CN102140185A - 可生物降解的地膜和制备该地膜的方法 - Google Patents

可生物降解的地膜和制备该地膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可生物降解的地膜，以热塑性淀粉、可生物降解聚合物和辅助性成分为原料，经螺旋挤出设备和制膜设备加工而成。包含：25-70％(重量)的热塑性淀粉；15-40％(重量)的可生物降解聚合物；3-8％(重量)的相容改性成分；3-6％(重量)的纳米无机增强成分；2-15％(重量)的复合增塑成分；5-20％(重量)的润滑成分；0-3％(重量)的活性剂；本发明还涉及制备该地膜的方法。

Description

可生物降解的地膜和制备该地膜的方法
所属技术领域
本发明涉及一种可生物降解的地膜和制备该地膜的方法。
背景技术
目前，塑料因其质量轻、强度高、化学性能稳定及廉价等优点而在许多领域广泛发展，比如农用地膜。但由于用过的塑料地膜尚没有妥善的处理方法，塑料垃圾对自然环境的污染越来越严重，对人类生存的危害也越来越严重。非降解塑料地膜大多是由低密度聚乙烯(LDPE)和线性低密度聚乙烯(LLDPE)制成的，其次是由高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)和聚氯乙烯(PVC)制成的，这些塑料地膜一般都作为固体废料处理掉，致使在空气中形成酸雨等污染物，对我们的生活造成危害。具体的说，塑料等固体垃圾的丢弃会污染环境，深埋会侵占土地，烧毁则会污染空气。而且在自然环境中，聚乙烯塑料自身难以分解，散落在土壤和自然环境中，破坏了土壤结构，对农田造成危害和污染，使地力逐年减弱、农作物产量降低。
发明内容
为了解决传统非降解塑料地膜污染环境，破坏土壤结构的问题，本发明的第一个目的在于提供一种生物降解性好并且应用性能好的可生物降解的地膜。
本发明的第二个目的在于提供一种可生物降解的地膜的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用可以降解的聚烃基脂肪酸酯(PHA)生物降解塑料为基本原料，添加有机质，经过特殊工艺制成可生物降解的地膜。该地膜可以被数种水生细菌降解成水、二氧化碳和有机质，所以不会对环境造成污染。具体地说该生物降解地膜以热塑性淀粉、可生物降解聚合物和辅助性成分为原料，经螺旋挤出设备和制膜设备加工而成。
按照本发明的一个方面，本发明提供了一种可生物降解的地膜，包含：
5-70％(重量)的热塑性淀粉；
15-40％(重量)的可生物降解聚合物；
3-8％(重量)的相容改性成分；
3-6％(重量)的纳米无机增强成分；
2-15％(重量)的复合增塑成分；
5-20％(重量)的润滑成分；
0-3％(重量)的活性剂。
按照本发明的另一方面，本发明提供了一种制备可生物降解的地膜的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将相容改性成分、复合增塑成分、润滑成分及活性剂高速混合机中搅拌10-15分钟，混合成均匀的混溶体，并控制其ph值在10.5-13之间。
(2)通过计量泵和失重式计量喂料器将步骤(1)得到的混溶体组分、热塑性淀粉、可生物降解聚合物加入双螺杆挤出机中，进行混炼和挤出。具体的步骤是该混合物在双螺杆挤出机中的喂料区、熔融共混区、共混剪切区、共混捏合区、塑化推进区以及增压挤出区中分别被输送、分散、汇合、加热熔融、剪切粉碎、挤压捏合、接枝共混、排挥、增稠、以及增压输出。其中喂料区的温度控制在95-150℃，熔融共混区的温度控制在130-175℃，共混剪切区的温度控制在140-195℃，共混捏合区的温度控制在130-185℃，塑化推进区的温度控制在110-180℃，增压挤出区的温度控制在115-185℃。经模头部分挤出的物料条经水冷、风冷，用切粒机制得生物降解塑料粒子。
(3)将制得的粒料在吹膜机组上吹塑成膜，机筒段温度控制在160-200℃，模头挤出温度控制在180-220℃。
