CN104985795A - 一种条带式相间拼接农用地膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种条带式相间拼接农用地膜，其由生物降解膜条带和普通聚乙烯膜条带组成，两者交替并排，呈带式相间排列，经熔融共挤一次成型。该地膜产品埋土或被土覆盖部分为生物降解膜，能够在较短的时期内被土壤微生物所降解，与聚乙烯膜的粘接作用保持超过90天即可，所以对生物降解膜的降解速度要求不严格，对生物降解膜选用材料的限制少，且无需添加抗氧剂、抗老化剂，相比地表覆盖的全生物降解膜而言，大大降低了应用成本和风险。

Description

一种条带式相间拼接农用地膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种条带式相间拼接农用地膜及其制备工艺。
背景技术
 塑料薄膜地面覆盖具有“增温、保墒、防草、活土、压碱”五大功能，农用地膜的应用面积和范围逐年增加。由于聚乙烯膜具有优良的透明性、疏水性、抗老化、加工等性能，是应用最为广泛的地膜材料，但普通聚乙烯地膜在土壤中降解需170年以上，大量的地膜累积对环境、作物生长/发育、土壤结构/质地、机械作业进度和质量等方面均造成极大的不利影响，目前我国覆膜农田的地膜残留污染严重，残膜污染治理势在必行。
农业生产中，为使地膜在土壤表面形成一个牢固的密闭空间，地膜两侧约5-15cm宽度的膜被斜埋入土壤中，同时在种植穴（行）及膜上每间隔一定距离覆盖一定厚度的土壤以固定地膜，一段时间后，地膜与潮湿土壤黏粘、缠裹，这部分地膜成为机械化或人工回收的最大障碍，超薄地膜表现尤其严重。为了使聚乙烯地膜能充分回收，当前中国政府拟将地膜国家标准厚度从0.008mm提高到0.01mm或以上，然而加厚膜一旦残留，后果则更严重。
生物降解膜是治理残膜污染的有效途径之一，其能在较短时期内被土壤中的微生物最终降解为CO2和水，但目前，生物降解膜在农业领域大面积应用尚存在价格高、单位面积用量大、降解性能不稳定等弊端，本案仅在埋土及覆土部位局部采用生物降解膜，成本增加不大。
为了回收地膜，公开号为CN 102919087 A，名称为“便于回收的地膜”的专利，其在聚乙烯地膜中沿长度方向设有与覆盖的农作物种植行对应的开启缝，使用孔、撕裂线或撕裂痕对膜进行物理分离。公开号为CN 201821710 U，名称为“一种可回收复用的组合式地膜” 的实用新型，通过联接装置将多段传统塑料薄膜及其边膜进行物理连接和装卸，其适用于小型地块，不便于机械化覆膜、揭膜操作，工作量大，可见两者均采用物理手段分离。
在公开号CN 1711829A中，解景勋公开了一种用于培育秧苗，在不可降解塑料膜的两侧连接有可降解塑料膜的膜，但其对膜的材料、种类及生产连接方式均未提及；宁堂原在公开号为CN 103651021 A、徐静在CN 103733925 A中分别公布了“一种两侧可控全生物降解高效回收地膜”和“一种分条带异步可控全生物降解农用地膜”，两者所提及的可控全生物降解膜均基于下述特定配方：即脂肪族-芳香族聚酯共聚物、聚乳酸、淀粉基生物降解材料按一定比例混合而成，并添加光温降解母料和增容剂。但本案的生物降解材料中杜绝添加任何光温降解母料，反而要降低或抑制生物降解速度过快的问题。宁堂原在CN 103651022 A提出一种中部可控降解农用地膜，其地表覆盖部分为可控降解地膜，两侧为聚乙烯膜，降解后可增加降水入渗和降温，其目的和思路与本案完全相反。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供了一种便于回收、避免地膜残留的条带式相间拼接农用地膜；
本发明的另一目的是提供上述的条带式相间拼接农用地膜的制备工艺。
本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：
一种条带式相间拼接农用地膜，其由生物降解膜条带和普通聚乙烯膜条带组成，两者交替并排，呈带式相间排列，经熔融共挤一次成型。
进一步的，膜的两侧均为生物降解膜条带；优选的，两侧生物降解膜条带宽度为5-20cm，进一步优选8cm-10cm。
进一步的，膜中间为一条普通聚乙烯膜条带或多条普通聚乙烯膜和生物降解膜条带交替排列；优选的，膜中间的生物降解膜宽度为10-50cm，进一步优选20cm；
优选的，生物降解膜与聚乙烯膜的厚度完全一致，优选为0.006-0.020mm，最佳为0.008mm或0.01mm。
