CN107880322B - 一种低能耗制备高强度、生物降解塑料地膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地膜制备的技术领域，提供了一种低能耗制备高强度、生物降解塑料地膜的方法。该方法将聚乳酸纤维、热塑性淀粉纤维及剑麻纤维预处理后，分别进行离析和分散，得到单纤维，将制得三种单纤维分散液混合，打浆分散相互交织形成悬浮液，利用成网机构铺设展开后利用辊压热定型干燥制成高强度的可降解地膜。其显著效果是制备过程中三种纤维原料之间相互交结，制得地膜的强度较常规工艺的更高；同时无污染排放，能耗比常规工艺低，且生物降解性能良好，环保性佳。
Description
技术领域
本发明属于地膜制备的技术领域，提供了一种低能耗制备高强度、生物降解塑料地膜的方法。
背景技术
地膜栽培技术极大促进了农业的发展，获得了显著的经济效益。目前广泛使用的农用地膜主要是塑料地膜，它能起到保温护根、防冻、保墒、调节光照、节水、除 草，以及控制土壤盐碱度的作用，进而促进作物早熟，提高作物产量和质量。地膜覆盖技术在我国有着广泛的发展前景，并在农业生产中发挥越来越重要的作用。
目前，生产使用中的地膜大多数是有聚乙烯催塑而成的一种高分子碳氢化合物透明膜，其可以保持土壤的水分，提高地温，促进土壤氢份分解，提高作物产量，但这种高分子塑料和你在对称稳定，强度好，残膜要变成对土壤无害的物资需要上百年时间，同时残留在土壤中的地膜对土壤耕性、通气性等产生不良影响，破坏土壤结构，影响水其养分运行，从而导致土壤污染和农作物减产。因此可降解地膜成为农用塑料地膜发展的必然趋势。
可降解地膜主要包括生物降解、光降解和化学简介，这三种主要降解的过程相互间具有增效、协同和连贯作用，目前研究应用较多的有光降解地膜和生物降解地膜。由于光降解地膜降解快、不易控制，制品旨在光的作用下降解，而农膜在泥土中的遮盖部分不降解，因此其应用受到很大的限制，因而生物降解塑料是最重要的一类降解塑料地膜。生物降解塑料包括微生物合成高分子型、化学合成高分子型、天然高分子型，其中天然高分子型包括淀粉生物降解地膜和纤维素基降解塑料地膜。由于纤维素分子间有强氢键，取向高、洁净度高，不溶于一般溶剂，高温下分解而不熔融，难以塑化，不易成膜，因此需要改性。一般改性的方法有酯化、醚化，以及氧化成醛、酮、酸等。然后可采取挤出吹塑成型、挤出流延成型和双向拉伸薄膜成型的方法制得可降解生物塑料薄膜。
目前国内外在生物降解地膜，尤其是香气塑料母料方面已取得了一定成效。其中高凡发明了一种新型淀粉基纤维素可降解塑料膜的制备方法（中国发明专利申请号201210480137.2），此方法采用玉米淀粉、小麦淀粉、大米淀粉、甘薯淀粉或马铃薯淀粉，聚乙烯醇作为增强剂提高可降解塑料的力学性能，采用棉纤维制成醋酸纤维素与淀粉交联，制成可降解塑料膜，交联剂为柠檬酸三丁酯，催化剂为浓硫酸。另外，边新超等人发明了一种可生物降解材料和生物降解塑料地膜（中国发明专利申请号201710352870.9），包括以下组分：聚乳酸50～90重量份、聚酯增塑剂5～50重量份和交联剂0.5～15重量份；此发明提供的可生物降解材料采用由二元酸、二元醇和三元醇共聚合制得的聚酯增塑剂与脂肪族聚酯和交联剂相互作用，使其制备的生物降解塑料地膜具有可生物降解性，且具有较高的强度和延伸率，具有良好的熔体稳定性。
可见，现有技术中对制备生物塑料的纤维素改性处理方法较复杂，成本高且存在残留试剂影响环境，改性后的纤维素降解缓慢且不完全，同时传统制备可降解地膜的方法单一，能耗较高，污染性较大，并且制备的地膜强度低、生物降解缓慢。
发明内容
针对这种情况，本发明提出一种低能耗制备高强度、生物降解塑料地膜的方法，其技术特点是以聚乳酸纤维为主要成分，辅以热塑性淀粉纤维、剑麻纤维通过湿法制备环保地膜；将置于水介质中的纤维原料分散成单纤维，然后将三种纤维原料混合，由打浆器分散交织制成纤维悬浮浆，通过成网机构铺设展开后，利用辊压热定型干燥制成高强度的可降解地膜。其显著效果是制备过程中三种纤维原料之间相互交结，制得地膜的强度较常规工艺的更高；同时无污染排放，能耗比常规工艺低，且生物降解性能良好，环保性佳。
本发明涉及的具体技术方案如下：