本发明的有益效果是，该地膜具有良好的保温性，保湿性，可以使农产品增产幅度达到10％-20％。该地膜在完成正常保墒功能后，完全被水生细菌降解为二氧化碳，水和有机质，不但能提高土壤肥力，而且不会对环境造成污染。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
具体地，本发明涉及一种可生物降解的地膜，包括：
5-70％(重量)的热塑性淀粉；
15-40％(重量)的可生物降解聚合物；
3-8％(重量)的相容改性成分；
3-6％(重量)的纳米无机增强成分；
2-15％(重量)的复合增塑成分；
5-20％(重量)的润滑成分；
0-3％(重量)的活性剂。
按照本发明，所述的热塑性淀粉为细度大于100的普通工业淀粉，包括玉米淀粉、马铃薯淀粉、红薯淀粉和木薯淀粉，以及改性淀粉。
按照本发明，所述的可生物降解聚合物为聚羟基脂肪酸酯(PHA)。
按照本发明，所述的相容性成分为马来酸酐；改性成分为有机硅纯硅酮。
按照本发明，所述的纳米无机增强成分为纳米碳酸钙(Nano-CaCO3)、纳米氧化铝(Nano-Al2O3)。
按照本发明，所述的复合增塑成分为邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、磷酸三甲酚酯等。
按照本发明，所述的润滑成分为硬脂酸及其钙镁盐。
按照本发明，所述的离子活性剂为烷基磺酸盐类、烷基苯磺酸类活性剂；非离子活性剂为脂肪酸聚氧乙烯酯类、烷基酚聚氧乙烯醚类活性剂。
本发明的可生物降解地膜具有如下长处：
(a)易于加工成型：以通用塑料加工设备吹膜，工艺易于控制，制备方法简单、灵活，加工成型性能好。
(b)机械性能好：物理机械性能与各种相应的地膜相近。
(c)降解性能好：由于热塑性淀粉含量高及其他可降解的添加剂比例大，生物降解的性能非常优越。
(d)由于各组分均匀分散，在淀粉与PHA被降解后，残余物变成水、二氧化碳和有机质。因此，残余物不会破坏土壤的毛细作用，相反还会增加土壤的透气性，增加土壤的肥力。
按照本发明的另一方面，本发明涉及一种制备可生物降解的地膜的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将相容改性成分、复合增塑成分、润滑成分及活性剂在高速混合机中搅拌10-15分钟，混合成均匀的混溶体，并控制其ph值在10.5-13之间。
(2)通过计量泵和失重式计量喂料器将步骤(1)得到的混溶体组分、热塑性淀粉、可生物降解聚合物加入双螺杆挤出机中，进行混炼和挤出。具体的步骤是该混合物在双螺杆挤出机中的喂料区、熔融共混区、共混剪切区、共混捏合区、塑化推进区以及增压挤出区中分别被输送、分散、汇合、加热熔融、剪切粉碎、挤压捏合、接枝共混、排挥、增稠、以及增压输出。其中喂料区的温度控制在95-150℃，熔融共混区的温度控制在130-175℃，共混剪切区的温度控制在140-195℃，共混捏合区的温度控制在130-185℃，塑化推进区的温度控制在110-180℃，增压挤出区的温度控制在115-185℃。经模头部分挤出的物料条经水冷、风冷，用切粒机制得生物降解塑料粒子。
(3)将制得的粒料在吹膜机组上吹塑成膜，机筒段温度控制在160-200℃，模头挤出温度控制在180-220℃。
按照本发明方法，所述的热塑性淀粉为细度大于100的普通工业淀粉，包括玉米淀粉、马铃薯淀粉、红薯淀粉和木薯淀粉，以及改性淀粉。
按照本发明方法，所述的可生物降解聚合物为聚羟基脂肪酸酯(PHA)。
按照本发明方法，所述的相容性成分为马来酸酐；改性成分为有机硅纯硅酮。
按照本发明方法，所述的纳米无机增强成分为纳米碳酸钙(Nano-CaCO3)、纳米氧化铝(Nano-Al2O3)。
按照本发明方法，所述的复合增塑成分为邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、磷酸三甲酚酯等。
按照本发明方法，所述的润滑成分为硬脂酸及其钙镁盐。