优选的，所述生物降解膜由聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚丁二酸/己二酸丁二醇酯共聚物（PBSA）、聚丁二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(PBST)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯（PBAT）、聚己内酯（PCL）、聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHAs）、聚羟基丁酸酯（PHB）、改性PET、含氧化生物降解母料的PE、脂肪族-芳香族共聚酯（AAC）中的一种或几种聚合物混合而成。
或者优选的，所述生物降解膜为淀粉与聚合物的共混材料；优选的，具体为改性淀粉（TPS）、淀粉／乙烯和乙烯醇的共聚物（TPS/EVOH）、淀粉／乙烯-丙烯酸共聚物（TPS/EAA）、淀粉/聚乙烯醇（TPS/PVA）、淀粉/聚己内酯（TPS/PCL）、淀粉/聚乙烯（TPS/PE）塑料中的一种或几种混合。
或者优选的，所述生物降解膜为天然高分子共混物，即天然高分子材料与通用塑料或合成聚酯或生物塑料共混而成；优选的，所述高分子材料为淀粉、纤维素、半纤维素、果胶、甲壳素、蛋白质、木质素、多糖。具体为淀粉、纤维素、半纤维素、果胶、甲壳素、蛋白质、木质素、多糖天然等高分子材料与通用塑料（聚乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯、乙烯/丙烯酸共聚物）或合成聚酯（PBS、PBAT等）或生物塑料（PLA、PCL等）中的一种或几种共混物。
优选的，所述的可生物降解膜材料的熔点、熔融指数和玻璃化温度须与所选用的聚乙烯料相近，需调整原料比例、添加相容剂和熔融指数调节剂及调整工艺参数。
上述的条带式相间拼接农用地膜的制备方法，设备选用多通道环形模头吹膜机或多通道平模头流延机，将普通聚乙烯膜条带的原料和生物降解膜条带的原料分别在两台挤出机中同时独立塑化，再熔融共挤出带式相间拼接农用地膜。
优选的，为避免出现熔接痕（线）或黏粘强度不够，必须满足两种熔融物料到达模唇前混合，同时可将熔接痕处的模唇间隙适当变小。本发明工艺在流道尾端至模唇之间，两种熔融物料进行接触面的融合。
优选的，所采用模头的通道数目，环形模头为4、8、12或16道，平模头为3、5、7或9道。
依据作物种植模式对生物降解膜和PE膜条带宽度的要求选择合适的模头通道数目，环形模头多通道数量可为4、8、12、16道，平模头可为3、5、7、9道，依次为全生物降解材料吹塑通道与聚乙烯吹塑通道，两者交替间隔，各通道的温度、螺杆挤出机转速等参数按照各组成材料的物理特性设置。具体参见附图1-4所述，为本发明产品在吹塑和流延两种生产方式下，聚乙烯基材料与生物降解材料在不同模头中以及在成品中的条带状分布示意图。其中：左侧附图中以黑色填充代表生物降解材料，白色代表聚乙烯基材料，两者之和代表通道数目；圆圈为吹膜机环形模头，横杠为流延挤出机平面模头。右侧附图为地膜成品示意图，膜两侧和中间的灰色条带为降解膜，白色为聚乙烯膜。图1设计适于绝大多数种植模式；图2设计适于一膜1行或2行作物模式；图3设计适于一膜2行或4行种植模式；图4设计适于一膜3行或6行种植模式。
    所述地膜还含有常见的填料、增溶剂、增塑剂和其他助剂，所述填料为2-10%，增塑剂为0-10%，其它助剂为0-5%。相容剂包括P539EP6、马来酸酐、PE蜡、马来酸酐接枝聚乙烯或其它接枝聚烯烃，熔融指数调节剂采用紫润助剂5500或5505、合鑫助剂MY-369。
本发明机理：
本申请的地膜两侧及膜上埋土部分为生物降解膜，能够在土壤中缓慢分解；而宽行间采光部位仍为聚乙烯地膜（厚度0.008mm或以上），透光增温保墒性能不受影响，两者通过共挤吹塑或共挤流延一次性成膜，保留了聚乙烯地膜原有的全部功能。条带式相间拼接膜兼具聚乙烯膜和生物降解膜的优势，即提高聚乙烯地膜的回收率和回收效率，降低残膜污染，又大大降低了降解膜的应用成本和风险。生长季后，聚乙烯膜与生物降解膜之间基本分离，残膜以简单的收卷式机械回收即可。
本发明有益效果：
本发明地膜产品埋土或被土覆盖部分为生物降解膜，能够在较短的时期内被土壤微生物所降解，与聚乙烯膜的粘接作用保持超过90天即可，所以对生物降解膜的降解速度要求不严格，对生物降解膜选用材料的限制少，且无需添加抗氧剂、抗老化剂，相比地表覆盖的全生物降解膜而言，大大降低了应用成本和风险。
