CN107629371A - 一种植物无土栽培用多功能性聚乙烯醇薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于高分子薄膜材料领域，特别涉及一种植物无土栽培用多功能性聚乙烯醇薄膜及其制备方法和应用。将粉状的聚乙烯醇原料与淀粉、抗菌剂、蒸馏水混合后挤出流延制备得到无孔聚乙烯醇薄膜；将得到的聚乙烯醇薄膜将植物的根系包裹住，可将根系连同包覆在上面的聚乙烯醇薄膜浸入到营养液中进行植物的无土栽培。

Description

一种植物无土栽培用多功能性聚乙烯醇薄膜及其制备方法和 应用

技术领域

本发明属于高分子薄膜材料领域，特别涉及一种植物无土栽培用多功能性聚乙烯醇薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

随着国家经济和科技的快递发展，人们生活标准的不断提高，对健康蔬菜的需求量变大，无土栽培也在全世界各地迅速开展开来。无土栽培作为一种可以克服连作、滋生盐渍化等问题的栽培方式,广泛应用于温室、大棚。但是传统的无土栽培技术所栽培的植物根区微环境缓冲能力弱，对周围环境的变化极其敏感，根区温度调控难度大，对病毒以及一些外界微生物的侵害难以控制。如何使植物在生长过程中避免上述问题造成的影响，因此开发一种相对可以有效控制植物根系，以及维持植物生长必须的营养物质，避免外界病毒以及微生物的无土栽种方法，势在必得。

高分子材料薄膜一直以来都是高分子材料应用的一个重要方面，高分子材料薄膜的高效、节能和环保清洁等优点很好的契合了现代工业生产的要求。聚乙烯醇是一种水溶性合成高分子聚合物，其结构中羟基的存在，使得聚乙烯醇具有很高的吸水性；聚乙烯醇薄膜具有良好的水溶解性，优异的生物降解性，并且降解产物无毒。但是聚乙烯醇其结构规整，分子内存在很强的氢键，结晶度高，其熔融温度一般接近于分解温度，部分醇解的聚乙烯醇在190℃左右开始熔化，200℃时已经开始分解；完全醇解的聚乙烯醇在230℃左右才开始熔化，而在接近240℃时也已经开始分解，这导致其很难进行热塑加工。因此如何开发一种植物无土栽培用多功能性聚乙烯醇薄膜成为国内外研究的热点。

发明内容

本发明提供了一种植物无土栽培用多功能性聚乙烯醇薄膜，具有高渗透性,机械性能良好,保水率≥300％,可实现植物对营养的高度选择和绿色环保的植物种植栽培新技术，

薄膜按重量份数计算，包括

其中，聚乙烯醇主要为聚合度(按照JIS K6726-1994测定的平均聚合度)在500～2000、醇解度(按照JIS K6726-1994测定)在96％～99％的聚乙烯醇原料，其中聚合度一般不能小于500，否则所制备的聚乙烯醇薄膜的强度会大大降低，同时也不能大于2000，否则在热塑加工时，聚乙烯醇原料的流动性将变差，难以进行熔融挤出，常见的如PVA1799、PVA0599、PVA117、PVA105等；

醇解度一般要求完全醇解，否则所制备的聚乙烯醇薄膜的水溶性会变差，不利于包装和植物种植；

淀粉一般选用市售可溶性淀粉即可；

蒸馏水一般选用市售蒸馏水；

抗菌剂为柠檬酸、环丙沙星、香草醛类、乙基香草醛类、酰基苯胺、噻唑类、咪唑类、异噻唑酮衍生物、季铵盐类、双呱类、酚类中的一种或多种的混合。

本发明还提供了一种上述植物无土栽培用多功能性聚乙烯醇薄膜的制备方法：

(1)将聚乙烯醇原料搅碎成粉状料，使下一步混合更加充分、均匀；

(2)将步骤(1)中得到的粉状聚乙烯醇原料与淀粉、抗菌剂、蒸馏水密闭混合充分，即在60～80℃下持续搅拌7～10小时；

(3)将步骤(2)中得到的混合料进行挤出造粒，并将所得颗粒烘干后经流延机单向拉伸得到无孔聚乙烯醇薄膜，

单向拉伸在常温下进行，拉伸时的牵引速度为100m/min～150m/min，控制得到的无孔聚乙烯醇薄膜的厚度在100～150um。

本发明还提供了一种上述植物无土栽培用多功能性聚乙烯醇薄膜的应用：

将生长中的植物与泥土分离后，对植物的根系进行施压，然后采用聚乙烯醇薄膜将该植物的根系包裹住，并将根系连同包覆在上面的聚乙烯醇薄膜浸入到营养液中进行植物的无土栽培，植物上部搭建架子供植物攀爬并防止植物倒伏。