按照本发明方法，所述的离子活性剂为烷基磺酸盐类、烷基苯磺酸类活性剂；非离子活性剂为脂肪酸聚氧乙烯酯类、烷基酚聚氧乙烯醚类活性剂。
为了更好地试验本发明的PHA降解组合物的降解效果，采用得到的本发明的PHA组合物粒子吹塑成薄膜作为地膜(以下称为降解膜)，与普通地膜进行如下试验。
(1)保温性测定：
以普通膜作为对照，观测地表下15cm处的地温。并观测覆盖本发明的降解膜和露地的地温。结果是降解膜的保温性和普通膜相比，地温温差在0-0.6℃之间，差异不大；降解膜和普通膜相比，早晨未出太阳时，保温效果在0.8-4.5℃之间，中午时的保温效果在5.6-11.2℃之间。
(2)保水性测定
测定地下0-15cm处的含水量，结果是降解膜为14.65％，普通膜为11.88％，露地是8.5％。
(3)降解膜的自然降解试验
A、暴露于地表的降解试验
降解66天后，地膜崩裂成大块，大的约为12.2×10cm2，小的约为5.2×3.2cm2，强度约降低75％。
降解98天后，地膜变成大小不一的碎片，大的约为2.5×1.6cm2，小的约为0.5×0.3cm2，强度很弱无法检测。
降解128天后，碎片尺寸变化不大，但变得更薄，手轻轻用力就会裂成更小的碎片。
B、埋入士里7cm处的降解试验
降解98天后，膜表面变皱，被土壤中的水生细菌降解成大小不一的孔洞，大的约14×12mm2，小的如针眼。
降解128天后，孔洞数量增加，大的约24×9mm2，小的如针眼，且有许多1mm2左右的孔洞。
降解150天后，孔洞数量增加，大的约30×10mm2，并出现局部连续孔洞。
降解188天后，地膜明显变薄，孔洞数量增加，大的约32×12mm2。
由以上各项试验可以看出，本发明的PHA生物降解塑料制成的地膜的保温性和保水性达到了一般地膜的效果，并且还具有良好的自然降解效果，这一点是普通地膜不具备的。
以下将通过实施例详细描述本发明。
实施例1
按如下配方制备热塑性淀粉降解组合物
成分                        用量(克)
热塑性淀粉                  67
磷酸三甲酚酯                0.5
聚羟基脂肪酸酯            30.4
纳米碳酸钙                2
硬脂酸锌                  0.1
总计                      100
将热塑性淀粉、纳米碳酸钙、硬脂酸锌用高速搅拌机均匀搅拌后，再用真空吸料将料置入粉料喂料机，通过失重式计量喂料机加入双螺杆挤出机。将聚羟基脂肪酸酯置入粉料喂料机，通过失重式计量喂料机加入双螺杆挤出机。将磷酸三甲酚酯、相容剂、改性剂、活性剂均匀混合后通过计量泵将制得的液体加入到双螺杆挤出机中。双螺杆挤出机转速为120-560rpm，扭矩为450-3600Nm，控制各区温度为：其中喂料区的温度为95-150℃，熔融共混区的温度为130-175℃，共混剪切区的温度为140-195℃，共混捏合区的温度为130-185℃，塑化推进区的温度为110-180℃，增压挤出区的温度为115-185℃。经模头部分挤出的物料条经水冷、风冷，用切粒机制得浅黄色至白色的半透明粒子，其各种性能标列于表一。
表一
  外观   浅黄色，半透明
  密度   g/cm3   1.05-1.08
  水分   ％   0.8-1.6
粒度 ％   通过4号筛孔99％
  熔体流动速率   g/10分钟   0.8-1.6
  杂质   ＜个/cm3   4
  拉伸强度(纵/横) Mpa ＞12
  断裂伸长度(纵/横)   ％   》142
  直角撕裂   N/mm   ＞40
然后再将这些生物降解塑料粒子放入制膜设备中加工成各种生物降解地膜。该生物降解地膜具有拉伸强度高，厚薄均匀，覆盖面积大，收卷整齐，平整，保温，保湿性能好等特点，可以有效地促进农作物增长，并且可以被水生细菌降解成二氧化碳，水和有机质，不会对环境造成污染，从而解决了日益严重的“白色污染”之害。

