьевому отверстию, и сопровождается повышением давления.

Начало плавления, происходящего в системе, происходит на внутренней стенке цилиндра экструдера в форме тонкой пленки, вследствие роста температуры материала и затем также вследствие трения. По мере роста пленки она отделяется от стенки цилиндра из-за вращения шпинделя в ходе качательных движений и затем вращения, формируя структуру, похожую на воронку, или ротационную структуру с финальным вращением. Этот процесс продолжается до полного плавления всего полимера.

В экструдер подают описанную ранее композицию (смесь биоразлагаемых материалов и черного красителя), которая при плавлении дает гомогенную смесь материалов, обеспечивающую технические характеристики материала, требуемые для применения в данной области.

Известны различные методики экструдирования полимеров, и для производства сельскохозяйственной пленки предпочтительно применяют совместное экструдирование. Соэкструдер представляет собой три экструзионные машины, которые сходятся в одну единую экструзионную головку. Пленка, получаемая данным методом, предпочтительно сформирована из трех слоев, которые объединены с образованием одного единого слоя.

Такой способ производства дает широкий ряд возможностей:

- толщину каждого слоя можно варьировать, и сумма толщины всех трех слоев дает общую толщину пленки;

- в каждый слой можно вводить разные материалы и смеси материалов для достижения желаемых финальных свойств; можно также включать в состав рециклизованные материалы и уменьшать толщину пленки, сохраняя целевые характеристики.

Мульча предназначена для различных применений в сельском хозяйстве, среди которых можно указать следующие: укрытие растений для их защиты, защита фруктов, обозначение границ лесов, охотничьих участков и т.д.

После использования мульча разлагается благодаря действию микроорганизмов почвы, и она разрушается естественным образом без вмешательства человека. В зависимости от толщины, она разлагается за период времени от трех месяцев до одного года на воду, углекислый газ и биомассу, в соответствии со стандартом EN13432. Таким образом, мульча становится компостом, который выступает в роли удобрения для сельскохозяйственных растений.

Преимущества, обеспечиваемые настоящим изобретением

Разработанная биоразлагаемая мульча для применения в сельском хозяйстве дает несколько преимуществ по сравнению с доступными в настоящее время пленками, наиболее важное из которых - это саморазложение мульчи за короткое время от 3 месяцев до одного года, с превращением в поддающийся биохимическому разложению материал, который обогащает и удобряет почву.

Другое важное преимущество состоит в том, что отпадает необходимость в задачах сбора и очистки, необходимых в случае традиционной мульчи, что влечет за собой экономию на затратах и оплате труда.

Другое преимущество настоящего изобретения состоит в том, что нет риска загрязнения окружающей среды в сельском хозяйстве, что влияет на повышение качества и увеличение продолжительности жизни сельскохозяйственных культур.

Еще одним из важных преимуществ, которое необходимо осветить, является то, что особый состав пленки позволяет достичь механических характеристик, аналогичных или даже превосходящих традиционно используемые виды мульчи, при этом в отсутствие присущих им недостатков.

Также заслуживает упоминания тот факт, что получающийся компост пригоден для использования в «органическом» сельском хозяйстве.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения

Биоразлагаемая мульча для применения в сельском хозяйстве, являющаяся целью настоящего изобретения, в целом содержит поддающиеся биохимическому разложению биоразлагаемые биополимеры А и В, которые соответствуют требованиям стандарта EN13432 и включают картофельный крахмал, саженаполненный каучук и биоразлагаемые рециклизованные полимеры. Содержание каждого из перечисленных элементов составляет:

биополимер А - от 50 до 70 вес. %,

биополимер В - от 10 до 40 вес. %,

саженаполненный каучук - от 5 до 10 вес. %, и

биоразлагаемые рециклизованные полимеры - от 0 до 30 вес. %.

Все значения относятся к конечному продукту.

Биополимер А имеет размер частиц от 1,5 до 2,4 мм, плотность расплава от 1,1 до 1,2 г/см³, плотность от 1,2 до 1,3 г/см³, насыпную плотность от 740 до 800 кг/м³ и индекс текучести расплава (ИТР) от 2,5 до 5,5 г/10 мин, при температуре 190°С и весе поршня 5 кг.

Биополимер В имеет размер частиц от 2 до 3 мм, плотность расплава от 1,1 до 1,3 г/см³, плотность от 1,2 до 1,4 г/см³, насыпную плотность от 880 до 940 кг/м³ и индекс текучести расплава (ИТР) от 20 до 40 г/10 мин, при температуре 190°С и весе поршня 2,16 кг.

Биоразлагаемую мульчу для применения в сельском хозяйстве производят методом совместного экструдирования, с получением многослойной, предпочтительно трехслойной, структуры. Ее общая толщина составляет 15 микрон (+/-8%).

Экспериментальные тесты дали значения механических характеристик для полученной мульчи, представленные в приведенной ниже таблице:

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Биоразлагаемая мульча изготовлена методом многослойной экструзии из смеси двух поддающихся биохимическому разложению биоразлагаемых полимеров, соответствующих требованиям стандарта EN13432, и включает картофельный крахмал, саженаполненный каучук и биоразлагаемые рециклизованные полимеры. Предлагаемая мульча самопроизвольно разлагается за короткий промежуток времени, превращаясь в поддающийся биохимическому разложению материал, обогащающий почву, позволяя избежать задач сбора и очистки, неизбежных в случае использования обычных видов мульчи. 4 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Биоразлагаемая мульча для использования в сельском хозяйстве, отличающаяся тем, что в ее состав входят:

поддающийся биохимическому разложению биоразлагаемый биополимер А, соответствующий требованиям стандарта EN13432, включающий картофельный крахмал в количестве от 50 до 70 вес.% от веса конечного продукта и имеющий размер частиц от 1,5 до 2,4 мм, плотность расплава от 1,1 до 1,2 г/см³, плотность от 1,2 до 1,3 г/см³, насыпную плотность от 740 до 800 кг/м³ и индекс текучести расплава (ИТР) от 2,5 до 5,5 г/10 мин при температуре 190°С и весе поршня 5 кг,

поддающийся биохимическому разложению биоразлагаемый биополимер В, соответствующий требованиям стандарта EN13432, включающий картофельный крахмал в количестве от 10 до 40 вес.% от веса конечного продукта,

саженаполненный каучук в количестве от 5 до 10 вес.% от веса конечного продукта, и

биоразлагаемые рециклизованные полимеры в количестве от 0 до 30 вес.% от веса конечного продукта.

2. Биоразлагаемая мульча для использования в сельском хозяйстве по п. 1, в которой биополимер В имеет размер частиц от 2 до 3 мм, плотность расплава от 1,1 до 1,3 г/см³, плотность от 1,2 до 1,4 г/см³, насыпную плотность от 880 до 940 кг/м³ и индекс текучести расплава (ИТР) от 20 до 40 г/10 мин при температуре 190°С и весе поршня 2,16 кг.

3. Биоразлагаемая мульча для использования в сельском хозяйстве по п. 1, отличающаяся совместно экструдированной многослойной структурой.

4. Биоразлагаемая мульча для использования в сельском хозяйстве по п. 3, отличающаяся трехслойной структурой.

5. Биоразлагаемая мульча для использования в сельском хозяйстве по п. 1, имеющая общую толщину 15 микрон (+/-8%).