RU2805927C1 - Biodegradable polymer composition for packaging purposes - Google Patents

Abstract

FIELD: agriculture.

SUBSTANCE: production of biodegradable polymer composites containing a solution of polyvinyl alcohol and filler from plant waste, used in the production of thermoformed packaging products and films capable of biodegradation. Biodegradable polymer composition for packaging purposes, including 5 wt.% aqueous solution of fully hydrolyzed polyvinyl alcohol and a vegetable filler, which is used as sunflower husks or beet pulp, or brewer's grains with a particle size of less than 200 microns and a moisture content of less than 5%. To prepare the composition use 5 wt.% aqueous solution of polyvinyl alcohol with a concentration of 20…50 g/100 ml.

EFFECT: obtaining film materials for packaging with high stress-related properties at a reduced cost due to the use of agro-industrial waste.

1 cl, 1 tbl, 13 ex

Description

Изобретение относится к получению биоразлагаемых полимерных композитов, содержащих раствор поливинилового спирта и наполнителя из растительных отходов, применяемых в производстве упаковочных термоформованных изделий и пленок, способных к биодеструкции. Изобретение может быть использовано при производстве упаковочных материалов, одноразовых изделий, в сельском хозяйстве при производстве биоразрушаемых пленок.The invention relates to the production of biodegradable polymer composites containing a solution of polyvinyl alcohol and filler from plant waste, used in the production of thermoformed packaging products and films capable of biodegradation. The invention can be used in the production of packaging materials, disposable products, and in agriculture in the production of biodegradable films.

Известна композиция для получения биоразлагаемого полимерного материала, содержащая поливиниловый спирт, крахмал, глицерин, L-аспарагиновую кислоту, соляную кислоту, этиловый спирт и воду (RU 2669865, МПК C08L 3/02, C08L 29/04, C08L 101/16, C08K 5/05, C08K 3/00, опубл. 16.10.2018).A known composition for producing a biodegradable polymer material containing polyvinyl alcohol, starch, glycerin, L-aspartic acid, hydrochloric acid, ethyl alcohol and water (RU 2669865, IPC C08L 3/02, C08L 29/04, C08L 101/16, C08K 5 /05, C08K 3/00, publ. 10/16/2018).

Недостатком известной композиции являются низкие значения упруго-прочностных характеристик.The disadvantage of the known composition is the low values of elastic-strength characteristics.

Известна композиция для производства пленок из ПВС с наполнителем из древесной муки тополя с размером частиц менее 149 мкм, которая дополнительно содержит пластификатор, термостабилизатор, антиоксидант и смазку (CN111073189, МПК C08J 5/18; C08K 5/053; C08K 5/06; C08K 5/17; C08L 29/04; C08L 71/02; C08L 97/02, опубл. 28.04.2020).A known composition for the production of PVA films filled with poplar wood flour with a particle size of less than 149 microns, which additionally contains a plasticizer, a heat stabilizer, an antioxidant and a lubricant (CN111073189, IPC C08J 5/18; C08K 5/053; C08K 5/06; C08K 5/17; C08L 29/04; C08L 71/02; C08L 97/02, publ. 04/28/2020).

Известен биоразлагаемый упаковочный материал для пищевых продуктов, содержащий поливиниловый спирт, модифицированную древесную муку, растительный крахмал, диоктилмалеат, модифицированное касторовое масло, нанокарбонат кальция, нанодиатомит, пластификатор и базальтовые волокна (CN112011139A, МПК B65D 65/46; C08J 5/18; C08K 13/04; C08K 3/26; C08K 7/10; C08K 7/26; C08L 29/04; C08L 3/02; C08L 91/00; C08L 97/02, опубл. 01.12.2020).A known biodegradable packaging material for food products containing polyvinyl alcohol, modified wood flour, vegetable starch, dioctyl maleate, modified castor oil, nanocalcium carbonate, nanodiatomite, plasticizer and basalt fibers (CN112011139A, IPC B65D 65/46; C08J 5/18; C08K 13 /04; C08K 3/26; C08K 7/10; C08K 7/26; C08L 29/04; C08L 3/02; C08L 91/00; C08L 97/02, published 12/01/2020).

