PL230037B1 - Materiał do wytwarzania biodegradowalnych kształtek, zwłaszcza sztućców - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest materiał do wytwarzania biodegradowalnych kształtek, zwłaszcza sztućców, który to materiał stanowią kompozyt polilaktydowy zawierający produkty przemiału zbóż oraz ewentualnie do 10% wagowych mieszaniny substancji smakowych i/lub zapachowych i/lub dodatków barwiących i/lub środka o właściwościach antyblokingowych i (rozjaśniających i/lub środka modyfikującego udarność tworzywa. Materiał charakteryzuje się tym, że składa się z zasadniczego polilaktydu wymieszanego z 0,01% do 50% wagowych sypkich otrąb, zwłaszcza pszennych, stanowiących wyselekcjonowaną z otrąb frakcję od 0,01 mm do 2,80 mm, zawierających od 0,01% do 7% wody związanej strukturalnie w postaci wilgoci lub wymieszanego z granulatem z otrąb, zwłaszcza pszennych, o wielkości granul od 0,1 mm do 10 mm, zawierających od 0,01% do 7% wody związanej strukturalnie w postaci wilgoci.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest materiał do wytwarzania biodegradowalnych kształtek, zwłaszcza sztućców.

Znany jest szereg metod i tworzyw, pozwalających na otrzymanie kształtek ulegających rozkładowi pod wpływem czynników środowiska, takich jak tlen, wilgoć, światło czy drobnoustroje. Uzyskiwane z takich materiałów kształtki w formie naczyń i opakowań, w szczególności służące do przechowywania i podawania żywności, są coraz częściej stosowane ze względu na obowiązujące w niektórych krajach przepisy ograniczające produkcję lub nakładające wysokie podatki na producentów wytworów tradycyjnych, nie ulegających szybkiemu naturalnemu rozkładowi. Koszt stosowanych dotychczas wyrobów biodegradowalnych jest jednak nadal wyższy od wyrobów tradycyjnych. Zapotrzebowanie konsumentów na produkty biodegradowalne dotyczy również sztućców, które w połączeniu ze znanymi już wyrobami, takimi jak biodegradowalne naczynia i opakowania, tworzą kompletne zestawy przeznaczone do przechowywania żywności i jej konsumpcji, a których koszt wytwarzania jest stosunkowo niewielki.

Nierozwiązanym problemem było jednakże uzyskanie biodegradowalnego materiału ulegającego samoczynnemu rozkładowi, który pozwalałby na nadawanie wyrobom gotowym odpowiedniego kształtu sztućców stołowych, takich jak nóż, widelec czy łyżka, a zarazem zapewniał tym wyrobom odpowiednią wytrzymałość.

Znane są biodegradowalne materiały zawierające w swym składzie skrobię i celulozę jako komponenty. Elementy polietylenowe zawierające w swym składzie skrobię kukurydzianą ulegają łatwo degradacji pod wpływem bakterii i enzymów amylolitycznych. Do przyspieszenia rozkładu stosuje się dodatki ułatwiające utlenianie polietylenu. Metoda ta nadal wymaga jednakże wprowadzenia systemu wspomagania rozkładu biologicznego oraz wymusza dodatkowe działania związane choćby z segregacją odpadów. Termoplastyczne tworzywa oparte na skrobi wytwarzane są poprzez ciśnieniowe ogrzewanie skrobi zawierającej wodę i dodatki plastyfikujące.

Znany jest również materiał zawierający skrobię i rozpuszczalny w wodzie polimer otrzymywany z ropy naftowej. Zawartość skrobi wynosi od 10 do 70%. Jednym z zastosowań tego materiału są opakowania stosowane do pokarmu dla zwierząt. Po zużyciu zawartości opakowanie może być rozdrobnione i podane zwierzętom.

Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 171 872 materiał zawierający 30-85% wagowych biodegradowalnego tworzywa syntetycznego na osnowie polisacharydu, a jako dodatek biodegradowalny materiał ten zawiera 15-70% wagowych skrobi lub niemodyfikowanej celulozy oraz substancje pomocnicze. Materiał ów otrzymuje się przez stopienie w podwyższonej temperaturze, następnie dodaje się skrobię lub celulozę. Mieszanina ma początkowo postać dyspersji skrobi o zawartości wody co najwyżej 25% lub postać dyspersji celulozy w stopionym tworzywie polisacharydowym. Mieszaninę tę granuluje się i następnie kształtuje granulat. Technologia ta jest skomplikowana i wieloetapowa.

