МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЙ ОРГАНИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК C08L3/00 C08L3/02 C08L101/16 B29B7/00 B29C48/00 B65D65/46 

Изобретение относится к модифицированному термопластичному органическому материалу, включающего полисахарид и пластификатор, а также к способу получения этого материала.

Известен композиционный материал на основе крахмала, который используют для экструзии расплавов, и способ его получения (патент CN106366355 А, C08K 13/02, C08K 3/22, C08K 3/34, C08K 3/36, C08K 5/053, C08K 5/098, C08K 5/134, C08K 5/20, C08L 23/08, C08L 29/04, C08L 3/02, C08L 31/04, C08L 67/02, C08L 67/04, C08L 71/02, опубл. 01.02.2017 г.). Изобретение относится к композиционному материалу на основе пластифицированного крахмала и к способу его получения, относящемуся к технической области модификации крахмала. Крахмальный композиционный материал, пригодный для экструзии расплава, готовят из следующего сырья в весовых частях: 90-100 частей крахмала, 5-30 частей пластификатора, 0,1-25 частей добавки для улучшения текучести расплава, 0,1-20 частей компатибилизатора, 0,5-5 частей альдегида и 0-90 частей смолы на биологической основе. Крахмальный композиционный материал, применимый для экструзии расплава, имеет преимущества низкой стоимости сырья, превосходной пластичности, превосходной текучести при переработке, значительно более высокой прочности, широкой адаптируемости и диапазона применения, энергосбережения и экологичности, а также преодолевает рекристаллизацию и обратимую реакцию крахмала.

Известен биоразлагаемый материал и его применение для пластмассовых изделий (патент CN105968417 А, B29C 48/92, C08K 5/00, C08K 5/098, C08K 5/10, C08K 5/17, C08K 5/37, C08L 3/02, C08L 67/04, опубл. 28.09.2016 г.). Изобретение раскрывает способ получения биоразлагаемого материала и его применение в пластмассовых изделиях. Биоразлагаемый материал готовят из следующего сырья в весовых частях: от 25 до 35 частей крахмала фасолевых бобов, от 10 до 20 частей соевого крахмала, от 6 до 8 частей полимолочной кислоты, от 1 до 3 частей триэтаноламина, от 2 до 4 части диэтиленгликоля, 0,6-0,8 части н-бутилового спирта, 2-4 части стеарата магния, 1-3 части додекагидроксистеариновой кислоты, 3-5 частей окисленного касторового масла и 6-8 частей пентаэритритового эфира и меркаптоэтанол, где массовое соотношение сложного эфира пентаэритрита и меркаптоэтанола составляет (5-7):1. Полученный биоразлагаемый материал не только может подвергаться биоразложению, но также обладает превосходной прочностью при растяжении и удлинении, при разрыве. Технический эффект связан с весовым соотношением эфира пентаэритрита и меркаптоэтанола, взятых в качестве сырья, и эффект является наилучшим, когда весовое соотношение эфира пентаэритрита и меркаптоэтанола составляет (5-7):1. Полученный таким образом биоразлагаемый материал можно использовать для изготовления разлагаемых пластиковых изделий, он безвреден для здоровья и окружающей среды.

Известна высокопрочная полностью разлагаемая пленка и способ ее изготовления (патент CN104892991 А, C08J 5/18, C08K 13/02, C08K 3/22, C08K 5/053, C08K 5/17, C08K 5/20, C08K 7/14, C08L 29/04, C08L 3/02, C08L 5/00, C08L 71/08, опубл. 09.09.2015 г.). Изобретение раскрывает способ получения высокопрочной полностью разлагаемой пленки, характеризующейся тем, что содержит следующие исходные вещества по весу: 40-60 частей кукурузного крахмала, 3-5 частей порошка циркона, 3-5 частей титановых белил, 20-30 частей поливинилового спирта, 3-5 частей конжаковой камеди, 15-25 частей глицерина, 4-10 частей этилортосиликата, 3-5 частей стекловолокна, 1-2 части ализаринового масла, 2-4 части полиэтиленгликоля (ПЭГ), 1-2 части амида олеиновой кислоты, 1-2 части триэтаноламина олеиновой кислоты и 1-2 части казеината натрия. Таким образом, получается высокопрочная полностью разлагаемая пленка, которая обладает сильной коррозионной стойкостью, хорошими водонепроницаемыми характеристиками, хорошей экологичностью и безвредностью для окружающей среды.