Недостатком известных композиций является сложный состав. Данные композиции перерабатываются методом экструзии, что усложняет технологию изготовления и приводит высокой себестоимости.The disadvantage of the known compositions is their complex composition. These compositions are processed by extrusion, which complicates the manufacturing technology and leads to high costs.

Известен полимерный материал, содержащий поливиниловый спирт, древесную муку, полиэтиленгликоль-600 и борную кислоту (V. Kumar, S. Lal, R. Bagoria and S. Arora Thermal and Tensile Properties of PVA and Wood flour Composites International Journal of Applied Engineering Research. Vol. 14, N. 7 2019, pp. 1619-1626).A polymer material containing polyvinyl alcohol, wood flour, polyethylene glycol-600 and boric acid is known (V. Kumar, S. Lal, R. Bagoria and S. Arora Thermal and Tensile Properties of PVA and Wood flour Composites International Journal of Applied Engineering Research. Vol. 14, N. 7 2019, pp. 1619-1626).

Недостатком являются низкие значения прочности при растяжении.The disadvantage is the low tensile strength values.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является полимерная композиция, содержащая 10%-ный раствор поливинилового спирта, древесную муку с размером частиц 119 мкм и глютаровый альдегид. (R. Bana, A. K. Banthia Green Composites: Development of Poly(Vinyl Alcohol)-Wood Dust Composites. Polymer-Plastics Technology and Engineering, 46. 821–829, 2007).The closest in technical essence to the claimed invention is a polymer composition containing a 10% solution of polyvinyl alcohol, wood flour with a particle size of 119 microns and glutaraldehyde. (R. Bana, A. K. Banthia Green Composites: Development of Poly(Vinyl Alcohol)-Wood Dust Composites. Polymer-Plastics Technology and Engineering, 46. 821–829, 2007).

Недостатком прототипа являются низкие значения упруго-прочностных характеристик, недостаточные для изготовления надежных упаковочных изделий и пленок, обеспечивающих сохранность при значительной их массе и наличии внешних нагрузок.The disadvantage of the prototype is the low values of elastic-strength characteristics, which are insufficient for the manufacture of reliable packaging products and films that ensure safety despite their significant mass and the presence of external loads.

Техническая задача изобретения заключается в создании биоразлагаемой полимерной композиции на основе раствора поливинилового спирта и наполнителя из растительных отходов, изделия из которого эффективно разрушаются под действием климатических факторов и имеют высокие эксплуатационные характеристики.The technical objective of the invention is to create a biodegradable polymer composition based on a solution of polyvinyl alcohol and filler from plant waste, products from which are effectively destroyed under the influence of climatic factors and have high performance characteristics.

Сущность изобретения заключается в том, что биоразлагаемая полимерная композиция для упаковочного назначения включает 5% масс. водный раствор полностью гидролизованного поливинилового спирта, а в качестве растительного наполнителя используют лузгу подсолнечника или свекловичный жом, или пивную дробину с размером частиц менее 200 мкм и влажностью менее 5% при концентрации 20…50 гр/100 мл 5% масс. водного раствора поливинилового спирта.The essence of the invention lies in the fact that the biodegradable polymer composition for packaging purposes includes 5% of the mass. an aqueous solution of fully hydrolyzed polyvinyl alcohol, and sunflower husks or beet pulp, or brewer's grains with a particle size of less than 200 microns and a moisture content of less than 5% at a concentration of 20...50 g/100 ml of 5% wt. are used as a vegetable filler. an aqueous solution of polyvinyl alcohol.

В табл. 1 приведены составы и значения упруго-прочностных характеристик биоразлагаемых полимерных композиций.In table Table 1 shows the compositions and values of the elastic-strength characteristics of biodegradable polymer compositions.