Problemy związane z koniecznością stosowania segregacji odpadów i dodatków wspomagających proces biodegradacji w odniesieniu do produktów z udziałem skrobi i celulozy zostały rozwiązane poprzez zastosowanie zamiast skrobi i celulozy produktów przemiału zbóż lub innych produktów pochodzenia biologicznego.

Znane jest z polskiego opisu patentowego nr 174 592 tworzywo ekologiczne pochodzenia biologicznego do wytwarzania naczyń i opakowań jednorazowego użytku oraz sposób wytwarzania wyrobów z tego tworzywa. Suche tworzywo zawiera produkty przemiału zbóż w ilości 50-95% wagowych suchej masy, produkty przemiału ziemniaków, soi i innych roślin w ilości 0-90% wagowych suchej masy i jako lepiszcze białko zwierzęce w ilości do 30% wagowych suchej masy oraz dodatki smakowe, zapachowe, konserwujące i barwniki. Tworzywo według wynalazku po zmieszaniu i wyrobieniu z wodą do uzyskania konsystencji ciasta wytłacza się, a następnie wypieka tradycyjnymi metodami w czasie kilkunastu minut. W trakcie wypiekania uformowanych kształtek woda wyparowuje, uszkadzając ich niejednorodną, włóknistą strukturę. Otrzymane wyroby są zdeformowane, posiadają liczne spękania i różnią się wymiarami, co dyskwalifikuje sposób w zastosowaniu do wytwarzania wyrobów, zwłaszcza cienkościennych. Wyrobom tym stawia się wysokie wymagania standaryzacyjne.

Znany jest z polskiego opisu patentowego PL 195 130 materiał do wytwarzania biodegradowalnych kształtek, zwłaszcza naczyń i opakowań, składający się z 95-100% wagowych sypkich otrąb, zwłaszcza pszennych, stanowiących wyselekcjonowaną z otrąb frakcję o uziarnieniu od 0,01 do 2,80 mm, zawierających od 7% do 45% wody związanej strukturalnie w postaci wilgoci oraz ewentualnie do 5% wagowych mieszaniny substancji impregnujących i/lub dodatków smakowych i/lub zapachowych i/lub niewłóknistych

PL 230 037 B1 napełniaczy, i/lub środków utrzymujących wilgoć, i/lub dodatków barwiących. Materiał ten wykorzystywany jest do wytwarzania biodegradowalnych kształtek, zwłaszcza naczyń i opakowań z wykorzystaniem produktów przemiału zbóż. Poddane działaniu ciśnienia i temperatury otręby ze stanu sypkiego przechodzą poprzez uplastycznienie do stanu stałego. Kluczowe jest uplastycznienie surowca, a osiąga się je przez docisk. Uplastycznianie materiału odbywa się w formie, a wykonanie kształtki wymaga stosowania dużych sił.

W znanych sposobach wytwarzania biodegradowalnych kształtek z produktów przemiału zbóż wykorzystuje się materiał stanowiący dowilżone otręby zwłaszcza pszenne o uziarnieniu od 0,01 mm do 2,80 mm. Stosowane są również nawilżone otręby w postaci granulatu o wielkości granul od 0,1 mm do 10 mm. Materiał ten uplastycznia się, a podczas odparowywania skrobia pozostaje w materiale i nie osadza się na formach służących do nadawania kształtu gotowym wyrobom. Produkty uzyskane z tego materiału są jednorodne, mają estetyczny jednolity kolor o dużym połysku. Wadą tego materiału jest natomiast kruchość i bardzo ograniczone możliwości wytwarzania małych, a zarazem trwałych i elastycznych elementów, które podlegałyby naturalnej biodegradacji.

Dotychczas podejmowano nieudane próby formowania niewielkich kształtek znanymi sposobami wyłącznie z otrąb zbożowych lub z ich granulatu, którym można nadawać formę sztućców. Otrzymane elementy były jednak bardzo kruche, niezależnie od ilości i frakcji otrąb lub ilości i wielkości granulatu.

W toku przeprowadzonych badań podjęto próby wytwarzania kształtek z masy stanowiącej otręby zbożowe wymieszane z polilaktydem. Próby przeprowadzono z zastosowaniem polilaktydu (PLA) o różnych typach, najbardziej zbadanych, w odniesieniu do których znane są warunki przetwórstwa, w tym: PLA 2500HP, PLA 2500HP, PLA 2500HP, PLA 2500HP, PLA 3251D, PLA 3251D, PLA 3251D, PLA 3251D, PLA 3260HP, PLA 3260HP, PLA 3260HP oraz PLA 3260HP. Z wytworzonych dwuskładnikowych kompozytów podjęto próbę wtryśnięcia materiału do przygotowanej formy przy użyciu wtryskarki i wytworzenia próbnych kształtek (wyprasek). Zawartość polilaktydu powodowała jednak, iż otrzymane kształtki, pomimo iż posiadały dobre walory estetyczne, nadal jednak pozostawały stosunkowo kruche.

