CN106750564A - 一种高阻隔性生物可降解地膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高阻隔性生物可降解地膜，其原料由以下重量份的组分制成：小麦秸秆纤维9‑12份、玉米淀粉25‑35份、氢氧化钠3‑5份、聚乙烯醇1‑2份、羧甲基纤维素1‑2份、乙二醛3‑5份、甘油5‑10份、纤维素酶0.5‑1份、稳定剂1‑2份、去离子水90‑100份。本发明的高阻隔性生物可降解地膜，采用玉米淀粉和小麦秸秆纤维为主要制备原料，制作成本低廉，制备方法简单，为农作物秸秆的回收利用增加了新途径；与普通的地膜相比，本发明的高阻隔性生物可降解地膜纵向拉伸强度提高了66％以上，横向拉伸强度提高了66％以上，拉伸率提高了58％以上，不易破损；透湿量降低了25％以上，阻隔性能好；此外，土埋60d则可以完全降解，具有良好的降解效果。

Description

一种高阻隔性生物可降解地膜及其制备方法
技术领域
本发明属于薄膜材料技术领域，具体涉及一种高阻隔性生物可降解地膜及其制备方法。
背景技术
由于自然环境的限制，很多类型的蔬菜和水中在其幼苗生长都会受到影响，为了改善农作物的生长环境，提高作物产量，高效保温保湿的地面覆盖薄膜被用于农业生产中。传统的地膜材料难以降解，在土壤中残留时间长，不仅会造成土壤的严重板结，而且会导致农作物减产，造成环境污染。
随着现代科学技术的发展，生物降解性能较好的地膜成为研究热点，现有研究发现，在制备地膜的物质成分中，添加淀粉可以增加地膜的降解效率，缩短其在土壤中的残留时间，在地膜制备领域具有良好的应用价值。但是利用淀粉制备而成的地膜大多存在机械性能差、易破损，且阻隔性能较差，需要开发一种高阻隔性、生物可降解的地膜。
发明内容
本发明提供的一种高阻隔性生物可降解地膜及其制备方法，可以解决现有的可降解地膜的机械性能差、易破损，且阻隔性能较差的问题。
本发明的目的是提供一种高阻隔性生物可降解地膜，其原料由以下重量份的组分制成：小麦秸秆纤维9-12份、玉米淀粉25-35份、氢氧化钠3-5份、聚乙烯醇1-2份、羧甲基纤维素1-2份、乙二醛3-5份、甘油5-10份、纤维素酶0.5-1份、稳定剂1-2份、去离子水90-100份；
所述小麦秸秆纤维是小麦秸秆洗净、烘干后经酸解制备而成。
优选的，上述高阻隔性生物可降解地膜中，其原料由以下重量份的组分制成：小麦秸秆纤维10份、玉米淀粉30份、氢氧化钠4份、聚乙烯醇1份、羧甲基纤维素2份、乙二醛4份、甘油10份、纤维素酶0.8份、稳定剂1.5份、去离子水95份。
优选的，上述高阻隔性生物可降解地膜中，所述稳定剂为硬脂酸钙、硬质酸钠、环氧大豆油中的一种。
本发明还提供了上述高阻隔性生物可降解地膜的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，制备母料
步骤1.1，制备小麦秸秆纤维
将小麦秸秆洗净，并于40-45℃条件下烘干，得到干燥秸秆；
将1mol/L盐酸和5g/L的柠檬酸按照1:1的体积比例混合均匀，得到酸解液；
将干燥秸秆与酸解液按照1kg:5L的比例混合均匀，搅拌20-30min，过滤，收集滤渣并于40-45℃条件下烘干，得到小麦秸秆纤维；
步骤1.2，分别称取以下重量份的组分：小麦秸秆纤维9-12份、玉米淀粉25-35份、氢氧化钠3-5份、聚乙烯醇1-2份、羧甲基纤维素1-2份、乙二醛3-5份、甘油5-10份、纤维素酶0.5-1份、稳定剂1-2份、去离子水90-100份；
步骤1.3，将步骤1.2称取的小麦秸秆纤维、纤维素酶和一半质量的去离子水混合均匀，搅拌15-20min，然后于100℃条件下热处理5min，得到小麦纤维混合物；
步骤1.4，将步骤1.2称取的玉米淀粉、氢氧化钠、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、乙二醛和另一半质量的去离子水混合均匀，搅拌20min，得到玉米交联淀粉混合液；