一种低能耗制备高强度、生物降解塑料地膜的方法，将聚乳酸纤维、热塑性淀粉纤维及剑麻纤维分别进行离析和分散，得到单纤维，然后将三种单纤维分散液混合，打浆分散相互交织形成悬浮液，利用成网机构铺设展开后利用辊压热定型干燥即得高强度的生物降解塑料地膜；制备的具体步骤如下：
（1）按质量比（1～2）：（2～3）：1，分别称取聚乳酸纤维、热塑性淀粉纤维及剑麻纤维；
（2）按一定的重量份配制冰醋酸、玻璃粉及水组成的混合离析液，将聚乳酸纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在一定的加热温度下离析一定时间，并搅拌分散，使聚乳酸纤维解束分散为单纤维；同样采用上述方法将热塑性淀粉纤维及剑麻纤维分别解束为单纤维；
（3）将步骤（2）所得的三种单纤维的分散液混合，采用打浆器分散，使单纤维之间相互交织形成纤维悬浮浆，然后通过成网机构铺设展开，再辊压热定型，使不同纤维之间形成较强的结合，干燥，即可制得高强度的、可生物降解的地膜。
优选的，步骤（1）所述剑麻纤维为金边番麻、银边假菠萝麻、银边龙舌兰、假菠萝麻、千寿兰、丝兰或凤尾兰中的至少一种。
优选的，步骤（1）所述聚乳酸纤维、热塑性淀粉纤维及剑麻纤维的纤维截面直径为20～200μm。
优选的，步骤（2）聚乳酸纤维解束过程中，各组分的重量份数为：聚乳酸纤维4～6份、冰醋酸13～15份、玻璃粉10～12份、水67～73份；所述加热温度为70～80℃，离析时间为12～14h。
优选的，步骤（2）热塑性淀粉纤维解束过程中，各组分的重量份数为：热塑性淀粉纤维3～5份、冰醋酸15～20份、玻璃粉16～18份、水57～66份；所述加热温度为88～95℃，离析时间为10～13h。
优选的，步骤（2）剑麻纤维解束过程中，各组分的重量份数为：其中剑麻纤维6～8份、冰醋酸8～10份、玻璃粉12～14份、水68～74份；所述加热温度为55～65℃，离析时间为7～8.5h。
优选的，步骤（2）所述搅拌分散的搅拌速度为120～150r/min。
优选的，步骤（3）所述打浆器为圆柱打浆器、锥形打浆器或螺旋打浆器的一种，功率为15～25kW，打浆转速为1400～1500r/min，打浆时间为10～20min。
优选的，步骤（3）所述辊压热定型为至少3组热压辊筒，热压温度80-100℃。
将本发明制备生物降解塑料薄膜的方法与化学合成法、微生物合成法及完全型淀粉添加的生物降解地膜的拉伸强度、断裂伸长率、90天降解率、能耗及环保性进行对比，如表1所示，可见，本发明的方法能耗低且环保性好，制得的生物降解塑料强度高，降解性好。
表1：
本发明提供了一种低能耗制备高强度、生物降解塑料地膜的方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1.本发明的制备方法，制备过程中将三种纤维原料之间相互交结，制得地膜的强度较常规工艺的更高，力学性能好，应用前景广。
2.本发明的制备方法解决了传统生物塑料地膜加工成型困难，成本高，工艺复杂的缺陷，制备过程能耗低、成本低。
3、本发明的方法制备过程中无污染排放，适合于规模化生产。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
称取2kg聚乳酸纤维、2kg热塑性淀粉纤维及1kg剑麻纤维，长度剪至40mm；将15kg冰醋酸、12kg玻璃粉及67kg水配置为混合离析液，将6kg聚乳酸纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在80℃的加热温度下离析12h，并搅拌分散，使聚乳酸纤维解束分散为单纤维；将20kg冰醋酸、16kg玻璃粉及60kg水配置为混合离析液，将4kg热塑性淀粉纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在88℃的加热温度下离析13h，并搅拌分散，使热塑性淀粉纤维解束分散为单纤维；将10kg冰醋酸、12kg玻璃粉及70kg水配置为混合离析液，将8kg剑麻纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在65℃的加热温度下离析7h，并以150r/min的速度搅拌分散，使剑麻纤维解束分散为单纤维；将三种单纤维的分散液混合，采用锥形打浆器以1400r/min分散20min，使单纤维之间相互交织形成纤维悬浮浆，然后通过成网机构铺设展开，再通过3组辊筒，在80-100℃辊压热定型，使不同纤维之间形成较强的结合，干燥，即可制得高强度的、可生物降解的地膜。