本专利的技术优点主要体现在以下几个方面：

(1)在不加入大量添加剂和增塑剂的情况下实现了聚乙烯醇薄膜的热塑加工；

(2)将制备的薄膜用于植物的无土栽培，代替土壤对植物的根部起到了固定作用，薄膜在使用过程中，由于淀粉的降解速率、水的降解(或蒸发)速率与聚乙烯醇自身降解速率是不匹配的，因此淀粉和水先降解从而在薄膜上生成相应孔洞，通过控制该降解行为调整了所形成微孔的大小，从而允许养分进去,阻碍了病虫害的浸入，避免了外来物质对植物生长过程中造成的营养污染；

并且还可以满足不同植物对不同营养物质的选择吸收，例如大豆主要以氮元素为养分，观花类的植物主要以磷/钾肥为养分，而不同的养分元素的离子直径大小又不一样，通过调节薄膜上微孔的大小，允许小粒径的养分离子进入，避免大粒径的养分离子进入而使该种养分依然保留在营养液中，减少了营养液中养分的浪费；

聚乙烯醇薄膜具有良好的降解性，但是从投入使用到出现过度降解(即降解形成的孔已经大到不足以阻挡病虫害)的时间还是要远大于植物的生长周期，因此不必担心植物未生长完全而聚乙烯醇膜先降解掉的问题，聚乙烯醇薄膜在植物生长结束后降解为无害的小分子物质，避免了有机塑料对土壤、环境的污染，

(3)使用少量淀粉和水对聚乙烯醇进行一定的处理，代替了其他添加剂，保持了聚乙烯醇薄膜的纯度，能够有效避免聚乙烯醇薄膜在使用过程中机械性能的大幅下降，以及植物在生长过程中对薄膜造成的损伤；

(4)所制备的聚乙烯醇薄膜具备了优异的强度、溶胀度、透明度、渗透率，抗静电性及抗菌性等性能，而且高纯度的聚乙烯醇薄膜能够更好地回收处理，更加绿色环保。

附图说明

图1为实施例12所制备聚乙烯醇薄膜的DSC熔融温度曲线图。

图2为本发明中，利用聚乙烯醇薄膜进行植物无土栽培的示意图。

具体实施方式

拉伸性能测试：

制取哑铃状标准I型试样，试样宽10mm，在每个被测试样上随机取5个点测定其厚度，读数精确至1μm，取平均值作为被测样品的厚度。拉伸速率设定为100mm/min，每组试样不少于5个，结果排除误差后取平均值，依据JB13022—91塑料薄膜拉伸性能试验方法进行测试，测试传感器为200N传感器，测试温度为25℃。

撕裂性能测试：

制取直角无割口型标准试样，确保试样的直角处无气泡等明显缺陷，在每个被测试样上测定其直角处厚度三次，读数精确至1μm，取平均值作为被测样品的厚度。拉伸速率为200mm/min，每组10个试样，结果排除误差后取平均值，依据QB/T 1130—9l塑料直角撕裂性能试验方法进行测试，测试传感器为200N传感器，测试温度为25℃。

贯穿阻力测试：

使用万能试验机对本发明制备的聚乙烯醇薄膜的贯穿阻力进行测试。将制备的聚乙烯醇薄膜在蒸馏水中浸渍1min，然后用夹具夹住两端并拉直，在另一夹具上安装一定规格的粗铁丝钉，以100mm/min的速度穿刺位于夹具上的聚乙烯醇薄膜，将过程中的最大载荷作为贯穿阻力，测试温度为25℃。

溶胀度测试：

称取适量的聚乙烯醇薄膜，在30℃下的水中浸渍30分钟后，取出聚乙烯醇薄膜，并用滤纸除去薄膜表面残存的水分，并在电子天平上称重，记录重量m₁，再将溶胀后的聚乙烯醇薄膜放入105℃的烘箱中干燥16h，取出烘干的薄膜并称重，记录重量m₂，然后根据下式计算出溶胀度：

