CN107880517A - 保温降解地膜组合物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种保温降解地膜组合物，以重量分数计，包括如下组分：聚碳酸亚丙酯树脂（PPC） 100份，聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT) 50‑70份，增韧改性树脂，30‑50份，保温增温助剂2‑5份；成核剂0.1‑1.0份。该地膜组合物制得的地膜熔体强度高、力学性能优异、保温增温性能好，适合昼夜温差的地区使用。

Description

保温降解地膜组合物及其制备方法
技术领域
本发明属地面覆盖薄膜技术领域，确切地说，涉及一种保温降解地膜组合物及其制备方法。
背景技术
在气温较低的环境下使用农用地面覆盖薄膜( 以下简称地膜)，可以提高农作物的存活率，并且对农作物的生长起到催熟、增产的作用，因此被广泛应用；现有技术通常使用聚乙烯吹塑制备地膜，而聚乙烯原料都来源于石油化工产业等不可再生资源，随着石化资源的日益短缺使地膜原料的长期供应带来危机、成本也越来越高；并且，聚乙烯地膜在使用后不可降解或者需要很久才可缓慢降解，而通常如不处理会给环境带来白色污染，如通过焚烧处理将会带来大量废气污染；而且，在作物幼苗生长后期，幼苗需要顶破地膜才可以健康自由成长，使用现有的聚乙烯地膜需要人工刺破地膜协助幼苗穿透地膜生长，否则会影响作物的生长速度甚至造成作物畸形成长。
为了解决塑料制品造成的“白色污染”问题，使用环境友好的完全生物降解聚合物替代传统的石油基塑料，已成为当前研究开发的热点。
目前，国内外研究报导较多的可生物降解材料主要有微生物合成的聚羟基脂肪酸酯，聚羟基烷酸酯（PHA）等；化学合成的聚碳酸亚丙酯树脂（PPC）、聚碳酸亚丙酯树脂（PPC）、聚己内酸（PCL）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、脂肪族/ 芳香族共聚酯、脂肪族聚碳酸酯（APC）、聚乙烯醇(PVA) 、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)等，部分已经商品化。但由于发展的阶段性，现有的生物降解高分子材料存在着一定不足，如聚碳酸亚丙酯树脂较为便宜，但其熔体强度较低，导致其难以吹膜，双向拉伸所制备薄膜脆性大、撕裂强度低；其它的如聚羟基脂肪酸酯（PHA、PHB、PHBV）、脂肪族聚碳酸酯（APC）、聚乙烯醇(PVA) 等制得的膜都存在力学性能差等问题，而且传统生物降解薄膜地膜存在如下问题：白天因太阳光照射的加热效应，地膜覆盖区域内可以保持较高的气温，利于作物的生长，但是到了夜间或没有太阳光照射时，在昼夜温差大的情况下，地膜覆盖区域由于热量的散失，温度会下降很多，不利于作物的生长；因此，有必要开发一种能有效地避免降低温度的保温膜，利于生物降解塑料的大规模推广使用。
发明内容
本发明的目的之一在于克服现有技术的上述不足，提供一种熔体强度高、力学性能优异、保温增温性能好的全生物降解地膜组合物及其制备方法。
本发明的目的之二在于提供上述保温降解地膜组合物的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种保温降解地膜组合物，以重量份数计，包括如下组分：
聚碳酸亚丙酯树脂（PPC） 100份，聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT) 50-70份，增韧改性树脂，30-50份，保温增温助剂2-5份；成核剂0.1-1.0份。
所述成核剂为SZHD-800成核剂或者水滑石，优选牌号为SZHD-800成核剂。
其中所述PPC为聚碳酸亚丙酯树脂，是由二氧化碳和环氧丙烷聚合而成的一种热塑性高分子材料，数均分子量为20-30 万，分子量分布3-5，玻璃化温度范围为35-40℃，具有较好的生物降解性，60℃强制堆肥条件下6-12月能够完全降解。
