CN109566214B - 一种可降解农用地膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可降解农用地膜及其制备方法，所述地膜采用填充质与废纤基网的复合，整体在垂直方向呈密度梯度分布，纤维间以“平行+垂直”交错混合式结构成网。本发明在播种后能起到保温保墒效果，提高作物出苗成活率，且抑制杂草效果明显；在使用后无需特殊处理，可自然降解，或可直接翻耕于土壤中，不影响下一轮作物的种植与生长；不仅可直接用于当季农作物生长，也可用于林果园艺中抑制杂草、促进水肥有效利用、调节土壤结构，尤其适用于盐碱土壤等；由于采用废纤，因此原料易得且成本低。

Description

一种可降解农用地膜及其制备方法
技术领域
本发明属于农业生产领域，特别涉及一种可降解农用地膜及其制备方法。
背景技术
农用地膜的使用为农业生产带来了很多益处，如可通过增温、保墒、抑制杂草等作用，实现缩短生长周期和提高产量等。但作物生长季节结束后，地膜既不降解，又无法完整回收，造成了残膜滞留田间的“白色污染”，并对下一轮作物生长和土壤长期耕种的适宜性造成了较大的影响，如抑制作物根部生长、造成土壤板结等。
为改变这种现状，常采用可降解地膜作为替代产品。但这类产品仍存在三个关键问题：一是原料和成本问题，二是农业生产效果问题，三是降解性能及降解产物对环境的影响等问题。
从原料和成本角度来看，现有可降解地膜的原料可分为石油基衍生物和粮食基聚合物两大类，专利CN108219330中采用了(N-脒基)十二烷基丙烯酸酰胺和聚乙二醇等作为主要成分，专利CN107820970中聚乙烯和淀粉是可降解母料的主要成分，这类石油基衍生物为原料的地膜，存在成本随着石油资源的减少成本增高的影响，不适于农业发展；同时淀粉等属于可降解的粮食基聚合物，存在与民争粮的潜在危机，也不适合长期发展。而且不可忽视的是，在以聚乙烯(文中简称“PE”)为主要成分的地膜中，采用添加其他材料实现的降解，实为“崩解”，会产生难以清除的碎片，危害更大。
从农业生产效果来看，目前的可降解地膜存在降解周期过短或过长等降解不可控的问题。专利CN104109359B中采用了降解聚酯和聚乙烯醇为主要成分制备可降解地膜，这种地膜降解周期短，在覆膜后7天左右开始分解，至5个月后可完全分解。在实际生产中，这种降解过快的地膜难以有效抑制杂草生长，在作物上生长后期会产生草与苗争水争肥的问题，而不得不增加生产成本采用人工或药剂除草来解决。
从降解效果来看，目前的可降解地膜可以分为两大类：一类是采用可降解母粒通过塑料吹膜成型的，如：生物可降解地膜、光可降解地膜以及光-生物双降解地膜等；另一类是其他形式的可降解地膜，如纸地膜、液态地膜、麻地膜、无纺布地膜等不同类型的可降解地膜。
这两类地膜虽各有优势，但也存在一定的问题。如第一类中，三种塑料吹膜的可降解地膜存在的共性问题是加工困难、力学性能差、降解速率难控制，关键是降解后的小颗粒仍然无法移除，且可能存在二次污染的隐患。第二类中的纸地膜抗风雨能力差、易破碎，不适宜机械铺膜等问题；液态地膜的问题在于降解速度快、保温效果差；麻地膜的问题在于厚重和成本过高，对产量提高作用不显著等；无纺布地膜的问题在于透气量大而易于水汽蒸发，使得其保墒和保温效果差于现用PE膜的效果。
因此，在可降解且降解无害化的前提下，目前急需一种来源广、成本低、非石油基非粮食基的原料，来制备机械性能良好的、对作物生长有益且降解后可堆肥的农用地膜。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可降解农用地膜及其制备方法，该地膜在播种后能起到保温保墒效果，提高作物出苗成活率，且抑制杂草效果明显；在使用后无需特殊处理，可自然降解，或可直接翻耕于土壤中，不影响下一轮作物的种植与生长；不仅可直接用于当季农作物生长，也可用于林果园艺中抑制杂草、促进水肥有效利用、调节土壤结构，尤其适用于盐碱土壤等。
