CN109627708B - 轻量化改性生物降解地膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地膜，具体涉及一种轻量化改性生物降解地膜及其制备方法。所述的轻量化改性生物降解地膜由以下质量份数的原料制成：聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯65‑90份、聚乳酸5‑25份、润滑剂0.1‑1份、抑菌剂0.1‑1份、紫外线吸收剂0.1‑1份、光稳定剂0.1‑1份、轻量化改性复合材料5‑15份；其中，轻量化改性复合材料由环氧氯丙烷0.1‑0.5份、β‑环糊精0.5‑2份、硅酸铝钾0.5‑2份、介孔二氧化硅5.5‑8.9份制成。本发明采用的轻量化改性复合材料，既对地膜轻量化做出了贡献，也起到增强作用，而且协同增加了地膜的保温保墒作用。本发明制备方法简单易行，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及地膜，具体涉及一种轻量化改性生物降解地膜及其制备方法。
背景技术
地膜能够保温、保墒、保土、保肥，使农作物增产、增收，是目前最重要的农业生产资料之一。我国从1978年开始推广地膜覆盖技术，至今地膜覆盖面积达4亿多亩，地膜使用量达150多万吨，已成为世界上地膜使用量最多的国家。
但随着地膜使用量的逐年增加，地膜的厚度越来越薄，地膜回收也变得越来越困难。传统PE地膜残留在土壤中100年也不会降解，因此，经过多年的累积，土壤中地膜残留量越来越多，对土壤的危害也日趋严重。残膜会导致土壤的原有结构遭到破坏，甚至直接影响作物根系的发育，最终导致作物减产。地膜残留污染已逐渐成为农业可持续发展的严重威胁，因此，有效防治农田的白色污染刻不容缓。
生物降解材料的出现，给地膜污染带来了转机。采用生物降解材料完全替代传统地膜材料PE，可以最终解决地膜的污染问题。目前，已经商品化的生物降解材料有聚乳酸(PLA)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚丁二酸-己二酸-丁二醇酯(PBSA)、聚己内酯(PCL)、聚羟基脂肪酸酯(PHAs)、聚丙撑碳酸酯(PPC)等。
CN106084378A、CN103554589A、CN103819794A、CN106336567A、CN105001568A、CN101831097A、CN102964669A、CN105175848A、CN102850626A等发明公开的可降解地膜，其材料中都含有聚乙烯，而聚乙烯不可能生物降解，故上述专利中的可降解地膜均不是完全生物降解地膜。
CN104004230A、CN106117622A、CN104109359A等发明公开的可降解地膜，材料由聚乙烯醇及其它材料组成，聚乙烯醇分子链为碳－碳链，与聚乙烯相同，故也不能生物降解，而且聚乙烯醇为水溶性材料，遭遇雨水会存在溶解破洞的风险，不适于用作地膜。
CN103709687A、CN103709695A和CN106084700A等发明公开的全生物降解地膜，组合物中分别加入了改性滑石粉5-40重量％、改性滑石粉0.1-5重量％、碳酸钙20-50％，由于滑石粉或碳酸钙的加入，使得材料的密度进一步增大，地膜成本加大，不利于推广。
CN106046725A、CN106221165A、CN106003943A等发明公开的生物降解地膜，材料中分别加入了增塑剂0.5-2.5份、增塑剂3-10份、增塑剂3-8份，由于地膜很薄，比表面积很大，在户外的自然环境中使用，增塑剂易于迁出，不利于地膜的稳定性。
综上可以看出，目前还没有涉及生物降解地膜轻量化研究，即降低地膜的密度，从而降低地膜的成本。
众所周知，传统PE材料密度是0.92-0.95g/cm3，而生物降解材料的密度大都在1.25-1.30g/cm3，约为传统PE材料密度的1.3倍。传统PE材料的单价约为10000元/吨，而生物降解材料的单价为20000-40000元/吨，约为传统PE材料单价的2倍以上。若暂不考虑地膜中其它助剂的成本以及加工费的差异，生物降解地膜的成本将是传统PE地膜成本的2.6倍以上，因此，只有降低生物降解地膜的成本，才能提高其市场竞争力。