所述的PBAT是己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物， 兼具 PBA 和PBT的特性，密度1.10～1.30 g/cm3， 玻璃化转变温度为 -25～-35℃，巴斯夫公司生产。
其中所述增韧改性树脂为低分子量聚己内酯，平均分子量为1000-3000，柔软性极佳，作为PPC、PBAT树脂的增塑增韧改性剂。
其中保温增温助剂由碳酸锶和片状功能母料复配制成，两种组分的重量比为1：（1-2）。
其中所述碳酸锶优选片状碳酸锶，其制备方法如下：
(1) 熟料制备：将选矿富集后的天青石矿与还原煤分别破碎，并以矿煤比1∶0.4 -1∶0.6 的重量比混合，置于焙烧炉中，在1100-1150℃下焙烧1.5- 2.0 小时得到硫化锶熟料。
选矿富集后天青石矿的硫酸锶品位大于60％即可，还原煤以高炭低硫煤为佳。
在天青石矿与还原煤粉混合过程中，加入天青石矿与还原煤粉总量4-6％的水，以降低细粒天青石矿粉和煤粉的损失，同时还原过程中产生大量水煤气成分，增强还原能力。
(2) 熟料浸取：将硫化锶熟料用其重量3-5 倍的水，根据矿石中钡含量情况，加入熟料重量0.5-1％的除钡剂石膏，于90-100℃浸取1- 2 小时，得到含硫化锶、硫氢化锶和氢氧化锶的热水溶液，保温沉降并热过滤得到锶溶液。
(3) 催化氧化：在锶溶液中加入催化剂三酞氰钴磺酸盐金属有机化合物和氧化剂双氧水，于20-80℃搅拌处理，溶液颜色由黄色逐渐变为白色或浅黄色，同时析出大量固体硫磺；沉降过滤。
采用的催化剂加入量为20-50ppm ；采用的氧化剂加入量为溶液中S2-化学当量的1-1.05倍。
(4) 碳化处理：上述滤液采用碳酸钠进行碳化，使滤液中的锶离子沉淀完全，过滤分离，用水洗涤，干燥得到片状碳酸锶粒子。
采用碳酸钠进行碳化时，在滤液中加入质量浓度15-25％的碳酸钠溶液，于25-50℃进行碳化，使滤液中的锶离子沉淀完全并稍过量，过滤分离后用水洗涤至无碳酸根后，干燥得到片状碳酸锶粒子。
以上制备方法将破碎后的天青石粉粒和煤粉及少量的水混合均匀，使还原煤粉与天青石粉粒充分接触，同时将微细的天青石矿粉粘结在大颗粒上，提高天青石的利用率；同时还原过程中产生大量水煤气成分，增强还原能力；通过控制碳酸化物料加入速度和碳化温度，能使晶体呈特殊的片状结晶结构生长；碳化条件控制简单，所得产品形貌特异，粉体流动性、疏散性良好。
其中所述片状功能母料优选片状硅酸盐，更优选滑石粉或者蒙脱土。
本发明组合物中还可以加入防雾滴剂，优选对羟基苯甲酸丁酯，用量为0.01-0.05份。
本发明保温降解地膜组合物的制备方法如下：
（1）将碳酸锶和片状功能母料混匀，制成保温增温助剂；
（2）将PPC、PBAT放到80℃烘箱中烘干4小时，取出，备用；
（3）将PPC、PBAT、保温增温助剂及其他原料加入到混合机中高速搅拌，搅拌时间5分钟，放出物料；
（4）将混配好的物料投入到双螺杆挤出机中挤出造粒，双螺杆挤出机温度为150℃~170℃，喂料频率为20 Hz ~25Hz，主机转速为 100 r/min ~150r/min，最后经冷却、切粒即得组合物。
将以上组合物在170-195℃条件下吹膜，膜厚为8-20μm。
本发明的有益效果在于：
本发明的保温降解地膜组合物中的片状碳酸锶能够将太阳光转变为红外光，加热快，利于增温，所含的功能母料为片状，太阳光进入时是直射，散热是折射，部分热量会保留在膜中，不易散热，使得制备的地膜保温增温性能好。
具体实施方式
以下实施例中所用碳酸锶的制备方法如下：
将含SrSO471.94％、CaCO30.77％、BaCO30.66％、SiO24.22％的天青石矿200 克破碎成2-5mm 的颗粒，与80 克同样粒径的还原媒粉混合，同时加入总重量14mL 的水，然后置于1150℃焙烧2 小时，得到黑灰160 克( 其中水溶性锶含量为80％，还原反应率92％ )；将黑灰和1g 200 目的石膏粉投入至800ml 水中浸取，维持水温在95±2℃，浸取时间2 小时，分离后以200ml 水洗涤滤渣，洗液并入浸取滤液中。在不断搅拌和冷却下，加入三酞氰钴磺酸盐金属有机化合物，使溶液中催化剂浓度为35ppm，然后加入70ml 过氧化氢溶液，冷却至室温，沉降过滤洗涤得硫磺副产品；滤液和洗液在25-50℃条件下加入质量浓度25％的碳酸钠溶液，至滤液中的锶离子沉淀完全并稍过量，得到沉降速度较快的碳酸锶浆液，过滤分离后用水洗涤至无碳酸根后干燥得到形貌特殊的碳酸锶粉体，该方法通过控制碳酸化物料加入速度和碳化温度，能使晶体呈特殊的片状结晶结构生长；碳化条件控制简单，所得产品形貌特异，粉体流动性、疏散性良好。