Claims (17)

1.一种可生物降解的地膜，包含：
5-70％(重量)的热塑性淀粉；
15-40％(重量)的可生物降解聚合物；
3-8％(重量)的相容改性成分；
3-6％(重量)的纳米无机增强成分；
2-15％(重量)的复合增塑成分；
5-20％(重量)的润滑成分；
0-3％(重量)的活性剂。
2.如权利要求1所述的地膜，其中所述的热塑性淀粉为细度大于100的普通工业淀粉，包括玉米淀粉、马铃薯淀粉、红薯淀粉和木薯淀粉，以及改性淀粉。
3.如权利要求1所述的地膜，其中所述的可生物降解聚合物为聚羟基脂肪酸酯(PHA)。
4.如权利要求1所述的地膜，其中所述的相容性成分为马来酸酐；改性成分为有机硅纯硅酮。
5.如权利要求1所述的地膜，其中所述的纳米无机增强成分为纳米碳酸钙(Nano-CaCO3)、纳米氧化铝(Nano-Al2O3)。
6.如权利要求1所述的地膜，其中所述的复合增塑成分为邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、磷酸三甲酚酯等。
7.如权利要求1所述的地膜，其中所述的润滑成分为硬脂酸及其钙镁盐。
8.如权利要求1所述的地膜，其中所述的活性剂包括离子性活性剂和非离子性活性剂。
9.如权利要求8所述的地膜，其中所述的离子活性剂为烷基磺酸盐类、烷基苯磺酸类活性剂；非离子活性剂为脂肪酸聚氧乙烯酯类、烷基酚聚氧乙烯醚类活性剂。
10.可生物降解的地膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将相容改性成分、复合增塑成分、润滑成分及活性剂在高速混合机中搅拌10-15分钟，混合成均匀的混溶体，并控制其ph值在10.5-13之间。
(2)通过计量泵和失重式计量喂料器将步骤(1)得到的混溶体组分、热塑性淀粉、可生物降解聚合物加入双螺杆挤出机中，进行混炼和挤出。具体的步骤是该混合物在双螺杆挤出机中的喂料区、熔融共混区、共混剪切区、共混捏合区、塑化推进区以及增压挤出区中分别被输送、分散、汇合、加热熔融、剪切粉碎、挤压捏合、接枝共混、排挥、增稠、以及增压输出。其中喂料区的温度控制在95-150℃，熔融共混区的温度控制在130-175℃，共混剪切区的温度控制在140-195℃，共混捏合区的温度控制在130-185℃，塑化推进区的温度控制在110-180℃，增压挤出区的温度控制在115-185℃。经模头部分挤出的物料条经水冷、风冷，用切粒机制得生物降解塑料粒子。
(3)将制得的粒料在吹膜机组上吹塑成膜，机筒段温度控制在160-200℃，模头挤出温度控制在180-220℃。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述的热塑性淀粉为细度大于100的普通工业淀粉，包括玉米淀粉、马铃薯淀粉、红薯淀粉和木薯淀粉，以及改性淀粉。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述的可生物降解聚合物为聚羟基脂肪酸酯(PHA)。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述的相容性成分为马来酸酐；改性成分为有机硅纯硅酮。
14.如权利要求10所述的方法，其中所述的纳米无机增强成分为纳米碳酸钙(Nano-CaCO3)、纳米氧化铝(Nano-Al2O3)。
15.如权利要求10所述的方法，其中所述的复合增塑成分为邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、磷酸三甲酚酯等。
16.如权利要求10所述的方法，其中所述的润滑成分为硬脂酸及其钙镁盐。
17.如权利要求10所述的方法，其中所述的离子活性剂为烷基磺酸盐类、烷基苯磺酸类活性剂；非离子活性剂为脂肪酸聚氧乙烯酯类、烷基酚聚氧乙烯醚类活性剂。
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