PL240570B1 - Sposób wytwarzania kompozycji polimerowej z przeznaczeniem na opakowanie oraz sposób wytwarzania kompozytu przeznaczonego na opakowania z kompozycji otrzymanej tym sposobem - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania kompozycji z przeznaczeniem na opakowanie który polega na tym, że do 35 - 45 cz. wag. wody destylowanej, wprowadza się żelatynę w ilości od 35 do 40 cz. wag. i całość miesza się w temperaturze 50-55°C aż do całkowitego rozpuszczenia żelatyny, a następnie wprowadza się glicerynę w ilości od 14 do 20 cz. wag., po czym do mieszaniny wprowadza się substancję ograniczającą palność w ilości od 2 do 5 cz. wagowych zmieszaną uprzednio z wodą destylowaną w stosunku 1:1, po czym miesza się zachowując powyższą temperaturę, aż do otrzymaniu jednolitej masy. Sposób wytworzenia kompozytu przeznaczonego na opakowania z kompozycji otrzymanej tym sposobem polega na tym, że kompozycję formuje się w kształcie płyt poprzez prasowanie prasą hydrauliczną lub formuje się metodą termoformowania do pożądanego kształtu.

Description

PL 240 570 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kompozycji polimerowej z przeznaczeniem na opakowania, zwłaszcza na opakowania termostabilne jak np. opakowania na świeczki typu tealight oraz sposób wytwarzania kompozytu przeznaczonego na opakowania z kompozycji otrzymanej tym sposobem.

Obecne na rynku opakowania termostabilne (zachowujące swój kształt w podwyższonej temperaturze) na przykład na świeczki, zwłaszcza świeczki typu tealight, są wykonane z aluminium, szkła lub tworzyw syntetycznych niedegradowalnych. Tworzywa syntetyczne niedegradowalne to przede wszystkim polietylen PE i polipropylen PP. W zależności od ciężaru produktu stosowany jest polietylen o niskiej LDPE lub wysokiej gęstości HDPE. Większą giętkością, łatwiejszymi odkształceniami, mniejszą wytrzymałością na rozciąganie cechuje się polietylen o niskiej gęstości. Polipropylen jest bardziej sztywny i twardszy niż PE, ale za to może być transparentny, co stanowi dodatkowy atut estetyczny w produktach. PP zapewnia wysoce ochronną barierę przed wilgocią i oparami. W odróżnieniu od PE, polipropylen ma wysoką temperaturę topnienia, dzięki czemu jest giętki po podgrzaniu powyżej pewnej temperatury, ale po ochłodzeniu powraca do stanu stałego. Żaden z nich niestety nie jest degradowany w środowisku naturalnym. Modyfikacja PP czy PE np. skrobią modyfikowaną lub tym podobnymi biopolimerami, prowadzi w końcowym efekcie uzyskanych produktów jedynie do ich defragmentaryzacji w środowisku, a nie do pełnej degradacji tworzyw syntetycznych takich jak PP czy PE, co stwarza kumulację w środowisku szkodliwych produktów stałych jak i lotnych procesu rozkładu modyfikowanych tworzyw syntetycznych.

Narastające zużycie surowców nieodnawialnych do produkcji różnego rodzaju tworzyw syntetycznych np. PP, PE, niesie za sobą nie tylko konsekwencje braku tych surowców z czasem, ale także olbrzymie ilości powstających w wyniku popytu na produkty spożywcze, kosmetyczne, medyczne itp. odpadów tworzyw polimerowych. Prowadzone są intensywne badania nad wykorzystaniem biomasy surowców odnawialnych, do produkcji tego typu opakowań.

Na świecie, jak podaje CHEMIK 2013, 67, 3, 214-219, w 2011 r. produkcja tworzyw sztucznych wzrosła o 10 mln t i osiągnęła poziom ok. 280 mln t. W Europie wytwarza się 22% światowej produkcji tworzyw. Zapotrzebowanie europejskich przetwórców na tworzywa wzrosło do 47 mln t, co daje z roku na rok średnio wzrost o 1,1% w porównaniu z ubiegłymi latami. Produkcja tworzyw sztucznych w Polsce tylko w części zaspokaja potrzeby rynku, a Polska jest dużym importerem netto tworzyw sztucznych. W związku z powyższym dąży się do tego, aby materiały były biodegradowalne oraz bioresorbowalne.