本发明提供了一种可降解农用地膜，包括表层、中间层和底层，所述表层由表层纤网与填充质加压复合形成；所述中间层由交错分布的纤维与填充质混合形成；所述底层由底层纤网与填充质混合形成。
所述地膜的表层孔隙相对最小，底层孔隙相对最大，中间层孔隙介于两者之间。
所述表层孔隙较小、结构密实，以较低透气量减少土壤表层的热量与水分耗散，形成保温保墒及相应功能的关键结构层；中间层孔隙小且结构强韧，以轻细纤维与粗短纤维的摩擦及结构设计来提高地膜的强度，同时也可实现保温保墒的功能，是形成良好机械强度的关键层；底层孔隙略大，以利于作物根部呼吸及水分、酶等物质交互活动，是形成保护作物生长的有效层，如图1所示。
所述地膜定位开有十字孔。在平面方向，根据作物生长要求株距开十字孔，以利于作物出苗，且保证作物出苗成活率。在表观上，所开孔的地膜表面没有明显孔洞。这样不仅在播种后对作物出苗不会造成阻力，也不会出现烫苗、伤苗等现象，以提高出苗成活率，且其所开十字孔无明显孔洞，可实现最优化的保温保墒效果，如图2所示。
本发明还提供了一种可降解农用地膜的制备方法，包括：
(1)取天然纤维废料，喷入乳化剂(或乳化剂和水)，堆放待用；
(2)对天然纤维废料进行开松混合、梳理喂入、铺网成型，得到纤网；其中，铺网成型采用交叉式铺叠成网与压入式气流成网相结合的方式；
(3)对步骤(2)得到的纤网进行加固，然后加入填充质，烘干并加压成型；
(4)最后定位开孔，得到可降解农用地膜。
所述步骤(1)中的天然纤维废料取自纺织生产中筛分后的废纤或下脚料，或者取自废旧纺织品，如亚麻、羊毛、棉、蚕丝、苎麻、罗布麻、木棉等。为避免多次繁复加工引起高成本，以及原料筛分后使资源实现最优化利用的前提下，所采用的是工业或生活弃用料。此处的弃用料涵盖了废旧和废弃纤维，对于废旧纤维，可经物理机械撕扯后，通过开松除杂待用。
所述步骤(1)中的乳化剂的加入量为天然纤维废料重量的2～3％。
所述步骤(1)中的堆放时间以12～24小时为宜。
所述步骤(2)中的开松混合采用多仓混棉机和定重式喂料机，
以实现横铺直取的均匀效果和定重的多组分混合均匀成网，混棉箱内做防粘处理。同时，因原料多属废纤成分，故需对除尘处理加以控制，除尘处理风量可依设备型号而定，优选为14m/h～32m/h。
所述步骤(2)中的梳理机构采用罗拉-锡林式，同时附加杂乱罗拉。
优选的，锡林直径为850mm或1100mm，锡林转速为70r/min或25～30m/min，幅宽为1500mm或2000mm，梳理后薄网克重为10～12±1g/m2。
所述步骤(2)中的铺网成型工艺，创新地采用交叉式铺叠成网与压入式气流成网相结合，形成底层以平行铺放纤维为主要结构，中间层和表层受压入式气流作用，形成轻细纤维平行、粗短纤维垂直的“平行+垂直”交错混合式结构，这种结构可增大纤维间的接触与摩擦，提高纤网强力和均匀度，在结构上克服了此种地膜孔隙率大的问题，减少了透气量，可提高保温保墒效果，同时还使该地膜纵横向强力均匀，且有增韧效果。
优选的，以8～10层叠加为宜，幅宽输入为1500mm/2000mm，输出为1500mm-2200mm，铺网速度为80～100m/min。
所述步骤(3)中的加固采用针刺加固或热粘合加固。
所述热粘合加固涉及的热熔性聚合物纤维为可降解材料，如聚乳酸(PLA)纤维等。