实施例1制备的生物降解地膜，测试拉伸强度、断裂伸长率、90天降解率、能耗及环保性，得到的结果如表2所示。
实施例2
称取1kg聚乳酸纤维、3kg热塑性淀粉纤维及1kg剑麻纤维，长度剪至25mm；将15kg冰醋酸、10kg玻璃粉及70kg水配置为混合离析液，将5kg聚乳酸纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在70℃的加热温度下离析14h，并搅拌分散，使聚乳酸纤维解束分散为单纤维；将15kg冰醋酸、16kg玻璃粉及64kg水配置为混合离析液，将5kg热塑性淀粉纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在95℃的加热温度下离析10h，并搅拌分散，使热塑性淀粉纤维解束分散为单纤维；将10kg冰醋酸、14kg玻璃粉及70kg水配置为混合离析液，将6kg剑麻纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在55℃的加热温度下离析8.5h，并以150r/min的速度搅拌分散，使剑麻纤维解束分散为单纤维；将三种单纤维的分散液混合，采用锥形打浆器以1500r/min分散10min，使单纤维之间相互交织形成纤维悬浮浆，然后通过成网机构铺设展开，再通过4组辊筒，在80-100℃辊压热定型，使不同纤维之间形成较强的结合，干燥，即可制得高强度的、可生物降解的地膜。
实施例2制备的生物降解地膜，测试拉伸强度、断裂伸长率、90天降解率、能耗及环保性，得到的结果如表2所示。
实施例3
称取1.2kg聚乳酸纤维、2.5kg热塑性淀粉纤维及1kg剑麻纤维，长度剪至30mm；将13kg冰醋酸、12kg玻璃粉及69kg水配置为混合离析液，将6kg聚乳酸纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在75℃的加热温度下离析13h，并搅拌分散，使聚乳酸纤维解束分散为单纤维；将15kg冰醋酸、18kg玻璃粉及62kg水配置为混合离析液，将5kg热塑性淀粉纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在90℃的加热温度下离析11h，并搅拌分散，使热塑性淀粉纤维解束分散为单纤维；将10kg冰醋酸、12kg玻璃粉及70kg水配置为混合离析液，将8kg剑麻纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在58℃的加热温度下离析8h，并以130r/min的速度搅拌分散，使剑麻纤维解束分散为单纤维；将三种单纤维的分散液混合，采用锥形打浆器以1450r/min分散15min，使单纤维之间相互交织形成纤维悬浮浆，然后通过成网机构铺设展开，再通过5组辊筒，在80-100℃辊压热定型，使不同纤维之间形成较强的结合，干燥，即可制得高强度的、可生物降解的地膜。
实施例3制备的生物降解地膜，测试拉伸强度、断裂伸长率、90天降解率、能耗及环保性，得到的结果如表2所示。
实施例4
称取1.8kg聚乳酸纤维、2.2kg热塑性淀粉纤维及1kg剑麻纤维，长度剪至28mm；将13kg冰醋酸、12kg玻璃粉及71kg水配置为混合离析液，将4kg聚乳酸纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在80℃的加热温度下离析12h，并搅拌分散，使聚乳酸纤维解束分散为单纤维；将20kg冰醋酸、16kg玻璃粉及61kg水配置为混合离析液，将3kg热塑性淀粉纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在88℃的加热温度下离析13h，并搅拌分散