К недостаткам вышеприведенных аналогов можно отнести многокомпонентность составов, трудоемкость подготовки исходных компонентов (специальные условия сушки и измельчения), многостадийный сложно масштабируемый синтез.

Известен способ получения разлагаемого термопластичного крахмального материала и продукта из него (патент CN106543483 А, B29B 9/06, B29C 48/92, C08L 1/02, C08L 3/00, опубл. 29.03.2017 г.), выбранный в качестве прототипа. Изобретение раскрывает способ получения разлагаемого термопластичного крахмального материала, в котором реагенты представляют собой необработанный крахмал, инициатор, пластификатор и природную целлюлозу. Основные стадии синтеза: помещение необработанного крахмала в реактор с мешалкой, добавление инициатора. Затем натуральную целлюлозу, пластификатор и модифицированный крахмал смешивают в высокоскоростном смесителе, который обеспечивает равномерное перемешивание, далее смесь переносят в одношнековый экструдер, где проводят пластификацию и гранулирование. Согласно настоящему изобретению, способ приготовления является простым и не загрязняющим окружающую среду, полученный термопластичный крахмал можно использовать отдельно или в качестве добавки к биоразлагаемому пластику.

Недостатком прототипа является хрупкость и недостаточная гладкость поверхности при изготовлении пленок.

Задачей изобретения является создание биоразлагаемого термопластичного материала для производства упаковочной пленки толщиной 15-30 мкм.

Техническое решение по настоящему изобретению представляет собой модифицированный термопластичный органический материал, включающий полисахарид и пластификатор.

Модифицированный термопластичный органический материал включает полисахарид и пластификатор. Используют один или несколько полисахаридов выбранного из группы крахмал растительного происхождения и/или мучки растительного происхождения, и/или муки растительного происхождения, водно-спиртовой пластификатор А для обеспечения набухания органической фазы и пластификатор Б для обеспечения структурной и ускоренной пластификации, а также функциональный агент, при следующем соотношении компонентов на 1 кг материала, масс.ч:

полисахарид - 39-90

пластификатор А - 5-60

пластификатор Б - 5-60

функциональный агент - 0,001-10.

В качестве пластификатора Б используют аминосоединения, сорбиты, сорбитные эфиры, синтетические и природные ПАВ.

В качестве функционального агента используют один или несколько соединений металлов, выбранного из группы сульфатов, нитратов, стеаратов, октоатов и карбоксилатов.

Способ получения модифицированного термопластичного органического материала включает взаимодействие полисахарида с пластификаторами, введение функциональных агентов и дальнейшее экструдирование смеси в модифицированный органический материал с помощью шнекового экструдера. Смешение полисахарида с пластификаторами производят в смесителе с лопастными валками 5-15 минут при температуре 60 - 100°С, с последующей сушкой в вакуумной печи или сушильном шкафу при температуре 60 - 100°С в течение 1 - 10 часов с дальнейшим охлаждением при комнатной температуре или с помощью холодильной камеры до 15-35°С, измельчением с помощью дисковой или другого типа мельницы до фракций размера достаточного для дозирования в экструдер, при следующем соотношении компонентов на 1 кг материала,, масс.ч:

полисахарид - 39-90

пластификатор А - 5-60

пластификатор Б - 5-60

функциональный агент - 0,001-10.

После получения смеси на основе полисахарида и пластификатора добавляют функциональные агенты путем смешения механически в смесителе типа лопастного, планетарного или в турбосмесителе до равномерного смешения.

Экструдирование смеси проводят непрерывно в стренгу с помощью двухшнекового экструдера, с охлаждением стренги воздушным охлаждением и гранулированием с помощью гранулирующей машины при температуре экструзии в рабочих зонах экструдера 80-110°C, скорости вращения шнека 380-420 оборотов в минуту при длине цилиндра экструдера 35 - 60 L/D.

Доступные дешевые органические материалы типа крахмала имеют два недостатка - в силу своей молекулярной природы они не термопластичны и образуются в виде крупных зерен-глобул. Необходимо уменьшить размер глобул и перевести материал в термопластичное состояние. Это достигается введением пластификаторов, в том числе и химически присоединяемыми и воздействием сдвиговых нагрузок с температурой. В настоящем изобретении предлагается применять два вида пластификаторов условно разделяемые на первичные и вторичные. Первичные пластификаторы предназначены для обеспечения набухания органической фазы. Вторичные пластификаторы являются структурными пластификаторами и предназначены для ускорения процесса пластификации.