步骤1.5，将所述小麦纤维混合物、所述玉米交联淀粉混合液与步骤1.2称取的、甘油稳定剂充分混合均匀，得到母料；
步骤2，造粒：将制备的母料经过造粒机造粒，得到可降解母粒；
步骤3，吹膜：采用三螺杆吹膜机，将所述可降解母粒吹制成高阻隔性生物可降解地膜。
优选的，上述高阻隔性生物可降解地膜的制备方法中，所述造粒机采用的是双螺杆挤造粒出机。
与普通的地膜相比，本发明的高阻隔性生物可降解地膜具有以下有益效果：
1、采用玉米淀粉和小麦秸秆纤维为主要制备原料，制作成本低廉，制备方法简单，为农作物秸秆的回收利用增加了新途径。
2、本发明地膜的制备方法中，利用纤维素酶对小麦秸秆纤维进行改性，使小麦秸秆的纤维部分降解，增加小麦秸秆纤维的拉伸性能，避免直接使用秸秆纤维带来的机械性能较差的缺陷；
同时，还利用氢氧化钠、羧甲基纤维素对玉米淀粉进行改性，得到玉米交联淀粉，增加玉米淀粉的拉伸性能。
3、与普通的地膜相比，本发明的高阻隔性生物可降解地膜纵向拉伸强度提高了66％以上，横向拉伸强度提高了66％以上，拉伸率提高了58％以上，不易破损；透湿量降低了25％以上，阻隔性能好；此外，土埋60d则可以完全降解，具有良好的降解效果，在农业地膜应用方面具有良好的前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，但不应理解为本发明的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件操作，由于不涉及发明点，故不对其步骤进行详细描述。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
实施例1
实施例1的一种高阻隔性生物可降解地膜，其原料由以下重量份的组分制成：小麦秸秆纤维10份、玉米淀粉30份、氢氧化钠4份、聚乙烯醇1份、羧甲基纤维素2份、乙二醛4份、甘油10份、纤维素酶0.8份、硬脂酸钙1.5份、去离子水95份；所述小麦秸秆纤维是小麦秸秆洗净、烘干后经酸解制备而成，具体按照以下步骤制备：
步骤1，制备母料
步骤1.1，制备小麦秸秆纤维
将小麦秸秆洗净，并于40℃条件下烘干，得到干燥秸秆；
将1mol/L盐酸和5g/L的柠檬酸按照1:1的体积比例混合均匀，得到酸解液；
将干燥秸秆与酸解液按照1kg:5L的比例混合均匀，搅拌20min，过滤，收集滤渣并于40℃条件下烘干，得到小麦秸秆纤维；
步骤1.2，分别称取以下重量份的组分：小麦秸秆纤维10份、玉米淀粉30份、氢氧化钠4份、聚乙烯醇1份、羧甲基纤维素2份、乙二醛4份、甘油10份、纤维素酶0.8份、硬脂酸钙1.5份、去离子水95份；
步骤1.3，将步骤1.2称取的小麦秸秆纤维、纤维素酶和一半质量的去离子水混合均匀，搅拌15min，然后于100℃条件下热处理5min，得到小麦纤维混合物；
步骤1.4，将步骤1.2称取的玉米淀粉、氢氧化钠、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、乙二醛和另一半质量的去离子水混合均匀，搅拌20min，得到玉米交联淀粉混合液；
步骤1.5，将小麦纤维混合物、玉米交联淀粉混合液与步骤1.2称取的甘油、硬脂酸钙充分混合均匀，得到母料；
步骤2，造粒：将制备的母料经过造粒机造粒，得到可降解母粒，造粒机采用的型号是石家庄东岳机电有限公司生产的SJSH平行同向双螺杆挤出造粒机，其造粒的造作方法按照本领域常规方法均可，该步骤并不是发明点所在，故不做详述；
步骤3，吹膜：采用吹膜机(恒翔塑机公司的LD(L)系列地膜农膜吹塑机组)，将制备的可降解母粒吹制成高阻隔性生物可降解地膜，吹膜步骤按照本领域常规方法进行即可，该步骤并不是发明点所在，故不做详述。
实施例2
实施例1的一种高阻隔性生物可降解地膜，其原料由以下重量份的组分制成：小麦秸秆纤维9份、玉米淀粉25份、氢氧化钠3份、聚乙烯醇1.5份、羧甲基纤维素1.5份、乙二醛5份、甘油8份、纤维素酶1份、硬质酸钠1份、去离子水90份；所述小麦秸秆纤维是小麦秸秆洗净、烘干后经酸解制备而成，具体按照以下步骤制备：
