БИОРАЗЛАГАЕМАЯ ПЛЁНКА НА ОСНОВЕ КРАХМАЛА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТОВАРОВ, ТАКИХ КАК БАХИЛЫ, ЧЕХЛЫ, ШАПОЧКИ, ПАКЕТЫ И УПАКОВОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2024 года по МПК C08J5/18 C08L3/02 C08L29/04 C08L101/16 C08K3/26 

Изобретение относится к области органических высокомолекулярных изделий, в частности к плёнке, и может быть использовано в качестве производственного и/или упаковочного материала [C08J 5/18, C08K 3/26, C08L 29/04, C08K 5/053].

Из уровня техники известен БИОРАЗЛАГАЕМЫЙ УПАКОВОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ И СПОСОБ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ [CN 112011139 A, опубл. 01.12.2020]. Биоразлагаемый упаковочный материал для пищевых продуктов состоит из следующих компонентов: поливиниловый спирт (73-76 весовых частей), модифицированный древесный порошок (15-20 весовых частей), растительный крахмал (35-42 весовых части), диоктилмалеат (3-5 весовых частей), модифицированное касторовое масло (1-3 весовых части), нанокарбонат кальция (8-12 весовых частей), нанокизельгур (6-10 весовых частей), пластификатор (5-8 весовых частей) и базальтовое волокно (0,3-0,8 весовой части).

Недостатком аналога является длительное время разложение упаковочного материала, низкая прочность упаковочного материала, низкие амортизирующие свойства упаковочного материала, отсутствие влагонепроницаемости, а также большое количество шума при использовании данного упаковочного материала.

Из уровня техники известна ПЛАСТИКОВАЯ ПЛЁНКА ДВОЙНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ИЗ КРАХМАЛА И ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА [CN 104109263 A, опубл. 22.10.2014]. Крахмально-поливинилспиртовая полиэтиленовая плёнка двойной деструкции, отличающаяся тем, что изготовлена из следующего сырья: крахмал 50-65 частей, поливиниловый спирт 15-30 частей, клей полыни 5-10 частей, гидроксипропилцеллюлоза. 2-8 часть, полисахарид пулуллан 5-10 часть, нанокремний 3-6 часть, цинковые стеара 5-10 часть, окисленный полиэтиленовый воск 4-8 часть, этилсиликоновое масло 2-7 часть, карбонат кальция 3-5 часть, глутаровый альдегид 4-10 часть, стеариловый спирт 3-5 часть.

Недостатком аналога является длительное время разложение плёнки, низкая прочность плёнки, низкие амортизирующие свойства плёнки, отсутствие влагонепроницаемости, а также большое количество шума при использовании данной плёнки.

Наиболее близким по технической сущности является БИОРАЗЛАГАЕМАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ МУЛЬЧИРУЮЩАЯ ПЛЁНКА НА ОСНОВЕ ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА, БЕЗВРЕДНАЯ ДЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ [CN 111303572 A, опубл. 19.06.2020]. Биоразлагаемая экологически чистая сельскохозяйственная мульчирующая плёнка на основе поливинилового спирта характеризуется содержанием следующих компонентов в весовых частях: 65-68 частей модифицированного поливинилового спирта, 14-16 частей желатинизированного крахмала, 7-8 частей пластификатора, 1-2 части сшивающего агента, 6-10 частей микрокристаллического воска, 3-5 частей глицерина, 5-7 частей нитевидных кристаллов сульфата алюминия, 6-9 частей нанонаполнителя, 13-15 частей карбоната кальция и 45-50 частей деионизированной воды;

Основной технической проблемой прототипа является длительное время разложение плёнки из-за большого количества компонентов, входящих в состав плёнки, низкая прочность плёнки, низкие амортизирующие свойства плёнки, отсутствие влагонепроницаемости, а также большое количество шума при использовании данной плёнки.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа для производства износостойких изделий.

Технические результаты изобретения заключаются в снижении шума при использовании плёнки. Кроме того, технический результат изобретения заключается в уменьшении времени разложения плёнки. Кроме того, технический результат изобретения заключается в повышении прочностных качеств плёнки. Кроме того, технический результат изобретения заключается в повышении амортизирующих свойств для защиты упакованного объекта. Кроме того, технический результат изобретения заключается в практически полном снижении влагопроницаемости.

Технический результат изобретения достигается за счёт того, что биоразлагаемая производственная плёнка включающая крахмал, поливиниловый спирт, карбонат кальция, отличающаяся тем, что содержание компонентов составляет, мас. %:

Крахмал 55-59,1 Поливиниловый спирт 40-44 Карбонат кальция 0,85-0,9

В частности, плёнка содержит натуральный краситель или смесь натуральных красителей, в качестве натурального красителя используют порошок из водорослей или порошок из спирулины, или порошок из шпината, или японский чай матча, или сок листьев ячменя.