按碳酸锶国标分析测试，产品中的SrCO3 含量98.58％，CaCO3 含量0.16％，BaCO3含量0.23％，Na 含量0.19％，Fe 含量( 以Fe2O3 计) 小于0.01％，氯化物( 以Cl 计) 小于0.08％，总硫( 以S 计) 小于0.05％，P 未检出，水分小于0.20％ ；扫描电镜图片显示为颗粒均匀的片状粒子。
实施例中所用PPC牌号为南阳中聚生产的PPC101；PBAT牌号为BX8145，性能指标如下：熔点125-135℃，密度1.18g/ml-1.3g/ml；所用聚己内酯为低分子量PCL，性能指标如下：平均分子量2000，玻璃化温度-60℃；所用滑石粉牌号为 TS-399 ，粒径1250目；所用蒙脱土牌号为 DK1N，生产厂家浙江丰虹；所用防雾滴剂为对羟基苯甲酸丁酯。
表1为实施例1-6和对比例1-3的配方，表2为实施例7-8和对比例4-5的配方，表中单位为kg，对比例中所用增塑剂为柠檬酸丁酯。
表1 实施例1-6和对比例1-3的配方
。
表2 实施例7-8和对比例4-7的配方
。
对比例4与实施例8相比，将SZHD-800成核剂替换成二氧化硅成核剂；对比例5配方与实施例8相同，不同点在于所用碳酸锶不是片状，而是纺锤状，制备方法如下: 将一定浓度的氯化锶和碳酸铵溶液配成W/O型微乳液， 然后使其在一定条件下进行等量混合并在离心机中以 3000r/min 的转速离心， 最后将沉淀洗涤数次并经干燥即可制得粒子尺寸分布较窄的纺锤状碳酸锶粉体。
实施例、对比例的制备方法如下：
（1）将碳酸锶和片状功能母料混匀，制成保温增温助剂；
（2）将PPC、PBAT放到80℃烘箱中烘干4小时，取出，备用；
（3）将PPC、PBAT、保温增温助剂及其他原料加入到混合机中高速搅拌，搅拌时间5分钟，放出物料；
（4）将混配好的物料投入到双螺杆挤出机中挤出造粒，双螺杆挤出机温度为150℃~170℃，喂料频率为20 Hz ~25Hz，主机转速为 130r/min，最后经冷却、切粒即得组合物；将组合物在170-195℃条件下吹膜，膜厚为8μm。
将以上实施例、对比例性能测试结果见下表3、表4，温度测试用制成的8μm膜在冬天的某一天同时进行测试。
表3实施例和对比例性能测试结果
。
注:薄膜透光率测试依据GB/T2410-2008标准测试，薄膜厚度0.01mm，10层叠加。
表4实施例和对比例性能测试结果
。
注:薄膜透光率测试依据GB/T2410-2008标准测试，薄膜厚度0.01mm，10层叠加。
本发明选用实施例7-8和对比例4-5及普通8μm PE膜在新疆作了棉花种植试验，试验于 2015 年 4 月在新疆生产建设兵团进行，试验田土壤型为灰漠土；年平均气温 6.5度，无霜期 160d 左右，试验中个试验组土壤、水、肥等条件一致。
不同地膜覆盖下棉花的出苗率及现蕾期生长情况见表5。
表5棉花地膜覆盖试验结果
。
土壤温度也是直接或间接影响作物生长发育、产量的重要因子； 4 月份，早春低温，此时 0-10 cm 土层温度对棉花种子出苗率起至关重要的作用；与传统聚乙烯地膜相比，日平均土壤温度实施例7-8地膜低于普通膜，而夜平均土壤温度实施例7-8降解地膜均高于普通膜；普通膜较薄，透光性好，但保温性能差，在苗期白天表层升温迅速，而夜间温度下降快，温度不稳定；但降解地膜白天膜内温度上升缓慢，同时在夜间较低温度时膜内温度下降也较缓慢；因此降解膜表现出较好的保温性能，这与其出苗率最高保持一致。
不同地膜覆盖下棉花的产量情况见表6。
表6 不同地膜覆盖下棉花的产量情况
。