基于以上原因，在不改变地膜厚度和主要的生物降解材料的基础上，降低地膜密度，可以有效降低地膜成本，为生物降解地膜的推广应用奠定基础。
另外，生物降解地膜的保温保墒性能也是很重要的指标，追求轻量化的同时势必会影响生物降解地膜的保温保墒性能。因此，在降低地膜密度的基础上，改善生物降解地膜的保温保墒性能也是目前亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种密度小，具有保温、保墒性能的轻量化改性生物降解地膜；本发明同时提供其制备方法。
本发明所述的轻量化改性生物降解地膜，由以下质量份数的原料制成：聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯65-90份、聚乳酸5-25份、润滑剂0.1-1份、抑菌剂0.1-1份、紫外线吸收剂0.1-1份、光稳定剂0.1-1份、轻量化改性复合材料5-15份；其中，轻量化改性复合材料由环氧氯丙烷0.1-0.5份、β-环糊精0.5-2份、硅酸铝钾0.5-2份、介孔二氧化硅5.5-8.9份制成。
其中：
所述的轻量化改性复合材料的制备方法是，将环氧氯丙烷与β-环糊精进行交联反应制备环氧氯丙烷交联-β-环糊精，在交联反应过程中依次引入硅酸铝钾、介孔二氧化硅。
所述的轻量化改性复合材料的具体制备过程如下：以氢氧化钠作为催化剂，于60-65℃下，0.5-2份的β-环糊精与0.1-0.5份的环氧氯丙烷交联反应1-2小时制得。其中，在反应0.5-0.6小时的时候，依次引入0.5-2份的硅酸铝钾、5.5-8.9份的介孔二氧化硅。
所述的硅酸铝钾的目数为5000-6000目。
所述的介孔二氧化硅的孔径为2-50nm，目数为5000-6000目。
所述的聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯为100％生物基，熔点110-120℃，熔融指数≤5.0g/10min(190℃，2.16kg)，其共聚单体己二酸、对苯二甲酸、丁二醇均为100％生物基。
所述的聚乳酸为聚左旋乳酸，单体中右旋乳酸含量≤2wt.％，熔点160-170℃，熔融指数≤5.0g/10min(190℃，2.16kg)。
所述的润滑剂为乙烯-四氟乙烯无规共聚物，乙烯与四氟乙烯的摩尔比为5:1-2，分子量50000-100000。
所述的抑菌剂为吡咯酮锌。
所述的紫外线吸收剂为甘油锌、甘油钙或甘油镁。
所述的光稳定剂为对叔丁基苯甲酸锌、对叔丁基苯甲酸钙或对叔丁基苯甲酸镁。
所述的轻量化改性生物降解地膜的制备方法是：先将环氧氯丙烷与β-环糊精进行交联反应制备环氧氯丙烷交联-β-环糊精，在交联反应过程中依次引入硅酸铝钾、介孔二氧化硅，制得轻量化改性复合材料，再将轻量化改性复合材料与聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯、聚乳酸、润滑剂、抑菌剂、紫外线吸收剂、光稳定剂共混、挤出、吹塑，制得轻量化改性生物降解地膜。
由于生物降解材料的密度普遍偏高，比PE密度高出30％以上，这无形中增加了生物降解地膜的成本，不利于推广应用。而且现有技术中鲜有关于生物降解地膜轻量化的报道，因此，本发明通过在地膜中引入介孔材料，从而实现地膜轻量化。
根据国际纯粹与应用化学协会(IUPAC)的定义，孔径小于2nm的称为微孔，孔径在2-50nm的称为介孔(或称中孔)，孔径大于50nm的称为大孔。微孔材料的孔径过小，对地膜的轻量化贡献太小，大孔材料的孔径过大，不利于超薄地膜的生产，因此，在地膜中引入介孔材料比较合适。将介孔材料加入地膜中，相当于在地膜的微观结构上引入了中空结构，这些中空结构是由介孔材料贡献的，从而会使得相同厚度的地膜，单位平方米的克重降低，即地膜的密度明显下降，从而达到降低地膜成本的目的。同时，由于介孔二氧化硅引入，也可以对地膜起到一定的增强作用，而且介孔二氧化硅微孔结构还可以改善地膜的保温作用。