В частности, толщина плёнки составляет от 18 мкм до 20 мкм, коэффициент эластичности плёнки составляет не менее 100 МПа, удлинение плёнки при разрыве не менее 400%.

Кроме того, технический результат достигается за счёт того, что бахилы, выполненные из плёнки, содержат смонтированную текстильную резинку

Настоящее изобретение реализуется посредством следующих технических средств.

Биоразлагаемая и компостируемая плёнка на основе крахмала для производства товаров (таких, как: бахилы, чехлы, шапочки, пакеты, упаковочный материал и т.п.) производится из гранул, имеющих следующий состав:

Немодифицированный крахмал, используемый в качестве агента биоразложения. Источником крахмала являются такие растения, как: картофель, кукуруза, пшеница, рис и т.п.

Поливиниловый спирт (далее - ПВС), представляющий собой водорастворимый порошок белого цвета, используемый в качестве термопластичной матрицы. Преимуществом ПВС является отсутствие токсичного воздействия на окружающую среду. При смешивании в водной среде с крахмалом образует прозрачную, биоразлагаемую плёнку, имеющую химическую и механическую стойкость.

В качестве пластификатора используют карбонат кальция. Также карбонат кальция снижает температуру стеклования плёнки и повышает гибкость плёнки.

Процентное соотношение компонентов следующее:

Немодифицированный крахмал (от 56% до 59,1%), ПВС (от 40% до 44%), карбонат кальция (от 0,85% до 0,9%). При необходимости плёнку подкрашивают природным красителем, таким как: порошок из водорослей или порошок из спирулины, или порошок из шпината, или японский чай матча, или сок листьев ячменя.

Для получения плёнки:

Порошок ПВС добавляют в дистиллированную воду и полностью растворяют порошок ПВС при температуре от 70 до 75 °C, постоянно перемешивая до момента, пока раствор ПВС с дистиллированной водой не станет прозрачным.

После в раствор ПВС и дистиллированной воды добавляют порошок крахмала.

Смесь раствора ПВС и крахмала перемешивают со скоростью не менее 200 оборотов в минуту.

После полного перемешивания смеси из раствора ПВС и крахмала в смесь добавляют карбонат кальция, при необходимости добавляют натуральный краситель.

Из смеси получают гранулы, используемые на экструдере для производства плёнки толщиной от 18 до 20 мкм, коэффициентом эластичности (в сухом состоянии) не менее 100 МПа, удлинение плёнки при разрыве не менее 400%.

Данная плёнка может быть использована в качестве сырья для производства предметов одежды, например при припаивании к краю плёнки текстильной резинки могут быть получены одноразовые шапочки или бахилы, в том числе, одноразовые шапочки и бахилы медицинского назначения.

Пример осуществления изобретения.

Настоящее изобретение было реализовано посредством следующих действий:

В качестве основы для гранул, необходимых для производства плёнки были использованы следующие компоненты:

1. Поливиниловый спирт, в частности PVA 26-99, имеющий следующие характеристики: гидролиз 98,85 моль%, вязкость 75,9 мПас, летучие вещества 3,825%, чистота 94,85%, уровень pH 7. Доля поливинилового спирта в общей массе плёнки составила 40,0;

2. Картофельный крахмал, в частности картофельный немодифицированный крахмал, представляющий собой белый мелкодисперсный порошок без запаха. Доля крахмала в общей массе плёнки составила 59,1%;

3. Карбонат кальция, представляющий собой белый порошок. Доля карбоната кальция в общей массе плёнки составила 0,85%;

4. Натуральный краситель, в частности, сок листьев ячменя, при использовании сока листьев ячменя смесь окрашивается в зеленовато-жёлтый цвет. Доля сока листьев ячменя в общей массе плёнки составила 0,05%.

Поливиниловый спирт PVA 26-99, в количестве 4,000 кг, всыпают в смеситель-гранулятор, предварительно в который была залита дистиллированная вода, нагретая до температуры 72°C. Смеситель активируют и плавно увеличивают количество оборотов до 200 оборотов в минуту, перемешивание раствора продолжается до момента полного растворения поливинилового спирта, а также раствор поливинилового спирта и дистиллированной воды должен стать прозрачным.

Затем к раствору поливинилового спирта PVA 26-99 и дистиллированной воды добавляют немодифицированный картофельный крахмал в количестве 5,900 кг, после смесь перемешивают до однородного состояния.