在棉花生长整个生育期中，本发明生物降解地膜具有与普通膜相当的增温、保墒性能，尤其在保温性能方面优于传统普通地膜，不会出现膜内升温过快而 “烫苗” 现象，不会因为温度下降过快而影响幼苗发育，对于昼夜温差大的新疆来说，这是聚乳酸生物降解地膜的优势。
以上内容描述了本发明的基本原理和主要特征，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种保温降解地膜组合物，以重量份数计，包括如下组分：聚碳酸亚丙酯树脂100份，聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT) 50-70份，增韧改性树脂，30-50份，保温增温助剂2-5份，成核剂0.1-1.0份。
2.根据权利要求1所述的保温降解地膜组合物，其特征在于所述成核剂为SZHD-800成核剂或者水滑石。
3.根据权利要求1所述的保温降解地膜组合物，其特征在于所述聚碳酸亚丙酯树脂数均分子量为20-30 万，分子量分布3-5，玻璃化温度范围为35-40℃。
4.根据权利要求1所述的保温降解地膜组合物，其特征在于所述的聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯是己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物，密度1.10～1.30 g/cm3， 玻璃化转变温度为 -25～-35℃。
5.根据权利要求1所述的保温降解地膜组合物，其特征在于所述增韧改性树脂为低分子量聚己内酯，平均分子量为1000-3000。
6.根据权利要求1所述的保温降解地膜组合物，其特征在于所述保温增温助剂由碳酸锶和片状功能母料复配制成，两种组分的重量比为1：（1 -2）。
7.根据权利要求6所述的保温降解地膜组合物，其特征在于所述碳酸锶为片状碳酸锶，片状碳酸锶制备方法如下：
(1) 熟料制备：将选矿富集后的天青石矿与还原煤分别破碎，并以矿煤比1∶0.4 -1∶0.6 的重量比混合，置于焙烧炉中，在1100-1150℃下焙烧1.5- 2.0 小时得到硫化锶熟料；在天青石矿与还原煤粉混合过程中，加入天青石矿与还原煤粉总量4-6％的水；
(2) 熟料浸取：将硫化锶熟料用其重量3-5 倍的水，根据矿石中钡含量情况，加入熟料重量0.5-1％的除钡剂石膏，于90-100℃浸取1- 2 小时，得到含硫化锶、硫氢化锶和氢氧化锶的热水溶液，保温沉降并热过滤得到锶溶液；
(3) 催化氧化：在锶溶液中加入催化剂三酞氰钴磺酸盐金属有机化合物和氧化剂双氧水，于20-80℃搅拌处理，溶液颜色由黄色逐渐变为白色或浅黄色，同时析出大量固体硫磺；沉降过滤；采用的催化剂加入量为20-50ppm ；采用的氧化剂加入量为溶液中S2- 化学当量的1-1.05倍；
(4) 碳化处理：上述滤液采用碳酸钠进行碳化，使滤液中的锶离子沉淀完全，过滤分离，用水洗涤，干燥得到片状碳酸锶粒子；采用碳酸钠进行碳化时，在滤液中加入质量浓度15-25％的碳酸钠溶液，于25-50℃进行碳化，使滤液中的锶离子沉淀完全并稍过量，过滤分离后用水洗涤至无碳酸根后，干燥得到片状碳酸锶粒子。
8.根据权利要求6所述的保温降解地膜组合物，其特征在于所述片状功能母料为片状硅酸盐，选自滑石粉或者蒙脱土。
9.根据权利要求1所述的保温降解地膜组合物，其特征在于还可以加入防雾滴剂对羟基苯甲酸丁酯，用量为0.01-0.05份。
10.根据根据权利要求1所述保温降解地膜组合物的制备方法，其特征在于依次包括如下步骤：
（1）将碳酸锶和片状功能母料混匀，制成保温增温助剂；
（2）将PPC、PBAT放到80℃烘箱中烘干4小时，取出，备用；
（3）将PPC、PBAT、保温增温助剂及其他原料加入到混合机中高速搅拌，搅拌时间5分钟，放出物料；
（4）将混配好的物料投入到双螺杆挤出机中挤出造粒，双螺杆挤出机温度为150℃~170℃，喂料频率为20 Hz ~25Hz，主机转速为 100 r/min ~150r/min，最后经冷却、切粒即得组合物。
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