所述针刺加固工艺，可用于加工各种天然纤维废纤或下脚料。其中优选的，针刺加固工艺流程为：预针刺→上刺→下刺→输出。针刺加固工艺参数：预针刺机工作幅宽为1.8～2.2米(优选2.0米)，针刺动程为45～55mm，针刺频率为600m/s，主针刺机工作幅宽为2.0米，针刺动程为40mm，针刺频率为600m/s。
所述热粘合加固工艺，适于加工含热熔性聚合物纤维或颗粒与各种天然纤维废纤或下脚料的混合原料。其中热粘合加固方法，优选单滚筒圆网热风穿透式粘合，进一步优选的，热熔性聚合物纤维占比为30％～50％，热风温度为160～180℃，自然压力，工作幅宽1.5～2.2米。
所述步骤(3)中的填充质的传热系数等于或小于天然纤维废料。
所述填充质可以为：常用的氮、磷、钾肥，或相应的可控缓释肥等有助于作物生长的营养所需，但又不限于以上所述。填充质类型需选择传热系数等于或小于基布原料的，以确保其保温性能不因填充质的加入而降低，具体可根据生产所需功能进行材料组合，填充质的种类和形态不受限制，可为粘稠液态，也可为粉状或颗粒状固态等。
所述步骤(3)中的加压处理，应以填充质完全与非织造基布复合为宜。加压处理还可促进非织造基布纤维层间的结构紧实，降低透气量，以实现保温保墒效果，且可进一步地增强增韧，提高其机械铺植强度。
针对不同农作物的行距与株距要求，在生产中对地膜采用孔眼定位的方式，等距离机械开孔，所开孔为十字孔，两条边长分别为3±1cm，所开十字孔在地膜表面不形成明显的孔洞。
所述开孔方式可采用切割式、或刺割式。地膜基布的幅宽应与农业种植要求一致，开孔位置定位应依农业种植所需的株距要求、行距要求等综合计算后，定位开孔。优选的，根据不同作物生长需求，地膜基布的幅宽、孔位等与相应作物种植要求一致。这样可提高本发明地膜的保温保墒性，且抑制杂草效果良好，提高出苗成活率。
在上述各加工步骤中，如需进一步地提高地膜的机械拉伸性能，可选用薄层吹塑膜复合。这当中，一是母粒选择，最好为淀粉类、或其他可短期降解的物质；二是膜结构要尽可能薄，降低成本的同时，还需保证出苗不受影响。
有益效果
1)本发明采用工业或生活弃用的天然可降解纤维材料，一是解决了工业或生活废弃品的污染问题，二是避免从原始原料开始加工的多工序劳动，降低生产成本的同时原料经分级筛选，可实现资源利用效益最大化；
2)本发明采用非织造工艺，可降低对原料来源的限制性，从而实现更广泛的原料组合；
3)本发明在工艺中，通过横纵向铺网、加固，以及加入填充质加压处理等，不仅减小了基布孔隙，降低其透气率提高其保温性，而且实现了增韧增强，提高其机械强度；
4)本发明的填充质的类型与形态等可多样化选择、组合，可实现地膜的多功能性；
5)本发明采用十字孔眼定位加工，不仅可满足作物发芽阶段所需的温湿度要求，而且不影响作物破膜出苗，实现较好地出苗率；
6)本发明地膜不仅可有效实现保温保墒、抑制杂草，而且升温平稳，不会产生滴露灼伤滴灌带，及膜内高温伤苗等现象，且有利于根系生长；
7)本发明地膜的物理机械性能优良，在冰雹雨雪等自然灾害情况下，抗灾效果优于吹塑成膜的地膜产品；
8)本发明地膜，原料取自天然，在使用后无需特殊处理，可自然降解，也可在农业操作时直接翻耕于土壤中，不仅不影响下一轮作物的种植与生长，而且降解后产物可用于堆肥，以增加土壤的有机质含量等；
9)本发明地膜，不仅可直接用于当季农作物生长，也可用于林果园艺中抑制杂草、促进水肥有效利用、调节土壤结构，尤其适用于盐碱土壤等。
附图说明
图1为本发明的梯度密度分布及垂直方向层间截面结构图；
图2为本发明含十字开孔结构的表面结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)将工厂废纤(羊毛、亚麻)按质量比1:1混合，均匀喷入2～3％乳化剂，堆放12小时后待用。