После полного перемешивания в смесь добавляют карбонат кальция, в количестве 0,089 кг, а также краситель - сок листьев ячменя, в количестве 0,011 кг. После добавления карбоната кальция и сока листьев ячменя смесь перемешивают до тех пор, пока смесь не станет однородной, а также пока натуральный краситель не окрасит равномерно смесь.

После доведения смеси до однородного состояния на смесителе-грануляторе изменяют количество оборотов в минуту, постепенно доводя до 1000 оборотов в минуту. Под действием центробежной силы и связующего вещества внутри смесителя-гранулятора начинают формироваться гранулы, постепенно увеличивающиеся в размерах и принимающие компактную структуру.

Для производства плёнки гранулы засыпают в экструдер. Внутри экструдера гранулы нагреваются, а затем из нагретых гранул выдуванием формируется плёнка. Плёнку в последующем формируют в рулоны.

Для проведения экспериментов было взято 9 отрезков биоразлагаемой плёнки толщиной 20 мкм, шириной 50 см, длиной 50 см.

В качестве первого эксперимента были использованы 2 отрезка плёнки.

Каждый из отрезков был обрезан по размерам 40 см в длину и 14 см в ширину. К каждому из отрезков по периметру была припаяна текстильная резинка, вследствие чего получилась имитация бахил.

Для сравнения уровня шума от бахил из предложенного решения было использовано следующее:

В качестве прототипа: бахилы, выполненные из плёнки-прототипа.

Также дополнительно для сравнения были взяты бахилы медицинские одноразовые.

Общее сравнение характеристик приведено в таблице 1.

Таблица 1 - Сравнение характеристик бахил, выполненных из разных плёнок

Бахилы, выполненные из полипропилена Бахилы, выполненные из плёнки - прототипа Бахилы, выполненные из биоразлагаемой плёнки Размеры бахил 400 мм на 140 мм 400 мм на 140 мм 400 мм на 140 мм Материал изготовления Полипропилен Модифицированный поливиниловый спирт, желатинизированный крахмал, пластификатор, сшивающий агента, микрокристаллический воск, глицерин, нитевидные кристаллы сульфата алюминия, нанонаполнитель, карбоната кальция деионизированной воды Крахмал, поливиниловый спирт, карбонат кальция, краситель (сок листьев ячменя) Толщина 20 мкм 20 мкм 20 мкм Количество шума 57 дБ 43 дБ 35 дБ

В качестве устройства, замеряющего шум, использовался 2250.

Измерения производились в комнате, стены комнаты обклеены акустическим поролоном. Расстояние от бахил до устройства, замеряющего шум, составляет 1 метр.

Уровень шума от бахил, выполненных из полипропилена, составил 57 дБ, уровень шума от бахил, выполненных из плёнки-прототипа, составил 43 дБ, а уровень шума от бахил, выполненных из биоразлагаемой плёнки, составил 35 дБ.

Соответственно шум, по сравнению с бахилами, выполненными из полипропилена, снизился на 39,6%, а шум, по сравнению с бахилами, выполненными из плёнки-прототипа, снизился на 18,7%.

В качестве второго эксперимента был использован 1 отрезок биоразлагаемой плёнки. Для сравнения времени разложения был проведён эксперимент по измерению времени разложения отрезка плёнки 50 см на 50 см в почве, при постоянной температуре и влажности.

Для имитации условий помещения плёнки в природные условия для дальнейшего разложения было использовано следующее:

Ёмкость 70 см на 70 см в основании и 60 см в высоту, на дне которого был равномерно распределён грунт толщиной 20 см, содержащий верховой торф (40% от общей массы грунта), низинный торф (20% от общей массы грунта), перлит (20% от общей массы грунта), мох сфагнум (10% от общей массы грунта), коровяк (5% от общей массы грунта), древесный уголь (5% от общей массы грунта).

Затем на слой грунта была помещена плёнка. Плёнку сверху засыпали аналогичным по толщине слоем грунта.

Аналогичные действия провели с плёнкой-прототипом.

Эксперимент проводился при постоянной температуре 22,7°C, влажности 90% и УФ-излучением, работающим по 6 часов в день.

Через 4 месяца был убран слой грунта с предлагаемой плёнки и плёнки-прототипа. Предлагаемая плёнка полностью растворилась в почве под воздействием бактерий и грибков, содержащихся в грунте, а плёнка прототип растворилась на 78 процентов. Соответственно скорость растворения предлагаемой плёнки на 27,5% больше, чем скорость растворения плёнки-прототипа.

В качестве третьего эксперимента были использованы 3 отрезка биоразлагаемой плёнки.