溶胀度(％)＝m₁/m₂×100

透光率测试：

本发明采用分光光度计测试薄膜的透光率。将试样裁剪为10mm×20mm的长方形样条，并夹于试样夹上，以空气作为对照进行全波长扫描，然后选取合适波长进行吸光度测试，再将吸光度换算为透光率。每组样品测定5个值，测定结果取平均值，本实验选取波长为450nm，透光率按下式计算：

T＝(1—A₄₅₀)×100％

式中：T—透光率(％)；

A₄₅₀—450nm下薄膜的吸光度。

渗透率测定：

使用本发明制备的聚乙烯醇薄膜将玻璃容器隔成两个体积相同的空间，在两个空间中分别加入5％的葡萄糖溶液和蒸馏水，再将其置于密闭容器内，在25℃下静置24h，然后测量两侧溶液的葡萄糖浓度差，来表征聚乙烯醇薄膜的渗透率。

抗菌性能测定：

取本发明制备的添加了抗菌剂的聚乙烯醇薄膜和未添加抗菌剂的聚乙烯醇薄膜作为对比，选用标准为AATCC的检测方法100-1999，检测用大肠杆菌O157：H7(ATCC 43895)和金黄葡萄球菌(ATCC 6538)，在37℃下，分别在两组薄膜上培养24h后，测定细菌减少数量的比重。

减少数量的比重(％)＝减少数量m₁/原始数量m₂×100

实施例1

(1)将300g片状聚乙烯醇原料加入高速粉碎机，使用间隔式搅拌，将片状料搅碎成粉状料；

(2)将步骤(1)中得到的粉状的聚乙烯醇原料与15g淀粉、6g柠檬酸、15g蒸馏水密封混合，在70℃下持续搅拌10小时；

(3)将步骤(2)中得到的混合料进行挤出造粒，并将所得颗粒烘干后，以120m/min的牵引速度在常温(25℃，下同)下经流延机单向拉伸，得到无孔聚乙烯醇薄膜，控制膜厚度为120um。

将此制备的聚乙烯醇薄膜进行上述测试，其性能如表2所示。

实施例2～15

参照实施例1的操作，具体制备条件如表1所示：

表1

表2

将生长中的植物与泥土分离后，对植物的根系进行施压，然后采用表1中各实施例所制备的聚乙烯醇薄膜将该植物的根系包裹住，包裹一层聚乙烯醇薄膜即可，并将根系连同包覆在上面的聚乙烯醇薄膜浸入到营养液中进行植物的无土栽培，植物上部搭建架子供植物攀爬并防止植物倒伏，大致如附图2所示，

例如基于上述无土栽培方法，采用实施例6制备的聚乙烯醇膜对小番茄树进行培植，产出的小番茄果实在营养、口感方面都优于传统的土壤种植出的小番茄，且种植周期缩短，具体可见表3：

表3

Claims (6)

1.一种植物无土栽培用多功能性聚乙烯醇薄膜，其特征在于：所述的薄膜按重量份数计算，包括

2.如权利要求1所述的植物无土栽培用多功能性聚乙烯醇薄膜，其特征在于：所述的聚乙烯醇聚合度为500～2000、醇解度为96％～99％。

3.一种权利要求1所述的植物无土栽培用多功能性聚乙烯醇薄膜的制备方法，其特征在于：所述的制备方法为，

(1)将聚乙烯醇原料搅碎成粉状料，使下一步混合更加充分、均匀；

(2)将步骤(1)中得到的粉状聚乙烯醇原料与淀粉、抗菌剂、蒸馏水密闭混合充分；

(3)将步骤(2)中得到的混合料进行挤出造粒，并将所得颗粒烘干后经流延机单向拉伸，得到无孔聚乙烯醇薄膜。

4.如权利要求3所述的植物无土栽培用多功能性聚乙烯醇薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，单向拉伸在常温下进行。

5.如权利要求3所述的植物无土栽培用多功能性聚乙烯醇薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，单向拉伸时的牵引速度为100m/min～150m/min。

6.一种权利要求1所述的植物无土栽培用多功能性聚乙烯醇薄膜的应用，其特征在于：所述的应用为，将生长中的植物与泥土分离后，对植物的根系进行施压，然后采用所述的聚乙烯醇薄膜将该植物的根系包裹住，并将根系连同包覆在上面的聚乙烯醇薄膜浸入到营养液中进行植物的无土栽培。