Для изготовления композиции использовались следующие компоненты:The following components were used to make the composition:

полностью гидролизованный поливиниловый спирт марки BF-17 (Тайвань, степень гидролиза – 98,5…99,2%, содержание летучих веществ <5%, зольность 0,7%, степень полимеризации – 1,700…1,800, молекулярный вес – 75,000…80,000).fully hydrolyzed polyvinyl alcohol brand BF-17 (Taiwan, degree of hydrolysis - 98.5...99.2%, volatile matter content <5%, ash content 0.7%, degree of polymerization - 1,700...1,800, molecular weight - 75,000...80,000) .

Растительный наполнитель в виде агропромышленных отходов (лузга подсолнечника, свекловичный жом, пивная дробина) измельчался на роторно-ножевой мельнице РМ-120 и с помощью ситового метода на виброанализаторе А-20 отбирались частицы с размером менее 200 мкм. Затем растительный наполнитель сушили в лабораторной сушилке до влажности менее 5%.Vegetable filler in the form of agro-industrial waste (sunflower husks, beet pulp, brewer's grains) was crushed in a PM-120 rotary knife mill and particles with a size of less than 200 microns were selected using the sieve method on an A-20 vibration analyzer. The plant filler was then dried in a laboratory dryer to a moisture content of less than 5%.

Способ изготовления биоразлагаемой полимерной композиции для упаковочного назначения заключается в следующем.A method for producing a biodegradable polymer composition for packaging purposes is as follows.

Для получения 5% масс. водного раствора навеску поливинилового спирта массой 5 г растворяли в 95 мл дистиллированной воды в плоскодонной колбе с помощью магнитной мешалки при температуре 85..90°C в течение 20…30 мин. Далее в полученный раствор, согласно рецептуре, добавляли растительный наполнитель. Перемешивание вели при температуре 80°С в течение 30 мин до полного смачивания растительного наполнителя.To obtain 5% wt. aqueous solution, a 5 g sample of polyvinyl alcohol was dissolved in 95 ml of distilled water in a flat-bottomed flask using a magnetic stirrer at a temperature of 85..90°C for 20...30 minutes. Next, a vegetable filler was added to the resulting solution, according to the recipe. Stirring was carried out at a temperature of 80°C for 30 minutes until the plant filler was completely wetted.

Материал в виде пленки получали методом полива формовочного раствора на плоскую пластиковую подложку. Раствор выдерживался до полного испарения влаги при комнатной температуре в течение 2..3 суток.The material in the form of a film was obtained by pouring the molding solution onto a flat plastic substrate. The solution was kept until the moisture completely evaporated at room temperature for 2..3 days.

Испытания упруго-прочностных свойств проводили согласно ГОСТ 11262-2017 и ГОСТ 34370-2017.Tests of elastic-strength properties were carried out in accordance with GOST 11262-2017 and GOST 34370-2017.

Для водорастворимых биоразлагаемых упаковочных материалов чаще всего используют поливиниловый спирт, который соответствует ГОСТ Р 57432-2017. Композиции на основе поливинилового спирта способны разлагаться в течение 6 месяцев (Папкина В.Ю., Малинкина О.Н., Шиповская А.Б., Гребенюк Л.В., Степанов М.В. Свойства, деградация в почвогрунте и фитотоксичность композитов крахмала с поливиниловым спиртом. Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Химия. Биология. Экология. 2018. Т.18. №1. С. 25-35).For water-soluble biodegradable packaging materials, polyvinyl alcohol is most often used, which complies with GOST R 57432-2017. Compositions based on polyvinyl alcohol can decompose within 6 months (Papkina V.Yu., Malinkina O.N., Shipovskaya A.B., Grebenyuk L.V., Stepanov M.V. Properties, degradation in soil and phytotoxicity of starch composites with polyvinyl alcohol. News of Saratov University. New series. Series: Chemistry. Biology. Ecology. 2018. Vol. 18. No. 1. pp. 25-35).

Известно, что агропромышленные отходы, в частности лузга подсолнечника или свекловичный жом, или пивная дробина, способствуют биодеструкции полимерных материалов (RU 2408621, RU 2473578, RU 2782373).It is known that agro-industrial waste, in particular sunflower husks or beet pulp, or brewer's grains, contribute to the biodegradation of polymer materials (RU 2408621, RU 2473578, RU 2782373).