本发明地膜使用一定时期后，生物降解膜逐渐被土壤微生物逐渐降解为CO2和H2O，对土壤无残留为害；地表裸露的聚乙烯膜部分，由于没有泥土挤压、覆盖，粘黏，且为条带状，很容易从农田中取出、回收再利用，所以对残膜回收机械的性能要求降低，采用常规的卷膜机即可回收，省却了较为棘手的地膜两侧铲土、挖膜和膜土分离作业，提高了地膜回收效率和回收率。
生物降解膜的宽度占地膜总宽度的比例最低仅二十五分之一（2×5cm/205cm），所占比例可灵活调节，可见，生物降解膜对地膜总成本的增加值可控制在很低范围。普通聚乙烯吹膜机和流延机增加一台挤出机和双层模头后简单改装后即可生产，费用较低，生产工艺较为简单，容易被薄膜生产企业和农户所接受。
附图说明
图1为4通道环形模头或3通道平面模头示意图；
图2为8通道环形模头或5通道平面模头示意图；
图3为12通道环形模头或7通道平面模头示意图；
图4为16通道环形模头或9通道平面模头示意图。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施方式：
    实施例1
    将80份的脂肪族芳香族共聚酯生物降解材料聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯（PBAT），12份的改性淀粉，1.0份HDI扩链剂、3.0份马来酸酐增容剂、2.0份超细碳酸钙粉开口剂、1.5份DSTOP、0.5份的芥酸酰胺爽滑剂进行混合均匀，即可置于其中一台挤出机中直接生产，也可经温度为150℃的高混机内搅拌5min，然后经双螺杆挤出造粒机进行造粒备用。另一台挤出机中放置90份LLDPE，10份的HDPE，2.0份超细碳酸钙粉开口剂、0.5份的芥酸酰胺爽滑剂混匀。
    利用多通道环形模头吹膜机共挤吹膜，依据一膜二行/单行种植模式下作物对生物降解膜和PE膜条带宽度的要求调整模头，环形模头通道数量为4道（参见图1），依次为全生物降解材料吹塑通道与聚乙烯吹塑通道，两者交替间隔，选择模口宽度和环隙为0.2mm左右，使两种熔融物料在模唇区形成反映地膜尺寸的料段，螺杆挤出机螺杆直径Φ120mm，长径比25:1，PBAT加料段温度为105℃，塑化段温度130℃，均化段温度160℃，聚乙烯膜加料段温度140～150℃，中段150～160℃，前段160～170℃，机头温度为160℃，吹胀比为2-3.0，各通道熔体的压力稳定，流速均匀然后按照吹塑工艺要求共挤吹塑出成品，膜厚度为0.008-0.015mm，膜折径为80cm，膜两侧各为15cm的降解膜，中间为50cm的聚乙烯膜，聚乙烯膜与生物降解膜拼接界面处熔接痕少且有足够的强度。
实施例2
    将90份的淀粉/聚乙烯（TPS/PE）氧化生物降解材料，添加3份聚癸二酸甘油酯（PGS）及1.5份邻苯二甲酸二辛酯（DOP）塑料增容剂，2份氯化石蜡、1份聚乙烯蜡、1份硅烷偶联剂 KH550，1份硬油TXIB、0.5份的硬脂酸，称量好投入到高速混合机中搅拌5min，然后投入双螺杆挤出机中造粒作为生物降解膜原材料。聚乙烯膜配方同常规生产。
    采用多通道平模头通过流延机共挤吹膜，依据作物模式对生物降解膜和PE膜条带宽度的要求调整好模头，参照常规吹塑工艺进行共挤吹塑，平模头通道为5道（参见图2），膜的外侧两边为全生物降解材料，调节模唇宽度和料段长度，使两种熔融物料在模唇区形成反映地膜尺寸的料段，生物降解材料通道温度为110-150℃，聚乙烯膜通道温度为130-160℃，膜厚度为0.008-0.015mm，膜折径为145cm，降解膜与聚乙烯膜依次按照7.5cm-20cm-20cm-50 cm-20 cm -20cm-7.5cm交替排列，即膜两侧为7.5cm的降解膜条带，膜中含2条20cm降解膜条带，中央为一条50cm的聚乙烯膜条带，种植行与膜边埋土降解膜之间也为20cm的聚乙烯膜带。聚乙烯膜与生物降解膜拼接界面处熔接痕少且有足够的强度。
    根据GB13735-1992“聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜”的技术标准进行膜接口处力学检测：结果为拉伸负荷：横向1.9N，纵向1.6N ；断裂伸长率：横向220%，纵向356% ；直角撕裂负荷：横向0.8N，纵向0.6N。
实施例3
    将天然高分子共混降解塑料——淀粉/聚乳酸与聚乙烯分区熔融共挤，利用多通道环形共挤模头吹膜机共挤吹膜。