，使热塑性淀粉纤维解束分散为单纤维；将8kg冰醋酸、12kg玻璃粉及74kg水配置为混合离析液，将6kg剑麻纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在60℃的加热温度下离析7h，并以140r/min的速度搅拌分散，使剑麻纤维解束分散为单纤维；将三种单纤维的分散液混合，采用螺旋打浆器以1400r/min分散20min，使单纤维之间相互交织形成纤维悬浮浆，然后通过成网机构铺设展开，再通过3组辊筒，在80-100℃辊压热定型，使不同纤维之间形成较强的结合，干燥，即可制得高强度的、可生物降解的地膜。
实施例4制备的生物降解地膜，测试拉伸强度、断裂伸长率、90天降解率、能耗及环保性，得到的结果如表2所示。
实施例5
称取2kg聚乳酸纤维、3kg热塑性淀粉纤维及1kg剑麻纤维，长度剪至40mm；将13kg冰醋酸、10kg玻璃粉及73kg水配置为混合离析液，将4kg聚乳酸纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在72℃的加热温度下离析14h，并搅拌分散，使聚乳酸纤维解束分散为单纤维；将20kg冰醋酸、18kg玻璃粉及57kg水配置为混合离析液，将5kg热塑性淀粉纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在92℃的加热温度下离析12h，并搅拌分散，使热塑性淀粉纤维解束分散为单纤维；将8kg冰醋酸、124kg玻璃粉及74kg水配置为混合离析液，将6kg剑麻纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在65℃的加热温度下离析7.5h，并以120r/min的速度搅拌分散，使剑麻纤维解束分散为单纤维；将三种单纤维的分散液混合，采用螺旋打浆器以1500r/min分散18min，使单纤维之间相互交织形成纤维悬浮浆，然后通过成网机构铺设展开，再通过3组辊筒，在80-100℃辊压热定型，使不同纤维之间形成较强的结合，干燥，即可制得高强度的、可生物降解的地膜。
实施例5制备的生物降解地膜，测试拉伸强度、断裂伸长率、90天降解率、能耗及环保性，得到的结果如表2所示。
实施例6
称取2kg聚乳酸纤维、2kg热塑性淀粉纤维及1kg剑麻纤维，长度剪至40mm；将15kg冰醋酸、12kg玻璃粉及67kg水配置为混合离析液，将6kg聚乳酸纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在80℃的加热温度下离析12h，并搅拌分散，使聚乳酸纤维解束分散为单纤维；将18kg冰醋酸、16kg玻璃粉及62kg水配置为混合离析液，将4kg热塑性淀粉纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在95℃的加热温度下离析10h，并搅拌分散，使热塑性淀粉纤维解束分散为单纤维；将10kg冰醋酸、12kg玻璃粉及72kg水配置为混合离析液，将8kg剑麻纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在65℃的加热温度下离析7h，并以150r/min的速度搅拌分散，使剑麻纤维解束分散为单纤维；将三种单纤维的分散液混合，采用圆柱打浆器以1420r/min分散18min，使单纤维之间相互交织形成纤维悬浮浆，然后通过成网机构铺设展开，再通过3组辊筒，在80-100℃辊压热定型，使不同纤维之间形成较强的结合，干燥，即可制得高强度的、可生物降解的地膜。
实施例6制备的生物降解地膜，测试拉伸强度、断裂伸长率、90天降解率、能耗及环保性，得到的结果如表2所示。
对比例1