W przemyśle farmaceutycznym znane są biodegradowalne, dobrze rozpuszczające się kapsułki żelowe wykonane na bazie biopolimeru żelatyny lub skrobi. Materiały żelowe i hydrożelowe najczęstsze zastosowania znajdują w medycynie, jako opatrunki hydrożelowe czy też wspomniane wcześniej miękkie lub twarde kapsułki. Z amerykańskiego zgłoszenia patentowego US4744988A znana jest miękka kapsułka żelatynowa zbudowana z żelatyny i plastyfikatora. Otoczka kapsułki zawiera od 4 do 40% wagowych sorbitalu; co najmniej 50% wagowych glikolu polietylenowego lub polipropylenowego, o średniej masie cząsteczkowej 600, stanowiącego czynnik rozpuszczający lek. Wypełnienie kapsułki zawiera do 20% wagowych glicerolu i/lub glikolu 1,2-propylenowego. Właściwości te, sprawiają, że materiał ten, może być wystarczająco elastyczny i wytrzymały oraz niewchodzący w reakcje z substancją leczniczą wypełniającą kapsułkę.

Z amerykańskiego zgłoszenia patentowego US5554385A znana jest osłonka kapsułki żelatynowej, w której część żelatyny jest zastąpiona skrobią o wysokiej zawartości amylozy, aby zapewnić suchą osłonkę kapsułki, zawiera od 3 do 60% wagowych wysokiej jakości skrobi amylozowej, w której zawartość amylozy w skrobi wynosi co najmniej 50%, a korzystnie 90%. Kapsułki według tego wynalazku mają teksturowane matowe lub satynowe wykończenie, które nie powoduje sklejenia się ze sobą, tworząc wytrzymałe połączenie, są odporne na zmiany kształtu i są bardziej ekonomiczne w wytwarzaniu.

W amerykańskim zgłoszeniu US3865603A ujawniono kompozycje tworzące błonę żelatynową, zawierające od 40 do 97 procent wagowych żelatyny i od 3 do 60 procent wagowych pewnych pochodnych skrobi wybranych spośród chemicznie modyfikowanych skrobi płynnych. Kompozycje żelatynowe są przydatne w foliach, kapsułkach i powłokach ochronnych.

Ponadto w amerykańskim zgłoszeniu patentowym US5620757A opisane są nadające się do zgrzewania jadalne folie zawierające co najmniej warstwę foliową zawierającą rozpuszczalny w wodzie polisacharyd jako główny składnik lub zawierającą co najmniej warstwę folii zawierającą kazeinę, białko sojowe lub połączenie białka soi i żelatyny, jako główny składnik. Korzystnie, rozpuszczalny w wodzie polisacharyd składa się głównie z karagenu, a warstwa folii dodatkowo zawiera wielowodorotlenowy alkohol. Te jadalne folie są przydatne w uszczelnianiu lub pakowaniu sproszkowanej żywności, granulowanej żywności, suchej stałej żywności, tłustej żywności i tym podobnych produktów.

PL 240 570 B1

Powłokotwórcze właściwości są istotne, ale od kompozycji mających mieć zastosowanie do wytwarzania termostabilnych opakowań, jak np. dla świeczek wymaga się także większej stabilności termicznej i ograniczenia palności.