步骤1，制备母料
步骤1.1，制备小麦秸秆纤维
将小麦秸秆洗净，并于45℃条件下烘干，得到干燥秸秆；
将1mol/L盐酸和5g/L的柠檬酸按照1:1的体积比例混合均匀，得到酸解液；
将干燥秸秆与酸解液按照1kg:5L的比例混合均匀，搅拌30min，过滤，收集滤渣并于45℃条件下烘干，得到小麦秸秆纤维；
步骤1.2，分别称取以下重量份的组分：小麦秸秆纤维9份、玉米淀粉25份、氢氧化钠3份、聚乙烯醇1.5份、羧甲基纤维素1.5份、乙二醛5份、甘油8份、纤维素酶1份、硬质酸钠1份、去离子水90份；
步骤1.3，将步骤1.2称取的小麦秸秆纤维、纤维素酶和一半质量的去离子水混合均匀，搅拌20min，然后于100℃条件下热处理5min，得到小麦纤维混合物；
步骤1.4，将步骤1.2称取的玉米淀粉、氢氧化钠、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、乙二醛和另一半质量的去离子水混合均匀，搅拌20min，得到玉米交联淀粉混合液；
步骤1.5，将小麦纤维混合物、玉米交联淀粉混合液与步骤1.2称取的甘油、硬质酸钠充分混合均匀，得到母料；
步骤2，造粒：将制备的母料经过造粒机造粒，得到可降解母粒，造粒的造作方法按照本领域常规方法均可，该步骤并不是发明点所在，故不做详述；
步骤3，吹膜：采用吹膜机，将制备的可降解母粒吹制成高阻隔性生物可降解地膜，其中螺杆加工温度为150℃，吹塑模头加工温度控制在175℃，其余吹膜步骤按照本领域常规方法进行即可，该步骤并不是发明点所在，故不做详述。
实施例3
实施例1的一种高阻隔性生物可降解地膜，其原料由以下重量份的组分制成：小麦秸秆纤维12份、玉米淀粉35份、氢氧化钠4份、聚乙烯醇2份、羧甲基纤维素1份、乙二醛3份、甘油5份、纤维素酶0.5份、环氧大豆油1.5份、去离子水100份；所述小麦秸秆纤维是小麦秸秆洗净、烘干后经酸解制备而成，具体按照以下步骤制备：
步骤1，制备母料
步骤1.1，制备小麦秸秆纤维
将小麦秸秆洗净，并于42℃条件下烘干，得到干燥秸秆；
将1mol/L盐酸和5g/L的柠檬酸按照1:1的体积比例混合均匀，得到酸解液；
将干燥秸秆与酸解液按照1kg:5L的比例混合均匀，搅拌25min，过滤，收集滤渣并于42℃条件下烘干，得到小麦秸秆纤维；
步骤1.2，分别称取以下重量份的组分：小麦秸秆纤维12份、玉米淀粉35份、氢氧化钠4份、聚乙烯醇2份、羧甲基纤维素1份、乙二醛3份、甘油5份、纤维素酶0.5份、环氧大豆油1.5份、去离子水100份；
步骤1.3，将步骤1.2称取的小麦秸秆纤维、纤维素酶和一半质量的去离子水混合均匀，搅拌15min，然后于100℃条件下热处理5min，得到小麦纤维混合物；
步骤1.4，将步骤1.2称取的玉米淀粉、氢氧化钠、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、乙二醛和另一半质量的去离子水混合均匀，搅拌20min，得到玉米交联淀粉混合液；
步骤1.4，将小麦纤维混合物、玉米交联淀粉混合液与步骤1.2称取的甘油、环氧大豆油充分混合均匀，得到母料；
步骤2，造粒：将制备的母料经过造粒机造粒，得到可降解母粒，造粒的造作方法按照本领域常规方法均可，该步骤并不是发明点所在，故不做详述；
步骤3，吹膜：采用吹膜机，将制备的可降解母粒吹制成高阻隔性生物可降解地膜，其中螺杆加工温度为150℃，吹塑模头加工温度控制在175℃，其余吹膜步骤按照本领域常规方法进行即可，该步骤并不是发明点所在，故不做详述。
将市售的普通地膜与实施例1-3中优选的高阻隔性生物可降解地膜的表征产品性能的各参数，比如纵向拉伸强度、横向拉伸强度、拉伸率、透O2系数和透湿量，结果如表1所示。
由表1的结果可知，与普通地膜，实施例1-3的高阻隔性生物可降解地膜具有以下突出的效果：