称取2kg聚乳酸纤维、2kg热塑性淀粉纤维及1kg剑麻纤维，长度剪至40mm；将12kg玻璃粉及67kg水配置为混合离析液，将6kg聚乳酸纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在80℃的加热温度下离析12h，并搅拌分散，使聚乳酸纤维解束分散为单纤维；将16kg玻璃粉及62kg水配置为混合离析液，将4kg热塑性淀粉纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在95℃的加热温度下离析10h，并搅拌分散，使热塑性淀粉纤维解束分散为单纤维；将12kg玻璃粉及72kg水配置为混合离析液，将8kg剑麻纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在65℃的加热温度下离析7h，并以150r/min的速度搅拌分散，使剑麻纤维解束分散为单纤维；将三种单纤维的分散液混合，采用圆柱打浆器以1420r/min分散18min，使单纤维之间相互交织形成纤维悬浮浆，然后通过成网机构铺设展开，再通过3组辊筒，在80-100℃辊压热定型，使不同纤维之间形成较强的结合，干燥，即可制得高强度的、可生物降解的地膜。
对比例1制备的生物降解地膜，测试拉伸强度、断裂伸长率、90天降解率、能耗及环保性，得到的结果如表2所示。
对比例1
称取2kg聚乳酸纤维、2kg热塑性淀粉纤维及1kg剑麻纤维，直接通过热混炼、压延成型为薄片；由于为纤维混炼，混炼不均匀，而且纤维遭到热混炼和剪切破坏，得到的薄片强度极低，难以作为薄膜使用。
对比例2制备的生物降解地膜，测试拉伸强度、断裂伸长率、90天降解率、能耗及环保性，得到的结果如表2所示。
表2：
Claims (8)
1.一种低能耗制备高强度、生物降解塑料地膜的方法，将聚乳酸纤维、热塑性淀粉纤维及剑麻纤维分别进行离析和分散，得到单纤维，然后将三种单纤维分散液混合，打浆分散相互交织形成悬浮液，利用成网机构铺设展开后利用辊压热定型干燥即得高强度的生物降解塑料地膜；制备的具体步骤如下：
（1）按质量比（1～2）：（2～3）：1，分别称取聚乳酸纤维、热塑性淀粉纤维及剑麻纤维；
（2）按一定的重量份配制冰醋酸、玻璃粉及水组成的混合离析液，将聚乳酸纤维加入离析液中，并置于恒温水浴锅中，在一定的加热温度下离析一定时间，并搅拌分散，使聚乳酸纤维解束分散为单纤维；同样采用上述方法将热塑性淀粉纤维及剑麻纤维分别解束为单纤维；
（3）将步骤（2）所得的三种单纤维的分散液混合，采用打浆器分散，使单纤维之间相互交织形成纤维悬浮浆，然后通过成网机构铺设展开，再辊压热定型，使不同纤维之间形成较强的结合，干燥，即可制得高强度的、可生物降解的地膜。
2.根据权利要求1所述一种低能耗制备高强度、生物降解塑料地膜的方法，其特征在于：步骤（1）所述聚乳酸纤维、热塑性淀粉纤维及剑麻纤维的纤维截面直径为20～200μm。
3.根据权利要求1所述一种低能耗制备高强度、生物降解塑料地膜的方法，其特征在于：步骤（2）聚乳酸纤维解束过程中，各组分的重量份数为：聚乳酸纤维4～6份、冰醋酸13～15份、玻璃粉10～12份、水67～73份；所述加热温度为70～80℃，离析时间为12～14h。
4.根据权利要求1所述一种低能耗制备高强度、生物降解塑料地膜的方法，其特征在于：步骤（2）热塑性淀粉纤维解束过程中，各组分的重量份数为：热塑性淀粉纤维3～5份、冰醋酸15～20份、玻璃粉16～18份、水57～66份；所述加热温度为88～95℃，离析时间为10～13h。
5.根据权利要求1所述一种低能耗制备高强度、生物降解塑料地膜的方法，其特征在于：步骤（2）剑麻纤维解束过程中，各组分的重量份数为：其中剑麻纤维6～8份、冰醋酸8～10份、玻璃粉12～14份、水68～74份；所述加热温度为55～65℃，离析时间为7～8.5h。
6.根据权利要求1所述一种低能耗制备高强度、生物降解塑料地膜的方法，其特征在于：步骤（2）所述搅拌分散的搅拌速度为120～150r/min。
7.根据权利要求1所述一种低能耗制备高强度、生物降解塑料地膜的方法，其特征在于：步骤（3）所述打浆器为圆柱打浆器、锥形打浆器或螺旋打浆器的一种，功率为15～25kW，打浆转速为1400～1500r/min，打浆时间为10～20min。
8.根据权利要求1所述一种低能耗制备高强度、生物降解塑料地膜的方法，其特征在于：步骤（3）所述辊压热定型为至少3组热压辊筒，热压温度80-100℃。
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