(2)对天然纤维废料进行开松混合、梳理喂入、铺网成型，得到纤网；
开松混合：经多仓混棉机时除尘处理风量为18m/h；
梳理喂入：采用罗拉-锡林式梳理机构，同时附带杂乱罗拉以均匀纤网结构。其中，锡林直径为850mm，锡林转速为70r/min，幅宽为2000mm，梳理后薄网克重为10±1g/m2。
铺网成型：采用交叉式铺叠成网与压入式气流成网相结合，形成底层以平行铺放纤维为主要结构，中间层和表层受压入式气流作用，形成轻细纤维平行、粗短纤维垂直的“平行+垂直”交错混合式结构，8层叠加，幅宽输入为2000mm，输出为2000mm，铺网速度为80m/min。
(3)采用“预针刺→上刺→下刺→输出”的针刺加固工艺形成地膜。其中，预针刺机工作幅宽为2.0米，针刺动程为50mm，针刺频率为600m/s，主针刺机工作幅宽为2.0米，针刺动程为40mm，针刺频率为600m/s。
(4)对已成型的地膜进行填充质(缓释氮肥)加压复合，最后按照棉花种植的株距行距定位开十字孔眼成型，形成农用地膜。
将所制备的农用地膜用于新疆棉花种植中，按照常规农事操作进行农田管理。
在棉花生长初期观察，其出苗率与普通PE膜无异；且出苗过程中，无滴露也无明显烫苗、烧苗现象发生；在后期结铃期发现，本实施例地膜实验田棉铃个数在8～13个，平均10～11个；而普通PE地膜处理的棉铃个数为5～10个，平均7～8个。
根据对其根部的形态观察，本实施例地膜下棉花根长为19～21cm，平均20cm。对比PE地膜处理的棉花根部，根长平均为19cm。
通过棉铃期的平均干物质积累量统计发现，本实施例地膜实验中的干物质积累量要多于PE膜实验中的干物质积累量，两者差异在20g/株以上；且比同期的可降解吹塑地膜的干物质积累量也多出20g/株左右。
在作物收获季节后，对本实施例地膜进行机械拉伸性能测试分析，发现其机械强力损失率为70％，不影响犁地翻地的机械操作，无需回收，可直接翻犁入地，增加土壤有机质含量，且对盐碱土壤板结的情况有较大的改善。
实施例2
(1)将工厂废纤(羊毛、亚麻、PLA)按质量比45:45:10混合，均匀喷入2～3％乳化剂，堆放12小时后待用。
(2)对天然纤维废料进行开松混合、梳理喂入、铺网成型，得到纤网；
开松混合：经多仓混棉机时除尘处理风量为22m/h；
梳理喂入：采用罗拉-锡林式梳理机构，同时附带杂乱罗拉以均匀纤网结构。其中，锡林直径为850mm，锡林转速为70r/min，幅宽为2000mm，梳理后薄网克重为10±1g/m2。
铺网成型：采用交叉式铺叠成网与压入式气流成网相结合，形成底层以平行铺放纤维为主要结构，中间层和表层受压入式气流作用，形成轻细纤维平行、粗短纤维垂直的“平行+垂直”交错混合式结构，8层叠加，幅宽输入为2000mm，输出为2000mm，铺网速度为80m/min。
(3)采用单滚筒圆网热风穿透式热粘合加固方法形成地膜，其中热熔性聚合物纤维占比为30％～35％，温度为165℃，自然压力，工作幅宽2.0米。
(4)对已成型的地膜进行填充质(缓释氮肥)加压复合，最后按照棉花种植的株距行距定位开十字孔眼成型，形成农用地膜。
将所制备的农用地膜用于新疆马铃薯种植中，按照垄沟方式种植，其他按常规农事操作进行农田管理。
在马铃薯生长初期观察，其出苗率对比不覆膜处理实验要略高2％～5％，且出苗时间早于不覆膜处理实验2～3天；且出苗过程中，无滴露也无明显烫苗、烧苗现象发生，出苗成活率高。
根据各阶段干物质重量积累数据对比，发现覆膜下的单株马铃薯，在开花期干物质积累总量较无覆膜对比样的高10％；在收获期干物质积累总量较无覆膜对比样高10％～15％。
对比覆膜下的马铃薯果实商品率，比不覆膜样品高15％，且依品种不同其果实的淀粉含量，比不覆膜样品高5％～8％。