Из двух отрезков по аналогии с первым экспериментом были произведены бахилы.

И сравнивались характеристики произведённых бахил из биоразлагаемой плёнки и плёнки-прототипа, а также бахил, произведённых из полипропилена. Сравнение заключалось в количестве шагов, которые можно пройти в бахилах, одетых на обувь, до того момента, пока в бахилах не образуется отверстие в месте контакта с подошвой.

Покрытие пола, на котором проходили сравнения, был выполнен из керамической плитки. Само помещение имеет форму круга, длина окружности которого составляет 50 метров, а ширина 2,5 метра.

Используя бахилы, выполненные из полипропилена, толщиной 20 мкм, 40 см в длину и 14 см в ширину, было пройдено 288 шагов до первых отверстий.

Используя бахилы, выполненные из плёнки-прототипа, толщиной 20 мкм, 40 см в длину и 14 см в ширину, было пройдено 326 шагов до первых отверстий.

Используя бахилы, выполненные из биоразлагаемой плёнки, количество шагов увеличилось на 29,1%, по отношению к бахилам, выполненным из полипропилена, и на 14,1% по отношению к бахилам, выполненным из плёнки-прототипа, и составило 372 шага.

С третьим отрезком биоразлагаемой плёнки был проведён эксперимент на разрыв, в котором:

В качестве устройства использовался экстензометр Instron 5900.

В качестве сравнительного образца использовалась плёнка-прототип, обладающая толщиной 20 мкм, длиной 50 см и шириной 50 см, выполненная из биоразлагаемого материала.

При растяжении плёнки прототипа было выявлено следующее: растяжение плёнки-прототипа на разрыв составило 316%, а нагрузка, при которой произошёл разрыв составила 3,38 кг.

При растяжении предлагаемой биоразлагаемой плёнки было выявлено следующее: растяжение плёнки-прототипа на разрыв составило 422%, а нагрузка, при которой произошёл разрыв составила 4,21 кг.

Для проведения четвёртого эксперимента были взяты два отрезка биоразлагаемой плёнки, спаянные между собой таким способом, чтобы внутренние полости представляли собой пузырчатый упаковочный материал.

Суть эксперимента заключалась в оценке свойств защиты плёнкой объекта, на который направлено физическое воздействие.

Для эксперимента использовалось:

Датчик удара, а именно пьезоэлектрический акселерометр ADXL375

В качестве первого упаковочного материала для датчика удара использовалась плёнка-прототип, выполненная в виде пузырчатого упаковочного материала.

В качестве второго упаковочного материала для датчика удара использовалась биоразлагаемая плёнка, выполненная в виде пузырчатого упаковочного материала.

В качестве элемента физического воздействия был использован металлический шарик массой 100 грамм.

Датчик удара закрепили на подставке, под углом в 30 градусов к подставке смонтирована направляющая для шарика, имеющая длину 1 метр. Направляющая для шарика направляет шарик в центр датчика, ударяясь о который производится физическое воздействие на датчик и замер силы удара.

Шарик зафиксировали на расстоянии 30 см от датчика и отпустили, при этом начальная скорость шарика была нулевой.

Датчик, помещённый в первый упаковочный материал, выполненный из полиэтилена высокого давления, зафиксировал силу удара в 384 Н. При этом пузыри, принимавшие удар, частично лопнули.

Датчик, помещённый во второй упаковочный материал, выполненный из биоразлагаемой плёнки, зафиксировал силу удара в 216 Н. В данном случае ни один пузырь не лопнул. Соответственно упаковочный материал, представляющий собой пузырчатый материал, амортизировал удар на 43,75% лучше, чем аналогичное решение.

Для проведения пятого эксперимента был взят один отрезок биоразлагаемой плёнки, который спаяли, таким образом, чтобы получилась ёмкость для жидкости.

Суть эксперимента заключалась в сравнении влагопроницаемости плёнок.

Плёнка-прототип, спаянная аналогичным образом была приклеена к стене на расстоянии 1 метр от пола. Внутрь плёнки-прототипа была налита дистиллированная вода в количестве 100 мл.

Биоразлагаемая плёнка была приклеена к стене на расстоянии 1 метр от пола. Внутрь плёнки-прототипа была налита дистиллированная вода в количестве 100 мл.

Также на стену был приклеен одноразовый стакан, выполненный из пластика, внутрь которого также залито 100 мл воды. Данный стакан необходим, так как на основе оставшейся воды проводится замер количества воды, которое испарилось в результате проведения эксперимента.

Температура внутри помещения составляла 22,7°C, влажность 90%. При данных условиях образцы были оставлены на 24 часа.