(1)实施例1-3的高阻隔性生物可降解地膜，其表征产品机械性能的纵向拉伸强度分别提高了66.33％、67.56％和80.83％，纵向拉伸强度分别提高了81.39％、71.51％和61.84％，拉伸率分别提高了64.34％、56.51％和58.22％，不易破损；
(2)实施例1-3的高阻隔性生物可降解地膜，其表征产品阻隔性能的透湿量(即水蒸气阻隔性)分别降低了25.14％、25.62％和26.47％，阻隔性能明显提高。
表1表征产品性能的各参数
通过土埋降解实验发现，在土埋第35d时本发明高阻隔性生物可降解地膜的失重率达到50％以上，土埋第60d时达到完全降解的效果，具有优良的可降解性，克服了现有塑料地膜难于回收，不能完全降解的问题。
本发明地膜的制备方法中，利用纤维素酶对小麦秸秆纤维进行改性，使小麦秸秆的纤维部分降解，增加小麦秸秆纤维的拉伸性能，避免直接使用秸秆纤维带来的机械性能较差的缺陷；
同时，还利用氢氧化钠、羧甲基纤维素对玉米淀粉进行改性，得到玉米交联淀粉，增加玉米淀粉的拉伸性能。
为了验证改性后的小麦秸秆纤维以及改性后的淀粉的拉伸可以增加地膜的拉伸性能，我们设计了如下实验：
对照组地膜(实施例1的配方少了小麦秸秆纤维、氢氧化钠、纤维素酶和羧甲基纤维素)：其原料由以下重量份的组分制成：玉米淀粉30份、聚乙烯醇1份、乙二醛4份、甘油10份、硬脂酸钙1.5份、去离子水95份，具体按照以下步骤制备：
步骤(1)，分别称取以下重量份的组分：玉米淀粉30份、聚乙烯醇1份、乙二醛4份、甘油10份、硬脂酸钙1.5份、去离子水95份；
步骤(2)，将步骤(1)称取的玉米淀粉、聚乙烯醇、乙二醛和去离子水混合均匀，搅拌20min，得到玉米交联淀粉混合液；
步骤(3)，将玉米交联淀粉混合液与步骤(1)称取的甘油、硬脂酸钙充分混合均匀，得到母料；
步骤(4)，造粒：将制备的母料经过造粒机造粒，得到可降解母粒；
步骤(5)，吹膜：采用吹膜机，将制备的可降解母粒吹制成高阻隔性生物可降解地膜。
秸秆纤维组地膜(实施例1的配方少了氢氧化钠和羧甲基纤维素)：其原料由以下重量份的组分制成：小麦秸秆纤维10份、玉米淀粉30份、聚乙烯醇1份、乙二醛4份、甘油10份、纤维素酶0.8份、硬脂酸钙1.5份、去离子水95份；所述小麦秸秆纤维是小麦秸秆洗净、烘干后经酸解制备而成，具体按照以下步骤制备：
步骤(1)，制备母料
步骤(1.1)，制备小麦秸秆纤维
将小麦秸秆洗净，并于40℃条件下烘干，得到干燥秸秆；
将1mol/L盐酸和5g/L的柠檬酸按照1:1的体积比例混合均匀，得到酸解液；
将干燥秸秆与酸解液按照1kg:5L的比例混合均匀，搅拌20min，过滤，收集滤渣并于40℃条件下烘干，得到小麦秸秆纤维；
步骤(1.2)，分别称取以下重量份的组分：小麦秸秆纤维10份、玉米淀粉30份、聚乙烯醇1份、乙二醛4份、甘油10份、纤维素酶0.8份、硬脂酸钙1.5份、去离子水95份；
步骤(1.3)，将步骤1.2称取的小麦秸秆纤维、纤维素酶和一半质量的去离子水混合均匀，搅拌15min，然后100℃条件下热处理5min，得到小麦纤维混合物；
步骤(1.4)，将步骤1.2称取的玉米淀粉、聚乙烯醇、乙二醛和另一半质量的去离子水混合均匀，搅拌20min，得到玉米交联淀粉混合液；
步骤(1.5)，将小麦纤维混合物、玉米交联淀粉混合液与步骤1.2称取的甘油、硬脂酸钙充分混合均匀，得到母料；
步骤(2)，造粒：将制备的母料经过造粒机造粒，得到可降解母粒；
步骤(3)，吹膜：采用吹膜机，将制备的可降解母粒吹制成高阻隔性生物可降解地膜。
玉米淀粉组地膜(实施例1的配方少了小麦秸秆纤维和纤维素酶)：其原料由以下重量份的组分制成：玉米淀粉30份、氢氧化钠4份、聚乙烯醇1份、羧甲基纤维素2份、乙二醛4份、甘油10份、硬脂酸钙1.5份、去离子水95份，具体按照以下步骤制备：
步骤(1)，分别称取以下重量份的组分：玉米淀粉30份、氢氧化钠4份、聚乙烯醇1份、羧甲基纤维素2份、乙二醛4份、甘油10份、硬脂酸钙1.5份、去离子水95份；