Stwierdzono, że w celu uzyskania przetworzenia polilaktydu z otrębami zbożowymi konieczne może być dokładne wysuszenie otrąb, które pierwotnie zawierają od kilku do kilkunastu procent wody. Nieoczekiwanie okazało się, iż po dokładnym wysuszeniu otrąb wytwarzane metodą wtrysku kształtki z kompozytów polilaktydowych zawierających otręby zbożowe charakteryzują się bardzo dobrą wytrzymałością mechaniczną. Dotychczasowa kruchość materiału z otrąb z zawartością polilaktydu spowodowana była bowiem degradacją termiczno-mechaniczną katalizowaną przez małocząsteczkowe produkty rozpadu polilaktydu w wyniku jego hydrolizy, co miało miejsce przy obecności wilgoci z otrąb.

Pomyślne próby przetwórstwa poprzez wytłaczanie i wtryskiwanie kompozytów dwuskładnikowych umożliwiły przeprowadzenie dalszych prac badawczych związanych z wprowadzeniem do osnowy polimerowej każdego z kompozytów składników dodatkowych. W dalszych próbach do każdego rodzaju kompozytu dodawano zatem również do 5% wagowych środka o właściwościach antyblok ingowych i rozjaśniających (SUKANO PLA dc S511) oraz do 5% wagowych środka modyfikującego udarność tworzywa (Biomax® Strong 120).

W celu poprawienia właściwości przetwórczych kompozytów, a głównie celem obniżenia momentu obrotowego silnika wytłaczarki oraz w celu poprawy właściwości optycznych tworzywa, a głównie uzyskania efektu większej przezroczystości, do dwuskładnikowego kompozytu zawierającego wysuszone otręby zbożowe oraz polilaktyd (PLA) dodano środek o właściwościach antyblokingowych i rozjaśniających. Pierwsze próby technologiczne związane z tym składnikiem prowadzono przy jego zawartości do 1% wagowych. Następnie zwiększano jego ilość maksymalnie do 5% wagowych. Okazało się, że ilości większe niż 2% wagowych są mniej korzystne z uwagi na zbyt intensywnie właściwości poślizgowe kompozytu z dodatkiem tego składnika, co objawiało się niestabilnością procesu wytłaczania oraz dużymi zmianami momentu obrotowego. W rezultacie przeprowadzonych prób ustalono, że korzystnie ilość tego składnika powinna wynosić do 2% wagowych, co powoduje zmianę (poprawę) właściwości przetwórczych i optycznych kompozytu. W efekcie wykonanych prac badawczych uzyskano kompozyty trójskładnikowe.

Postanowiono również wytworzyć kompozyty czteroskładnikowe zawierające, oprócz wysuszonych otrąb zbożowych, polilaktydu (PLA) oraz środka o właściwościach antyblokingowych i rozjaśniających, dodatkowo także tzw. modyfikator udarności. Ze stanu techniki ujawnionego w literaturze wiadomo, że w zależności od rodzaju modyfikatora udarności można go dodawać w ilości nie większej niż 10% wagowych. Większe ilości nie są korzystne głównie ze względu na jego wysoka cenę. Wykonano próby wytworzenia kompozytów czteroskładnikowych z różną ilością modyfikatora udarności. Do trójskładnikowego kompozytu zawierającego wysuszone otręby zbożowe, polilaktyd (PLA) oraz środek o właściwościach antyblokingowych i rozjaśniających, dodawano modyfikator udarności w ilości od 0,1% do 10%

PL 230 037 B1 wagowych. Na podstawie przeprowadzonych prób stwierdzono, że większe niż 3% wagowych ilości modyfikatora udarności powodują pogorszenie właściwości optycznych wyrobu z tego kompozytu, co niweluje efekt uzyskany poprzez wprowadzenie do osnowy polimerowej środka antyblokingowego i rozjaśniającego. Ponadto stwierdzono, iż ilości do 5% wagowych modyfikatora udarności powodują poprawę właściwości wytworzonego tworzywa. Kompozyty wytworzone z jego udziałem mają poprawioną kruchość, a w rezultacie kształtki uzyskane z tworzywa (wypraski, sztuce) w mniejszym stopniu ulegają pękaniu.