Разработанная полимерная композиция по сравнению с известным решением позволяет получить пленочные материалы для упаковки с высокими упруго-прочностными характеристиками сниженной себестоимостью за счет использования агропромышленных отходов.The developed polymer composition, in comparison with the known solution, makes it possible to obtain film materials for packaging with high elastic-strength characteristics at a reduced cost due to the use of agro-industrial waste.

Таблица 1Table 1

СоставCompound Предел прочности при растяжении, МПаTensile strength, MPa Модуль упругости при растяжении, МПаTensile modulus of elasticity, MPa Относительное удлинение, %Relative extension, % Предлагаемые составыSuggested formulations 100 мл 5%-го раствора ПВС+
20 гр свекловичного жома100 ml 5% PVA+ solution
20 g beet pulp 32,932.9 420420 0,110.11 100 мл 5%-го раствора ПВС+
30 гр свекловичного жома100 ml 5% PVA+ solution
30 g beet pulp 22,522.5 330330 0,080.08 100 мл 5%-го раствора ПВС+
40 гр свекловичного жома100 ml 5% PVA+ solution
40 g beet pulp 20,520.5 320320 0,070.07 100 мл 5%-го раствора ПВС+
50 гр свекловичного жома100 ml 5% PVA+ solution
50 g beet pulp 19,219.2 310310 0,060.06 100 мл 5%-го раствора ПВС+
20 гр лузги подсолнечника100 ml 5% PVA+ solution
20 g sunflower husks 15,415.4 270270 0,080.08 100 мл 5%-го раствора ПВС+
30 гр лузги подсолнечника100 ml 5% PVA+ solution
30 g sunflower husks 14,814.8 260260 0,080.08 100 мл 5%-го раствора ПВС+
40 гр лузги подсолнечника100 ml 5% PVA+ solution
40 g sunflower husks 12,412.4 250250 0,060.06 100 мл 5%-го раствора ПВС+
50 гр лузги подсолнечника100 ml 5% PVA+ solution
50 g sunflower husks 9,89.8 230230 0,050.05 100 мл 5%-го раствора ПВС+
20 гр пивной дробины100 ml 5% PVA+ solution
20 grams of beer grains 18,818.8 440440 0,230.23 100 мл 5%-го раствора ПВС+
30 гр пивной дробины100 ml 5% PVA+ solution
30 grams of spent grain 18,018.0 435435 0,200.20 100 мл 5%-го раствора ПВС+
40 гр пивной дробины100 ml 5% PVA+ solution
40 grams of spent grain 17,917.9 420420 0,190.19 100 мл 5%-го раствора ПВС+
50 гр пивной дробины100 ml 5% PVA+ solution
50 grams of spent grain 16,816.8 410410 0,190.19 ПрототипPrototype 80% раствора ПВС+
20% древесной муки+глютаровый альдегид80% PVA+ solution
20% wood flour + glutaraldehyde 7,8 7.8 3,33.3 --

Claims (1)

Биоразлагаемая полимерная композиция для упаковочного назначения, включающая раствор поливинилового спирта, растительный наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве раствора использовался 5% масс. водный раствор полностью гидролизованного поливинилового спирта, а в качестве растительного наполнителя используют лузгу подсолнечника или свекловичный жом, или пивную дробину с размером частиц менее 200 мкм и влажностью менее 5% при концентрации 20…50 гр/100 мл 5% масс. водного раствора поливинилового спиртаA biodegradable polymer composition for packaging purposes, including a solution of polyvinyl alcohol, a vegetable filler, characterized in that 5 wt.% was used as a solution. an aqueous solution of fully hydrolyzed polyvinyl alcohol, and sunflower husks or beet pulp, or brewer's grains with a particle size of less than 200 microns and a moisture content of less than 5% at a concentration of 20...50 g/100 ml of 5% wt. are used as a vegetable filler. aqueous solution of polyvinyl alcohol