在作物收获季节后，对本实施例地膜进行机械拉伸性能测试分析，发现其机械强力损失率为70％，不影响犁地翻地的机械操作，无需回收，可直接翻犁入地，增加土壤有机质含量，且对盐碱土壤板结的情况有较大的改善。
实施例3
(1)将工厂废纤(棉、亚麻)按质量比1:2混合，均匀喷入1％的乳化剂和1％的水，堆放12小时后待用。
(2)对天然纤维废料进行开松混合、梳理喂入、铺网成型，得到纤网；
开松混合：经多仓混棉机时除尘处理风量为18m/h；
梳理喂入：采用罗拉-锡林式梳理机构，同时附带杂乱罗拉以均匀纤网结构。其中，锡林直径为850mm，锡林转速为70r/min，幅宽为2000mm，梳理后薄网克重为10±1g/m2。
铺网成型：采用交叉式铺叠成网与压入式气流成网相结合，形成底层以平行铺放纤维为主要结构，中间层和表层受压入式气流作用，形成轻细纤维平行、粗短纤维垂直的“平行+垂直”交错混合式结构，10层叠加，幅宽输入为1500mm，输出为1500mm，铺网速度为100m/min。
(3)采用“预针刺→上刺→下刺→输出”的针刺加固工艺流程形成地膜。其中，预针刺机工作幅宽为2.0米，针刺动程为50mm，针刺频率为600m/s，主针刺机工作幅宽为2.0米，针刺动程为40mm，针刺频率为600m/s。
(4)对已成型的地膜进行填充质(草木灰、尿素)加压复合，最后按照玉米种植的株距行距定位开十字孔眼成型，形成农用地膜。
将所制备的农用地膜用于新疆玉米种植中，按照常规农事操作进行农田管理。
在玉米生长初期观察，其出苗率与普通PE膜无异；且出苗过程中，无滴露也无明显烫苗、烧苗现象发生，出苗成活率较PE膜下样本高2％～3％。
在本实施例中，在作物整个生长周期中表现出较“杂草总量少、株高较低、结籽率低”的杂草抑制效果，主要有三点表现：一是杂草总数量低于PE膜下杂草总数量30％；二是由于其较好的强韧性，杂草难以钻出膜表面，且对膜下杂草株高单独测量后，发现杂草平均株高低于PE膜下杂草平均株高3～8cm不等；三是杂草在作物收获期结籽率，较PE膜下杂草的结籽率低60％。
根据各阶段干物质重量积累数据对比，在抽穗期干物质积累总量较PE膜对比样高15％；在收获期的玉米总产量较PE膜对比样高15％，总的商品率，比PE膜高5％。这与功能性填充质的作用密切相关，尤其对于玉米这类较为依赖施肥种类和总量的作物，效果十分明显。
在作物收获季节后，对本实施例地膜进行机械拉伸性能测试分析，发现其机械强力损失率为70％，不影响犁地翻地的机械操作，无需回收，可直接翻犁入地，增加土壤有机质含量，且对盐碱土壤板结的情况有较大的改善。
实施例4
(1)将工厂废纤(棉、羊毛、亚麻)按质量比1:1:1混合，均匀喷入2～3％乳化剂，堆放12小时后待用。
(2)对天然纤维废料进行开松混合、梳理喂入、铺网成型，得到纤网；
开松混合：经多仓混棉机时除尘处理风量为20m/h；
梳理喂入：采用罗拉-锡林式梳理机构，同时附带杂乱罗拉以均匀纤网结构。其中，锡林直径为850mm，锡林转速为70r/min，幅宽为2000mm，梳理后薄网克重为10±1g/m2。
铺网成型：采用交叉式铺叠成网与压入式气流成网相结合，形成底层以平行铺放纤维为主要结构，中间层和表层受压入式气流作用，形成轻细纤维平行、粗短纤维垂直的“平行+垂直”交错混合式结构，8层叠加，幅宽输入为2000mm，输出为2000mm，铺网速度为80m/min。
(3)采用“预针刺→上刺→下刺→输出”的针刺加固工艺流程形成地膜阶段产品1。其中，预针刺机工作幅宽为2.0米，针刺动程为55mm，针刺频率为600m/s，主针刺机工作幅宽为2.0米，针刺动程为40mm，针刺频率为600m/s。