众所周知，地膜最重要的两大功能就是保温和保墒。介孔二氧化硅的引入虽然在一定程度上起到了保温作用，但是保墒作用较弱。β-环糊精的外部是亲水的，也不具有保墒作用，但是当β-环糊精与环氧氯丙烷交联形成疏水空腔结构后，能够将吸附于地膜内表面的水珠或水汽阻隔在膜内，就实现了保墒功能。且β-环糊精与环氧氯丙烷交联后，强度大大增加，对地膜起到增强作用。
同时，β-环糊精与环氧氯丙烷交联后形成的疏水空腔结构又可以与介孔二氧化硅的微孔，协同起到保温功能。而硅铝酸钾具有层状结构，加入介孔二氧化硅后，介孔二氧化硅能够负载在硅铝酸钾的层状结构中，增加了介孔二氧化硅在轻量化改性复合材料中的稳定性，使得介孔二氧化硅不易从轻量化改性复合材料中分离出来。
另外，介孔二氧化硅和硅酸铝钾均与环氧氯丙烷交联-β-环糊精的羟基形成氢键作用，也增加了介孔二氧化硅在轻量化改性复合材料中的稳定性。
本发明中介孔二氧化硅微孔以及疏水空腔结构的存在，明显促进了轻量化的实现，又能协同增加保温保墒作用以及轻量化改性复合材料的稳定性。
现有技术中选用的润滑剂均是用于传统PE地膜的润滑剂，例如聚乙烯蜡、硬脂酸锌、芥酸酰胺等，这些润滑剂虽然润滑效果较好，但均为小分子化合物和低分子量聚合物，迁出速度过快，容易在地膜表层形成一层析出物影响地膜的透明度。本发明选用的润滑剂为乙烯和四氟乙烯的共聚物，聚合物分子量较大，迁出速度慢，而且四氟乙烯的自润滑性能优异，同时由于该润滑剂中含有氟原子，其与金属的亲和性很好，对生产机器起到一定的保护作用。
相较于其它发明，本发明考虑到了地膜的生物降解是由土壤中的微生物来完成的，故在地膜中引入了抑菌剂材料—吡咯酮锌，从而实现对土壤中微生物降解活动的调节，以此来影响地膜的降解速度。
现有技术中，降解地膜选用的紫外线吸收剂和光稳定剂均为传统PE地膜中所用的，其未考虑到原有助剂与生物降解材料的相容性和适应性。而本发明选择的紫外线吸收剂和光稳定剂，均含有与降解材料亲和性好的极性基团，它们与生物降解材料的相容性和适应性很好，在地膜的使用过程中不易迁移，能长期发挥光稳定性和吸收紫外线的功效。
另外，生物降解地膜的发展方向不仅仅是生物降解，更是来源于植物，即生物基，来源于自然，再回归到自然，从而实现碳循环，因此，生物基型生物降解地膜，更加环保，更加绿色。因本发明使用的PBAT，其单体均为生物基来源，而PLA单体为乳酸，来源于淀粉，也是生物基材料，因此，本发明的生物降解地膜为生物基型生物降解地膜。
本发明的有益效果如下：
本发明中介孔二氧化硅引入，对地膜起到轻量化作用和一定的增强作用，介孔二氧化硅的微孔结构还可以改善地膜的保温作用；β-环糊精与环氧氯丙烷交联形成疏水空腔结构后，能够将吸附于地膜内表面的水珠或水汽阻隔在膜内，实现了保墒功能；而且β-环糊精与环氧氯丙烷交联后，强度大大增加。同时，β-环糊精与环氧氯丙烷交联后形成的疏水空腔结构又可以与介孔二氧化硅的微孔，协同起到保温功能；硅铝酸钾具有层状结构，介孔二氧化硅能够负载在硅铝酸钾的层状结构中，使得介孔二氧化硅不易从轻量化改性复合材料中被分离；介孔二氧化硅和硅酸铝钾均与环氧氯丙烷交联-β-环糊精的羟基形成氢键作用，增加了介孔二氧化硅在轻量化改性复合材料中的稳定性。
本发明采用的轻量化改性复合材料，既对地膜轻量化做出了贡献，也起到一定的增强作用，而且协同增加了地膜的保温保墒作用。本发明制备方法简单易行，易于实现。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
以氢氧化钠作为催化剂，于65℃下，0.5份β-环糊精与0.1份环氧氯丙烷交联反应1小时。反应0.5小时的时候，依次引入0.5份硅酸铝钾(目数5000目)、8.9份介孔二氧化硅(孔径50nm，目数5000目)，得到轻量化改性复合材料。