Органическая фаза по одному из вариантов осуществления изобретения представляет собой полисахарид, один или несколько, выбранный из крахмала картофельного, кукурузного, рисового, горохового, пшеничного, крахмала тапиоки, другие природные крахмалы, химически и/или физически модифицированный крахмал, экструзионный крахмал; представляет собой гороховую муку; представляет собой мучку одну или несколько, выбранную из рисовой, гречневой, кукурузной, гороховой или других злаковых культур; представляет собой смесь органических наполнителей. Предпочтительно органический наполнитель представляет собой крахмал кукурузный и/или мучку рисовую молотую и/или просеянную с размером фракций 1-40 мкм. Предпочтительно органический наполнитель содержит не более 20% воды.

Первичный пластификатор А органической фазы по одному из вариантов осуществления изобретения представляет собой один или несколько из следующих веществ: вода, двухатомные и трехатомные спирты, например, глицерин, и другие многоатомные спирты, гликоли и полигликоли, например, этиленгликоль, пропиленгликоль.

Вторичный пластификатор Б органической фазы по одному из вариантов осуществления изобретения представляет собой один или несколько из следующих веществ: аминосоединения, например, триэтаноламин, диэтаноламин, карбамид; сорбит, сорбитные эфиры, например, сорбитан олеат, синтетические и природные ПАВ. Наиболее предпочтительно пластификатор органической фазы представляет собой триэтаноламин.

Функциональный агент по одному из вариантов осуществления изобретения представляет собой один или несколько из соединений металлов, например, сульфатов, нитратов, стеаратов, октоатов и карбоксилатов, обеспечивающих диспергирующее органическую фазу действие, пластифицирующее органическую фазу действие, дополнительное ускорение деструкции материала в композициях с другими полимерными материалами в естественной природной среде. Предпочтительно функциональный агент представляет собой соли меди, и/или соли цинка, и/или соли железа. Наиболее предпочтительно функциональный агент представляет собой сульфат меди, и/или нитрат цинка, и/или стеарат железа.

Пример осуществления изобретения приведен ниже.

Способ получения модифицированного органического материала заключается в следующих этапах, условиях подготовки и переработки компонентов:

Этап 1. Взвешивание следующих компонентов в соотношениях: органический наполнитель - 40-95 массовых частей, пластификатор органического наполнителя - 5-60 массовых частей, функциональный агент - 0,1-5 массовых частей.

Этап 2. Смешение органической фазы с пластификаторами.

Смешение компонентов производится в смесителе с лопастными валками, например, в смесителе с Z-образными роторами, в смесителе типа бенбери, в смесителе типа интермикс. Первой в смеситель вносится органическая фаза. Затем дозируется пластификатор, обеспечивая равномерное постепенное смешение. Полученные смеси подвергаются сушке при температуре 60 - 100°С. Длительность сушки по времени составляет 1 - 10 часов. Оборудованием, используемым для сушки, может послужить вакуумная печь, сушильный шкаф. Смесь после сушки остужают при комнатной температуре или с помощью холодильной камеры до 15-35°С. Далее смесь измельчается с помощью дисковой или другого типа мельницы до фракций не более 1 мм.

Этап 3. Смешение смеси на основе органической фазы и пластификатора с функциональными агентами.

Объединение смесей производится механически в смесителе типа лопастного, планетарного или в турбосмесителе до равномерного смешения.

Этап 4. Экструдирование смеси компонентов в модифицированный термопластичный органический материал.

Смесь экструдируется в стренгу и затем в гранулы. Смешение производится с помощью двухшнекового экструдера. Гранулирование производится с помощью машины, гранулирующей стренгу модифицированного органического материала материала. Температура экструзии в рабочих зонах экструдера составляет 80-110°C. Скорость вращения шнека составляет 380-420 оборотов в минуту при длине цилиндра экструдера 35 - 60 L/D. Стренга охлаждается воздушным охлаждением и гранулируется. Этап осуществляется непрерывно.