W celu ograniczenia palności stosuje się środki z grupy tzw. antypirenów, retardantów palenia etc [Materials Science and Engineering: R: Reports, 2009, 63, 3, 29, 100]. Retardanty palenia, ang. FR - flame retardant, inaczej środki opóźniające palenie, opóźniacze palenia albo antypireny, są to związki chemiczne lub ich mieszaniny, które opóźniają proces zapalenia się oraz wpływają na spowolnienie szybkości reakcji pirolizy lub utleniania się polimerów/tworzyw podczas kontaktu z płomieniem. W obecnych czasach z uwagi na wymogi dyrektyw europejskich wybiera się bezhalogenowe retardanty palenia nieorganiczne wodorotlenki, np. glinu lub magnezu; związki nieorganiczne i organiczne fosforu, polifosforany w tym fosforany, fosfoniany, czerwony fosfor; związki azotu, w tym melamina i jej sole; związki krzemu, mineralne i syntetyczne, w tym modyfikowane nanonapełniacze glinokrzemianowe. Szczególną pozycję na rynku bezhalogenowych retardantów palenia zajmują związki fosforu i azotu, w tym polifosforany [ECHA European Chemicals Agency, Justifcation for the draft recommendation of inclusion in annexXIV, Substance name: Hexabromocyclododecane (HBCDD) and allmajor diastereoisomers identified, 14.01.2009]. Najbardziej popularnym i najlepiej opisanym wśród nich jest polifosforan amonu; do mniej popularnych rynkowo, ale o rosnącym znaczeniu, należą sole melaminy.

Celem wynalazku jest zapewnienie termostabilności przy jednoczesnej biodegradowalności, opakowań przeznaczonych zwłaszcza na świeczki, jak np. świeczki typu tealight.

Pierwszym aspektem wynalazku jest sposób wytwarzania kompozycji z przeznaczeniem na opakowanie polegający na tym, że do 35-45 cz. wag. wody destylowanej, wprowadza się żelatynę w ilości od 35 do 40 cz. wag. i całość miesza się w temperaturze 50-55°C aż do całkowitego rozpuszczenia, a następnie wprowadza się glicerynę w ilości od 14 do 20 cz. wag, po czym do mieszaniny wprowadza się substancję ograniczającą palność w ilości od 2 do 5 cz. zmieszaną uprzednio z wodą destylowaną w stosunku 1:1, po czym miesza się zachowując powyższą temperaturę, aż do otrzymania jednolitej masy.

Korzystnie stosuje się glicerynę bezwodną o gęstości 1,26 g/ml (20°C).

Korzystnie, stosuje się substancję ograniczającą palność w ilości 3 cz. wag. przy czym korzystnie jest fosforan melaminy albo fosfor czerwony.

Korzystnie po wprowadzeniu substancji ograniczającej palność dodaje się barwnik, zwłaszcza barwnik naturalny, w ilości od 0,01-0,02 cz. wag. Zaleca się wprowadzać do mieszaniny barwnik w formie zawiesiny wodnej zawierającej 0,01 cz. wag. barwnika oraz 0,5 cz. wag. wody.

Korzystnie po dodaniu gliceryny wprowadza się do mieszaniny 5 - cz. wag. wodnego roztworu skrobi, korzystnie skrobi naturalnej, z wodą w stosunku 1:1 w formie kleiku skrobiowego.

Korzystnie po dodaniu gliceryny wprowadza się do mieszaniny od 2 do 5 cz. wagowych kazeiny zawieszonej w 0,1M roztworze NaOH w stosunku 1:3.

Zaleca się po, otrzymaniu jednolitej masy stabilizować wytworzoną kompozycję w komorze termicznej, dzięki czemu po obróbce formowania uzyskuje się kompozyty o najlepszych cechach użytkowych np. bez pęcherzy i defektów strukturalnych. Korzystnie, stabilizację w komorze termicznej prowadzi się przez 48 godz., w temperaturze. 55-60°C i ciśnieniu p=1 atm., co pozwala na odparowanie nadmiaru wody, której nadmiar negatywnie wpływa na dalszą jej obróbkę tj. formowaniu np. w prasie hydraulicznej.

Kompozycję bezpośrednio po wytworzeniu najlepiej od razu poddać dalszym procesom przetwórczym mającym na celu uzyskanie kompozytu. Jeżeli jednak wytworzona kompozycja nie jest od razu poddawana dalszym procesom przetwórczym, w tym zwłaszcza prasowaniu lub formowaniu, zaleca się ją termostabilizować w zakresie temperatur 5-10°C, co zapobiega rozwijaniu się grzybów i pleśni.