步骤(2)，将步骤(1)称取的玉米淀粉、氢氧化钠、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、乙二醛和去离子水混合均匀，搅拌20min，得到玉米交联淀粉混合液；
步骤(3)，将玉米交联淀粉混合液与步骤(1)称取的甘油、硬脂酸钙充分混合均匀，得到母料；
步骤(4)，造粒：将制备的母料经过造粒机造粒，得到可降解母粒；
步骤(5)，吹膜：采用吹膜机，将制备的可降解母粒吹制成高阻隔性生物可降解地膜。
我们分别测定了对照组地膜、秸秆纤维组地膜和玉米淀粉组地膜的纵向拉伸强度、横向拉伸强度、拉伸率和透O2系数，结果如表2所示，秸秆纤维组地膜和玉米淀粉组地膜的纵向拉伸强度、横向拉伸强度、拉伸率均有所提高，透O2系数有所降低，说明利用纤维素酶对小麦秸秆纤维进行改性，增加小麦秸秆纤维的拉伸性能，避免直接使用秸秆纤维带来的机械性能较差的缺陷；同时，还利用氢氧化钠、羧甲基纤维素对玉米淀粉进行改性，得到玉米交联淀粉，增加玉米淀粉的拉伸性能。利用本发明的方法对小麦秸秆纤维和玉米淀粉分别进行改性后制备而成的地膜机械性能均有提高。
表2不同实验组地膜的性能参数
本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种高阻隔性生物可降解地膜，其特征在于，其原料由以下重量份的组分制成：小麦秸秆纤维9-12份、玉米淀粉25-35份、氢氧化钠3-5份、聚乙烯醇1-2份、羧甲基纤维素1-2份、乙二醛3-5份、甘油5-10份、纤维素酶0.5-1份、稳定剂1-2份、去离子水90-100份；
所述小麦秸秆纤维是小麦秸秆洗净、烘干后经酸解制备而成。
2.根据权利要求1所述的高阻隔性生物可降解地膜，其特征在于，其原料由以下重量份的组分制成：小麦秸秆纤维10份、玉米淀粉30份、氢氧化钠4份、聚乙烯醇1份、羧甲基纤维素2份、乙二醛4份、甘油10份、纤维素酶0.8份、稳定剂1.5份、去离子水95份。
3.根据权利要求1或2所述的高阻隔性生物可降解地膜，其特征在于，所述稳定剂为硬脂酸钙、硬质酸钠、环氧大豆油中的一种。
4.根据权利要求1所述的高阻隔性生物可降解地膜的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，制备母料
步骤1.1，制备小麦秸秆纤维
将小麦秸秆洗净，并于40-45℃条件下烘干，得到干燥秸秆；
将1mol/L盐酸和5g/L的柠檬酸按照1:1的体积比例混合均匀，得到酸解液；
将干燥秸秆与酸解液按照1kg:5L的比例混合均匀，搅拌20-30min，过滤，收集滤渣并于40-45℃条件下烘干，得到小麦秸秆纤维；
步骤1.2，分别称取以下重量份的组分：小麦秸秆纤维9-12份、玉米淀粉25-35份、氢氧化钠3-5份、聚乙烯醇1-2份、羧甲基纤维素1-2份、乙二醛3-5份、甘油5-10份、纤维素酶0.5-1份、稳定剂1-2份、去离子水90-100份；
步骤1.3，将步骤1.2称取的小麦秸秆纤维、纤维素酶和一半质量的去离子水混合均匀，搅拌15-20min，然后于100℃条件下热处理5min，得到小麦纤维混合物；
步骤1.4，将步骤1.2称取的玉米淀粉、氢氧化钠、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、乙二醛和另一半质量的去离子水混合均匀，搅拌20min，得到玉米交联淀粉混合液；
步骤1.5，将所述小麦纤维混合物、所述玉米交联淀粉混合液与步骤1.2称取的甘油、稳定剂充分混合均匀，得到母料；
步骤2，造粒：将制备的母料经过造粒机造粒，得到可降解母粒；
步骤3，吹膜：采用三螺杆吹膜机，将所述可降解母粒吹制成高阻隔性生物可降解地膜。
5.根据权利要求4所述的高阻隔性生物可降解地膜的制备方法，其特征在于，所述造粒机采用的是双螺杆挤出造粒机。
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