Модифицированный материал соответствует требованиям переработки полимерных материалов на существующем стандартном оборудовании. Отсутствует необходимость в создании нового оборудования для его производства материала и его переработки в готовые изделия. Способ получения заявленного материала на традиционном оборудовании прост и не имеет ограничений по масштабированию производительности процесса.

Группа изобретений относится к модифицированному термопластичному органическому материалу, включающему полисахарид и пластификатор, отличающемуся тем, что используют полисахарид, выбранный из крахмала растительного происхождения, водно-спиртовой пластификатор А для обеспечения набухания органической фазы и пластификатор Б для обеспечения структурной и ускоренной пластификации, а также функциональный агент, при следующем соотношении компонентов на 1 кг материала, мас.ч: полисахарид – 39-90, пластификатор А – 5-60, пластификатор Б – 5-60, функциональный агент – 0,001-10, и также относится к способу получения модифицированного термопластичного органического материала, включающему взаимодействие полисахарида с пластификаторами, введение функциональных агентов и дальнейшее экструдирование смеси в модифицированный органический материал с помощью шнекового экструдера, отличающемуся тем, что смешение полисахарида с пластификаторами производят в смесителе с лопастными валками 5-15 минут при температуре 60-100°С, с последующей сушкой в вакуумной печи или сушильном шкафу при температуре 60-100°С в течение 1-10 часов с дальнейшим охлаждением при комнатной температуре или с помощью холодильной камеры до 15-35°С, измельчением с помощью дисковой или другого типа мельницы до фракций размера достаточного для дозирования в экструдер, при следующем соотношении компонентов на 1 кг материала, мас.ч: полисахарид – 39-90, пластификатор А – 5-60, пластификатор Б – 5-60, функциональный агент – 0,001-10. Группа изобретений обеспечивает создание биоразлагаемого термопластичного материала для производства упаковочной пленки толщиной 15-30 мкм. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 пр.

1. Модифицированный термопластичный органический материал, включающий полисахарид и пластификатор, отличающийся тем, что используют полисахарид, выбранный из крахмала растительного происхождения, водно-спиртовой пластификатор А для обеспечения набухания органической фазы и пластификатор Б для обеспечения структурной и ускоренной пластификации, а также функциональный агент, при следующем соотношении компонентов на 1 кг материала, мас.ч:

полисахарид – 39-90

пластификатор А – 5-60

пластификатор Б – 5-60

функциональный агент – 0,001-10.

2. Модифицированный термопластичный органический материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пластификатора Б используют аминосоединения, сорбиты, сорбитные эфиры, синтетические и природные ПАВ.

3. Модифицированный термопластичный органический материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве функционального агента используют один или несколько соединений металлов, выбранных из группы сульфатов, нитратов, стеаратов, октоатов и карбоксилатов.

4. Способ получения модифицированного термопластичного органического материала по п. 1, включающий взаимодействие полисахарида с пластификаторами, введение функциональных агентов и дальнейшее экструдирование смеси в модифицированный органический материал с помощью шнекового экструдера, отличающийся тем, что смешение полисахарида с пластификаторами производят в смесителе с лопастными валками 5-15 минут при температуре 60-100°С, с последующей сушкой в вакуумной печи или сушильном шкафу при температуре 60-100°С в течение 1-10 часов с дальнейшим охлаждением при комнатной температуре или с помощью холодильной камеры до 15-35°С, измельчением с помощью дисковой или другого типа мельницы до фракций размера, достаточного для дозирования в экструдер, при следующем соотношении компонентов на 1 кг материала, мас.ч:

полисахарид – 39-90

пластификатор А – 5-60

пластификатор Б – 5-60

функциональный агент – 0,001-10.

5. Способ получения модифицированного термопластичного органического материала по п. 4, отличающийся тем, что после получения смеси на основе полисахарида и пластификатора добавляют функциональные агенты путем смешения механически в смесителе типа лопастного, планетарного или в турбосмесителе до равномерного смешения.

6. Способ получения модифицированного термопластичного органического материала по п. 4, отличающийся тем, что экструдирование смеси проводят непрерывно в стренгу с помощью двухшнекового экструдера, с охлаждением стренги воздушным охлаждением и гранулированием с помощью гранулирующей машины при температуре экструзии в рабочих зонах экструдера 80-110°C, скорости вращения шнека 380-420 оборотов в минуту при длине цилиндра экструдера 35-60 L/D.