Drugim aspektem wynalazku jest sposób wytworzenia kompozytu przeznaczonego na opakowania z kompozycji otrzymanej sposobem według pierwszego aspektu wynalazku znamienny tym, że kompozycję formuje się w kształcie płyt poprzez prasowanie prasą hydrauliczną lub formuje się metodą termoformowania do pożądanego kształtu, przy czym proces prasowania korzystnie prowadzi się w zakresie temperatur od 90 do 110°C, w czasie od 5 do 10 min oraz ciśnieniu od 10 do 30 bar.

Kompozyt polimerowy wytworzony z kompozycji otrzymanej opisanym powyżej sposobem cechuje się zwiększoną stabilnością termiczną i odpornością na palność, dobrą elastycznością oraz transparentnością. Kompozyt posiada naturalny kolor barwy słomkowej, żółtej, jednakże zastosowanie odpowiedniego barwnika pozwala uzyskanie oczekiwanego zabarwienia.

Kompozyty wytworzone z kompozycji otrzymanej sposobem według wynalazku są także w 100% biodegradowalny spełniając zasadę, że po 6-ciu miesiącach kompostowania całkowicie rozkładane są

PL 240 570 B1 przez mikroorganizmy do CO2 oraz H2O w glebie lub wodzie. Kompozyt po określonym czasie użytkowania może bezpośrednio trafić na wysypiska śmieci czy miejsca składowania kompostu. W trakcie użytkowania kompozyt zachowuje właściwy kształt (kompozyt cechuje się pamięcią kształtu).

Przedmiot wynalazku ilustrują poniższe przykłady.

P r z y k ł a d 1

Kompozycję z przeznaczeniem na opakowanie, zwłaszcza na opakowanie do świeczek, wytworzono w następujący sposób. Do 39 cz. wag. wody destylowanej wprowadzono 37 cz. wag. żelatyny i całość mieszano w temperaturze 50°C, aż do całkowitego rozpuszczenia żelatyny. Następnie wprowadzono glicerynę (glicerynę bezwodną o gęstości 1,26 g/ml (20°C) w ilości 20 cz. wag. celem nadania właściwości elastycznych końcowemu produktowi - kompozytowi wytworzonemu z tej kompozycji. Kolejno do kompozycji wprowadzono substancję ograniczającą palność w postaci fosforanu melaminy w ilości 2 cz. wag., zmieszany uprzednio z 2 cz. wag. wody destylowanej. Możliwe jest także zastosowanie fosforu czerwonego, jako substancji ograniczającą palność. Następnie do mieszaniny wprowadzony został barwnik naturalny w formie zawiesiny wodnej zawierającej barwnik w ilości 0,01 cz. wag. oraz wodę w ilości 0,5 cz. wag.

W dalszej kolejności mieszano kompozycję w temperaturze 50°C, aż do otrzymania jednolitej masy. Po otrzymaniu jednolitej masy kompozycję stabilizowano w komorze termicznej (t=48 godz., Temp. 55°C, p=1 atm.) celem odparowania nadmiaru wody.

Kompozycja po stabilizacji została bezpośrednio wprowadzona do prasy hydraulicznej i metodą prasowania została formowana do kształtu m.in. płyt, uzyskując kompozyt polimerowy. Parametry procesu prasowania to: zakres temperatur 105°C, czas 5 min oraz ciśnienie 20 bar.

Otrzymany kompozyt polimerowy cechuje się zwiększoną stabilnością termiczną i odpornością na palność - oraz transparentnością. Kompozyt w trakcie użytkowania zachowuje pamięć kształtu.

Kompozyt jest w 100% biodegradowalny spełniając zasadę po 6-ciu miesiącach kompostowania całkowicie rozpada się np. pod wpływem działania np. mikroorganizmów do CO2 oraz H2O w glebie lub wodzie.

P r z y k ł a d 2

Kompozycję z przeznaczeniem na opakowanie, zwłaszcza na opakowanie do świeczek, wytworzono tak jak w przykładzie 1, przy czym zastosowano następujące ilości składników:

Żelatyna 38 cz. wag.

Gliceryna 17 cz. wag.

Claims (13)

1. PL 240 570 B1

   FR 3 cz. wag.