依次将5份轻量化改性复合材料、65份PBAT(熔融指数4.0，熔点110℃)、25份PLA(右旋乳酸含量2wt.％，熔融指数5.0，熔点160℃)、0.1份乙烯-四氟乙烯无规共聚物(乙烯与四氟乙烯的摩尔比为5:1，分子量50000)、1份吡咯酮锌、0.1份甘油锌、1份对叔丁基苯甲酸锌加入到混料器内，混合均匀后，加入到双螺杆挤出机挤出造粒，得到的粒子再加入到吹膜机吹塑后，得到生物降解地膜，该地膜每平方米克重10.5g，铺膜24h后土壤10cm深的温度为17.5℃，水汽透过率为100g/m2*24h。
实施例2
以氢氧化钠作为催化剂，于60℃下，2份β-环糊精与0.5份环氧氯丙烷交联反应2小时。反应0.6小时的时候，依次引入2份硅酸铝钾(目数6000目)、5.5份介孔二氧化硅(孔径25nm，目数6000目)，得到轻量化改性复合材料。
依次将10份轻量化改性复合材料、90份PBAT(熔融指数5.0，熔点115℃)、5份PLA(右旋乳酸含量1.5wt.％，熔融指数3.5，熔点163℃)、1份乙烯-四氟乙烯无规共聚物(乙烯与四氟乙烯的摩尔比为5:1.5，分子量80000)、0.1份吡咯酮锌、1份甘油锌、0.1份对叔丁基苯甲酸钙加入到混料器内，混合均匀后，加入到双螺杆挤出机挤出造粒，得到的粒子再加入到吹膜机吹塑后，得到生物降解地膜，该地膜每平方米克重9.9g，铺膜24h后土壤10cm深的温度为18.2℃，水汽透过率为97g/m2*24h。
实施例3
以氢氧化钠作为催化剂，于63℃下，1份β-环糊精与0.2份环氧氯丙烷交联反应1.5小时。反应0.5小时的时候，依次引入1份硅酸铝钾(目数5500目)、7份介孔二氧化硅(孔径10nm，目数5500目)，得到轻量化改性复合材料。
依次将15份轻量化改性复合材料、75份PBAT(熔融指数3.0，熔点120℃)、15份PLA(右旋乳酸含量1wt.％，熔融指数4.0，熔点165℃)、0.5份乙烯-四氟乙烯无规共聚物(乙烯与四氟乙烯的摩尔比为5:2，分子量100000)、0.5份吡咯酮锌、0.5份甘油锌、0.5份对叔丁基苯甲酸镁加入到混料器内，混合均匀后，加入到双螺杆挤出机挤出造粒，得到的粒子再加入到吹膜机吹塑后，得到生物降解地膜，该地膜每平方米克重9.1g，铺膜24h后土壤10cm深的温度为17.9℃，水汽透过率为90g/m2*24h。
实施例4
以氢氧化钠作为催化剂，于62℃下，1.5份β-环糊精与0.3份环氧氯丙烷交联反应1小时。反应0.5小时的时候，依次引入1.5份硅酸铝钾(目数6000目)、6.5份介孔二氧化硅(孔径2nm，目数6000目)，得到轻量化改性复合材料。
依次将12份轻量化改性复合材料、85份PBAT(熔融指数4.5，熔点115℃)、10份PLA(右旋乳酸含量0.5wt.％，熔融指数4.5，熔点170℃)、0.6份乙烯-四氟乙烯无规共聚物(乙烯与四氟乙烯的摩尔比为5:1，分子量60000)、0.4份吡咯酮锌、0.9份甘油镁、0.7份对叔丁基苯甲酸锌加入到混料器内，混合均匀后，加入到双螺杆挤出机挤出造粒，得到的粒子再加入到吹膜机吹塑后，得到生物降解地膜，该地膜每平方米克重9.3g，铺膜24h后土壤10cm深的温度为17.8℃，水汽透过率为94g/m2*24h。
实施例5
以氢氧化钠作为催化剂，于60℃下，2份β-环糊精与0.4份环氧氯丙烷交联反应2小时。反应0.6小时的时候，依次引入1份硅酸铝钾(目数5000目)、8份介孔二氧化硅(孔径40nm，目数5000目)，得到轻量化改性复合材料。
依次将10份轻量化改性复合材料、80份PBAT(熔融指数2.5，熔点120℃)、10份PLA(右旋乳酸含量1.5wt.％，熔融指数4.0，熔点170℃)、1份乙烯-四氟乙烯无规共聚物(乙烯与四氟乙烯的摩尔比为5:1，分子量50000)、0.5份吡咯酮锌、0.5份甘油钙、0.5份对叔丁基苯甲酸锌加入到混料器内，混合均匀后，加入到双螺杆挤出机挤出造粒，得到的粒子再加入到吹膜机吹塑后，得到生物降解地膜，该地膜每平方米克重9.6g，铺膜24h后土壤10cm深的温度为18.2℃，水汽透过率为98g/m2*24h。
对比例1
厚度0.01mm PE地膜，每平方米克重9.5g，铺膜24h后土壤10cm深的温度为14.5℃，水汽透过率为95g/m2*24h。