В ходе эксперимента под плёнкой - прототипом образовалось скопление жидкости, периодически капающей из имитации стакана, выполненного из плёнки-прототипа. В конечном расчёте осталось 57,6 мл дистиллированной воды внутри плёнки-прототипа.

В имитации стакана, выполненного из биоразлагаемой плёнки, осталось 86,2 мл дистиллированной воды.

В пластиковом стакане осталось 86,4 мл дистиллированной воды.

В результате эксперимента были доказаны влагонепроницаемые свойства, при сравнении, так как при сравнении с пластиковым стаканчиком плёнка пропустила 0,2 мл воды, что можно списать на погрешность измерения и воду, оставшуюся на стенках стакана.

Эксперименты с опытными образцами показали, что при использовании биоразлагаемой плёнки для производства товаров наблюдается следующее:

1. Снижение шума по сравнению с бахилами, выполненными из полипропилена, снизился на 39,6%, а шум, по сравнению с бахилами, выполненными из плёнки-прототипа, снизился на 18,7%.

2. Снижение времени разложения биоразлагаемой и компостируемой плёнки на 27,5% по сравнению с аналогичным решением.

3. Повышение прочностных качеств плёнки, а именно увеличения количества шагов, пройденных в бахилах, выполненных из биоразлагаемой плёнки, до момента, пока не образуется отверстие в месте контакта бахил с подошвой, на 29,1% по сравнению с бахилами, выполненными из полипропилена и на 19,1% по сравнению с бахилами, выполненными из плёнки-прототипа, а также на достижение 422% растяжения на разрыв, что на 106% больше, чем у аналогичного решения, при сравнении с аналогичной плёнкой, а также на 24,5% увеличение максимальной массы, которую может выдержать плёнка на разрыв.

4. Повышение амортизирующих свойств для защиты упакованного объекта, а именно упаковочный материал, выполненный из биоразлагаемой и компостируемой плёнки, представляющий собой пузырчатую плёнку, амортизировал удар на 43,75% лучше, чем аналогичная пузырчатая плёнка.

5. Практически полное снижение влагопроницаемости в сравнении с аналогичной плёнкой-прототипом.

Таким образом, за счёт того, что биоразлагаемая производственная плёнка включающая крахмал, поливиниловый спирт, карбонат кальция, отличающаяся тем, что содержание компонентов составляет, мас. %:

Крахмал 55-59,1 Поливиниловый спирт 40-44 Карбонат кальция 0,85-0,9

Обеспечивается такой технический результат, как снижение шума при использовании плёнки, кроме того обеспечивается такой технический результат, как уменьшение времени разложения плёнки, кроме того обеспечивается такой технический результат, как повышение прочностных качеств плёнки, кроме того обеспечивается такой технический результат, как повышение амортизирующих свойств для защиты упакованного объекта, кроме того, обеспечивается такой технический результат, как практически полное снижение влагопроницаемости.

Изобретение относится к области органических высокомолекулярных изделий, в частности к биоразлагаемой плёнке, и может быть использовано в качестве производственного и/или упаковочного материала. Биоразлагаемая плёнка содержит картофельный крахмал, поливиниловый спирт PVA 26-99, карбонат кальция при следующем содержание компонентов, мас.%: картофельный крахмал 55-59,1, поливиниловый спирт PVA 26-99 40-44, карбонат кальция 0,85-0,9. Также изобретение относится к бахилам, выполненным из биоразлагаемой плёнки, содержащим смонтированную текстильную резинку. Технический результат изобретения заключается в снижении шума при использовании плёнки, уменьшении времени разложения плёнки, повышении прочностных качеств плёнки, повышении амортизирующих свойств для защиты упакованного объекта и практически полном снижении влагопроницаемости. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 пр.

1. Биоразлагаемая плёнка, включающая картофельный крахмал, поливиниловый спирт PVA 26-99, карбонат кальция, отличающаяся тем, что содержание компонентов составляет, мас. %:

Крахмал картофельный 55-59,1 Поливиниловый спирт PVA 26-99 40-44 Карбонат кальция 0,85-0,9

2. Плёнка по п. 1, отличающаяся тем, что содержит натуральный краситель или смесь натуральных красителей, в качестве натурального красителя используют порошок из спирулины или порошок из шпината, или японский чай матча, или сок листьев ячменя.

3. Плёнка по п. 1, отличающаяся тем, что толщина плёнки составляет от 18 мкм до 20 мкм, коэффициент эластичности плёнки составляет не менее 100 МПа, удлинение плёнки при разрыве не менее 400%.

4. Бахилы, выполненные из плёнки по п. 1, содержащие смонтированную текстильную резинку.