   Barwnik 0,01 cz. wag.

   Woda 40 cz. wag.

   Ponadto po dodaniu do mieszaniny gliceryny wprowadzono 5 cz. wag. skrobi naturalnej ziemniaczanej, zawieszonej w wodzie destylowanej w stosunku 1:1 w formie kleiku skrobiowego i mieszano, aż do uzyskania homogennej kompozycji, po czym postępowano dalej jak w przykładzie 1.

   Kompozyt polimerowy cechuje się zwiększoną stabilnością termiczną i odpornością na palność, transparentnością. Skrobia nadaje większą sztywność kompozycji poprzez zwiększenie modułu sprężystości. Kompozyt jest w 100% biodegradowalny spełniając zasadę po 6-ciu miesiącach kompostowania całkowicie rozpada się do CO2 oraz H2O w glebie lub wodzie, w wyniku działania mikroorganizmów. Produkt po określonym czasie użytkowania może bezpośrednio trafić na wysypiska śmieci czy miejsca składowania kompostu.

   Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania kompozycji z przeznaczeniem na opakowanie, znamienny tym, że do 35-45 cz. wag. wody destylowanej, wprowadza się żelatynę w ilości od 35 do 40 cz. wag. i całość miesza się w temperaturze 50-55°C aż do całkowitego rozpuszczenia żelatyny, a następnie wprowadza się glicerynę w ilości od 14 do 20 cz. wag., po czym do mieszaniny wprowadza się substancję ograniczającą palność w ilości od 2 do 5 cz. wagowych zmieszaną uprzednio z wodą destylowaną w stosunku 1:1, po czym miesza się zachowując powyższą temperaturę, aż do otrzymania jednolitej masy.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się glicerynę bezwodną o gęstości 1,26 g/ml (20°C).
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że jako substancję ograniczającą palność stosuje się fosforan melaminy albo fosfor czerwony.
4. 4. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że substancję ograniczającą palność stosuje się w ilości 3 cz. wag.
5. 5. Sposób według dowolnego z zastrz. od 1 do 4, znamienny tym, że po wprowadzeniu substancji ograniczającej palność dodaje się barwnik, korzystnie barwnik naturalny, w ilości od 0,01-0,02 cz. wag.
6. 6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że barwnik wprowadza się w formie zawiesiny wodnej zawierającej 0,01 cz. wag. barwnika oraz 0,5 cz. wag. wody.
7. 7. Sposób według dowolnego z zastrz. od 1 do 6, znamienny tym, że po dodaniu gliceryny wprowadza się do mieszaniny 5 - cz. wag. wodnego roztworu skrobi, korzystnie skrobi naturalnej, z wodą w stosunku 1:1 w formie kleiku skrobiowego.
8. 8. Sposób według dowolnego z zastrz. od 1 do 7, znamienny tym, że po dodaniu gliceryny wprowadza się do mieszaniny od 2 do 5 cz. wagowych, kazeiny zawieszonej w 0,1M roztworze NaOH w stosunku 1:3.
9. 9. Sposób według dowolnego z zastrz. od 1 do 8, znamienny tym, że po otrzymaniu jednolitej masy wytworzoną kompozycję stabilizuje się w komorze termicznej.
10. 10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że stabilizację w komorze termicznej prowadzi się przez 48 godz., w temperaturze. 55-60°C i ciśnieniu p=1 atm.
11. 11. Sposób według dowolnego z zastrz. od 1 do 10, znamienny tym, że po otrzymaniu jednolitej masy wytworzoną kompozycję termostabilizuje się w zakresie temperatur 5-10°C.
12. 12. Sposób wytworzenia kompozytu z kompozycji otrzymanej sposobem według dowolnego z zastrzeżeń od 1 do 11, znamienny tym, że kompozycję według dowolnego z zastrz. od 1 do 11 formuje się w kształcie płyt poprzez prasowanie prasą hydrauliczną lub formuje się metodą termoformowania do pożądanego kształtu.
13. 13. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że proces prasowania prowadzi się w temperaturze od 90 do 110°C, w czasie od 5 do 10 min oraz ciśnieniu od 10 do 30 bar.