(4)对已成型的地膜进行填充质(腐殖酸)加压复合，最后按照甜瓜种植的株距行距定位开十字孔眼成型，形成农用地膜。
将所制备的农用地膜用于新疆甜瓜种植中，由于甜瓜种植采用移栽，故在农事操作中，直接打开十字孔眼，移栽甜瓜苗，后封土保护，之后按照常规农事操作进行农田管理。
在甜瓜生长初期观察，其茎叶生长速度与可生物降解薄膜的效果相近，坐果时期一致。
在甜瓜生长中期观察杂草抑制情况发现，普通PE地膜下杂草生长数量为本发明地膜下杂草生长数量2倍，且在杂草均未处理继续生长后期观察发现，本发明地膜下杂草无法穿透膜表面，杂草较多处形成隆起状而未能穿透，但同期PE膜下杂草较多，且在受到外力作用而破裂处，杂草长势旺盛，明显与作物争水争肥。单独测量杂草平均株高，发现膜下杂草低于PE膜下杂草平均株高3～8cm不等；三是杂草在作物收获期结籽率，较PE膜下杂草的结籽率低50％。
根据甜瓜的甜度和产量测试结果，本实施例所覆盖的甜瓜品质与可降解薄膜覆盖的甜瓜品质与产量基本相同。
在作物收获季节后，对本实施例地膜进行机械拉伸性能测试分析，发现其机械强力损失率为70％，不影响犁地翻地的机械操作，无需回收，可直接翻犁入地，增加土壤有机质含量，且对盐碱土壤板结的情况有较大的改善。

Claims (9)

1.一种可降解农用地膜，包括表层、中间层和底层，其特征在于：所述表层由表层纤网与填充质加压复合形成；所述中间层由交错分布的纤维与填充质混合形成；所述底层由底层纤网与填充质混合形成；所述地膜的表层孔隙相对最小，底层孔隙相对最大，中间层孔隙介于两者之间；所述中间层和表层为“平行+垂直”交错混合式结构。
2.根据权利要求1所述的一种可降解农用地膜，其特征在于：所述地膜定位开有十字孔，在表观上没有明显孔洞。
3.一种可降解农用地膜的制备方法，包括：
(1)取天然纤维废料，喷入乳化剂，堆放待用；
(2)对天然纤维废料进行开松混合、梳理喂入、铺网成型，得到纤网；其中，铺网成型采用交叉式铺叠成网与压入式气流成网相结合的方式；中间层和表层受压入式气流作用，形成“平行+垂直”交错混合式结构；
(3)对步骤(2)得到的纤网进行加固，然后加入填充质，烘干并加压成型；
(4)最后定位开孔，得到可降解农用地膜。
4.根据权利要求3所述的一种可降解农用地膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的天然纤维废料取自纺织生产中筛分后的废纤或下脚料，或者取自废旧纺织品。
5.根据权利要求3所述的一种可降解农用地膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的乳化剂的加入量为天然纤维废料重量的2～3％。
6.根据权利要求3所述的一种可降解农用地膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的开松混合采用多仓混棉机和定重式喂料机；梳理机构采用罗拉-锡林式，同时附加杂乱罗拉。
7.根据权利要求3所述的一种可降解农用地膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的加固采用针刺加固或热粘合加固。
8.根据权利要求7所述的一种可降解农用地膜的制备方法，其特征在于：所述热粘合加固涉及的热熔性聚合物纤维为可降解材料。
9.根据权利要求3所述的一种可降解农用地膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的填充质的传热系数等于或小于天然纤维废料。
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