    针对新疆棉花超宽膜一膜六行机采棉种植模式，选取环形模头通道数目为16道（参见图4），依次为天然高分子共混降解塑料通道与聚乙烯通道，两者交替间隔（膜剪口处两侧为生物降解膜），调节模唇宽度和料段比例，使两种熔融物料在模唇区形成反映双色地膜尺寸的料段，膜折径为205cm，降解膜与聚乙烯膜依次按照10cm-20cm-15cm-50cm-15cm-50cm-15cm-20cm-10cm交替排列，膜两侧为10cm的降解膜条带，中间含3条15cm的降解膜带（种植行），降解膜与降解膜之间为20cm或60cm的聚乙烯膜，天然高分子共混降解塑料通道温度为85-160℃，聚乙烯膜通道温度为160℃左右，吹胀比为2.0，膜厚度为0.008-0.02mm，聚乙烯膜与生物降解膜拼接界面处熔接痕少且有足够的强度。
     将上述实施例1-3制备的条带状拼接的降解膜-聚乙烯膜进行农作物地膜覆盖试验，结果表明农作物产量达到普通地膜水平，被土掩埋的降解膜部分，降解速度不均一且比地表覆盖时的速度明显要慢，初始降解的时间为30天左右，至收获期时降解膜呈网状、絮状，局部已完全降解，两种膜之间变得极易分离，人工或机械回收聚乙烯地膜变得简单、方便，残膜回收率和回收效率明显提高，且对作物无不利影响，田间杂草危害轻。田间试验证明本发明的地膜不但具有聚乙烯膜的增温、保墒、促苗早发的作用，同时还调节了膜下土壤温度，促进膜下土壤与外界的气体交换，对农作物生长发育过程有间接促进作用，使作物营养生长和生殖生长更加协调，关键是很好解决了农田残膜造成的“白色污染”。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种条带式相间拼接农用地膜，其特征在于：其由生物降解膜条带和普通聚乙烯膜条带组成，两者交替并排，呈带式相间排列，经熔融共挤一次成型。
2. 根据权利要求1 所述的条带式相间拼接农用地膜，其特征在于：膜的两侧均为生物降解膜条带；优选的，两侧生物降解膜条带宽度为5-20cm，进一步优选8cm-10cm。
3. 根据权利要求1 所述的条带式相间拼接农用地膜，其特征在于：膜中间为一条普通聚乙烯膜条带或多条普通聚乙烯膜和生物降解膜条带交替排列；优选的，膜中间的生物降解膜宽度为10-50cm，进一步优选20cm；
优选的，生物降解膜与聚乙烯膜的厚度完全一致，优选为0.006-0.020mm，最佳为0.008mm或0.01mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的条带式相间拼接农用地膜，其特征在于：所述生物降解膜由聚丁二酸丁二醇酯、聚丁二酸/己二酸丁二醇酯共聚物、聚丁二酸/对苯二甲酸丁二醇酯、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯、聚己内酯、聚乳酸、聚羟基脂肪酸酯、聚羟基丁酸酯、改性PET、含氧化生物降解母料的PE、脂肪族-芳香族共聚酯中的一种或几种聚合物混合而成。
5.根据权利要求1-3任一项所述的条带式相间拼接农用地膜，其特征在于：所述生物降解膜为淀粉与聚合物的共混材料；优选的，具体为改性淀粉、淀粉／乙烯和乙烯醇的共聚物、淀粉／乙烯-丙烯酸共聚物、淀粉/聚乙烯醇、淀粉/聚己内酯、淀粉/聚乙烯塑料中的一种或几种混合。
6.根据权利要求1-3任一项所述的条带式相间拼接农用地膜，其特征在于：所述生物降解膜为天然高分子共混物，即天然高分子材料与通用塑料或合成聚酯或生物塑料共混而成；优选的，所述高分子材料为淀粉、纤维素、半纤维素、果胶、甲壳素、蛋白质、木质素、多糖。
7. 根据权利要求4-6任一项所述的农用地膜，其特征在于：所述的可生物降解膜材料调整配方后的熔点、熔融指数和玻璃化温度须与所选用的聚乙烯料相近。
8.根据权利要求1-7任一项所述的条带式相间拼接农用地膜的制备方法，其特征在于：设备选用多通道环形模头吹膜机或多通道平模头流延机，将普通聚乙烯膜条带的原料和生物降解膜条带的原料分别在两台挤出机中同时独立塑化，再熔融共挤出带式相间拼接农用地膜。
9. 根据权利要求8所述的条带式相间拼接农用地膜的制备方法，其特征在于：在流道尾端至模唇之间，两种熔融物料进行接触面的融合。
10. 根据权利要求8或9所述的条带式相间拼接农用地膜的制备方法，其特征在于：所采用模头的通道数目，吹塑机环形模头为4、8、12或16道，平模头为3、5、7或9道。
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