对比例2
厚度0.01mm不含各种助剂的85份PBAT/15份PLA地膜，每平方米克重12.6g，铺膜24h后土壤10cm深的温度为12.2℃，水汽透过率为981g/m2*24h。
对比例3
除不添加轻量化改性复合材料之外，其余按照实施例1。
得到生物降解地膜，该地膜每平方米克重12.9g，铺膜24h后土壤10cm深的温度为12.8℃，水汽透过率为845g/m2*24h。
对比例4
除不添加轻量化改性复合材料之外，其余按照实施例2。
该地膜每平方米克重13.0g，铺膜24h后土壤10cm深的温度为13.0℃，水汽透过率为852g/m2*24h。
本发明中，为了便于比较，PE地膜和生物降解地膜的厚度统一为0.01mm；地膜的密度由每平方米的克重来表示；保温性能由铺膜24h后土壤10cm深的温度来表示；保墒性能由地膜的水汽透过率来表示；熔融指数测试条件统一为190℃，2.16kg，熔融指数单位为g/10min。
综上，本发明的轻量化改性生物降解地膜铺膜24h后，土壤10cm深的温度高于17.5℃，保温效果有了较大提高，水汽透过率低于100g/m2*24h，保墒效果较好，每平方米克重不超过10.5g，成功进行了减量化，降低了成本。相较于现有的地膜，效果优异。
Claims (9)
1.一种轻量化改性生物降解地膜，其特征在于由以下质量份数的原料制成：聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯65-90份、聚乳酸5-25份、润滑剂0.1-1份、抑菌剂0.1-1份、紫外线吸收剂0.1-1份、光稳定剂0.1-1份、轻量化改性复合材料5-15份；其中，轻量化改性复合材料由环氧氯丙烷0.1-0.5份、β-环糊精0.5-2份、硅酸铝钾0.5-2份、介孔二氧化硅5.5-8.9份制成；
轻量化改性复合材料的制备方法是，将环氧氯丙烷与β-环糊精进行交联反应制备环氧氯丙烷交联-β-环糊精，在交联反应过程中依次引入硅酸铝钾、介孔二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的轻量化改性生物降解地膜，其特征在于：硅酸铝钾的目数为5000-6000目。
3.根据权利要求1所述的轻量化改性生物降解地膜，其特征在于：介孔二氧化硅的孔径为2-50nm，目数为5000-6000目。
4.根据权利要求1所述的轻量化改性生物降解地膜，其特征在于：聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯为100%生物基，熔点110-120℃，熔融指数≤5.0g/10min，其共聚单体己二酸、对苯二甲酸、丁二醇均为100%生物基；聚乳酸为聚左旋乳酸，单体中右旋乳酸含量≤2wt.%，熔点160-170℃，熔融指数≤5.0g/10min。
5.根据权利要求1所述的轻量化改性生物降解地膜，其特征在于：润滑剂为乙烯-四氟乙烯无规共聚物，乙烯与四氟乙烯的摩尔比为5:1-2，分子量50000-100000。
6.根据权利要求1所述的轻量化改性生物降解地膜，其特征在于：抑菌剂为吡咯酮锌。
7.根据权利要求1所述的轻量化改性生物降解地膜，其特征在于：紫外线吸收剂为甘油锌、甘油钙或甘油镁。
8.根据权利要求1所述的轻量化改性生物降解地膜，其特征在于：光稳定剂为对叔丁基苯甲酸锌、对叔丁基苯甲酸钙或对叔丁基苯甲酸镁。
9.一种权利要求1-8任一所述的轻量化改性生物降解地膜的制备方法，其特征在于：先将环氧氯丙烷与β-环糊精进行交联反应制备环氧氯丙烷交联-β-环糊精，在交联反应过程中依次引入硅酸铝钾、介孔二氧化硅，制得轻量化改性复合材料，再将轻量化改性复合材料与聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯、聚乳酸、润滑剂、抑菌剂、紫外线吸收剂、光稳定剂共混、挤出、吹塑，制得轻量化改性生物降解地膜。
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