Ponadto przeprowadzono udane próby wytworzenia kompozytów dwuskładnikowych, trójskładnikowych oraz czteroskładnikowych z dodatkami smakowymi, zapachowymi i barwiącymi.

Uzyskany materiał każdorazowo przebadano pod kątem możliwości jego zastosowania do wytwarzania kształtek metodą wtrysku. Zbadano masowy wskaźnik szybkości płynięcia (MFR) każdego wytworzonego kompozytu w celu zapobiegnięcia nieprzewidzianych problemów reologicznych podczas procesu wtryskiwania. Wyniki badań MFR wykazały, iż wszystkie kompozyty polilaktydowe z wysuszonych otrąb zbożowych, zawierające od 0,01% do 50% wagowych otrąb i polilaktydów w odniesieniu do których znane są warunki ich przetwórstwa oraz z dodatkiem środków antyblokingowych i rozjaśniających, środka modyfikującego udarność tworzywa, a ponadto środków smakowych, zapachowych oraz barwiących, wykazują stabilne płynięcie w wytłaczarkach. Wszystkie próby wtryskiwania przebiegły dobrze, proces byt stabilny, a otrzymane kształtki były bardzo dobrej jakości wizualnej.

Materiał do wytwarzania biodegradowalnych kształtek, zwłaszcza sztućców, stanowiący kompozyt polilaktydowy zawierający produkty przemiału zbóż oraz ewentualnie do 10% wagowych mieszaniny substancji smakowych i/lub zapachowych i/lub dodatków barwiących, i/lub środka właściwościach antyblokingowych i rozjaśniających, i/lub środka modyfikującego udarność tworzywa, charakteryzuje się tym, że składa się z zasadniczego polilaktydu wymieszanego z 0,01 % do 50% wagowych sypkich otrąb, zwłaszcza pszennych stanowiących wyselekcjonowaną z otrąb frakcję od 0,01 mm do 2,80 mm zawierających od 0,01% do 7% wody związanej strukturalnie w postaci wilgoci lub wymieszanego z granulatem z otrąb, zwłaszcza pszennych, o wielkości granul od 0,1 mm do 10 mm, zawierających od 0,01% do 7% wody związanej strukturalnie w postaci wilgoci.

Stwierdzono, iż uzyskany materiał nie powoduje blokowania wtryskarek, a tym samym brak konieczności planowania częstych przestojów technologicznych związanych z koniecznością czyszczenia wtryskarek. W dalszych próbach technologicznych wytworzono kilkadziesiąt rodzajów próbek różniących się parametrami ich wytwarzania. Z wytworzonych kompozytów w procesie wtryskiwania otrzymano między innymi kształtki noża, widelca i łyżki o bardzo dobrej wytrzymałości mechanicznej i pożądanej estetyce. Dzięki możliwości stosowania materiału w dostępnych wtryskarkach, możliwe jest jego przemysłowe zastosowanie i natychmiastowe wdrożenie do produkcji. Wszystkie rodzaje kompozytów (dwuskładnikowe, trójskładnikowe oraz czteroskładnikowe) są w pełni biodegradowalne.

Kształtki wytwarzane z uzyskanego nowego materiału według wynalazku stanowią elementy całkowicie biodegradowalne bez konieczności stosowania substancji wspomagających biodegradację.

Claims (2)

1. Materiał do wytwarzania biodegradowalnych kształtek, zwłaszcza sztućców, stanowiący kompozyt polilaktydowy zawierający produkty przemiału zbóż oraz ewentualnie do 10% wagowych mieszaniny substancji smakowych i/lub zapachowych, i/lub dodatków barwiących, i/lub środka o właściwościach antyblokingowych i rozjaśniających, i/lub środka modyfikującego udarność tworzywa, znamienny tym, że składa się z zasadniczego polilaktydu wymieszanego z 0,01% do 50% wagowych sypkich otrąb, zwłaszcza pszennych stanowiących wyselekcjonowaną z otrąb frakcję od 0,01 mm do 2,80 mm, zawierających od 0,01% do 7% wody związanej strukturalnie w postaci wilgoci.

2. Materiał do wytwarzania biodegradowalnych kształtek, zwłaszcza sztućców, według zastrz. 1, znamienny tym, że produkty przemiału zbóż stanowią w ilości od 0,01% do 50% wagowych otręby, zwłaszcza pszenne w postaci granulatu o wielkości granul od 0,1 mm do 10 mm, zawierających od 0,01% do 7% wody związanej strukturalnie w postaci wilgoci.