CN110358378B - 一种功能性涂层及其制备方法和在地膜制备中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功能性涂层及其制备方法和在地膜制备中的应用。功能性涂层由功能性成分、连接成分、助剂和载体溶液组成，所述连接成分为多巴胺自聚物，所述功能性成分为除草剂、增肥剂或抗老化剂的一种或几种；所述助剂为光稳定剂、抗氧化剂或载体流体交联剂中的一种或几种。本发明的功能性涂层通过多巴胺自聚物将功能性成分稳定均匀的涂覆固定在基底上，稳定性更高，涂层的制备方法简便易行，有利于推广使用，具有很好的普适性，通过涂层技术引入除草剂等功能性成分，避免了除草剂等成分因高温挥发对周围环境和人们生活产生的危害，有效地解决了环境污染等问题，有利于农业的绿色、可持续发展。

Description

一种功能性涂层及其制备方法和在地膜制备中的应用
技术领域
本发明涉及农业生产材料技术领域，更具体地，涉及一种功能性涂层及其制备方法和在地膜制备中的应用。
背景技术
农用薄膜，如地膜等，可以对农作物生长起到保水、保熵等作用，提高农作物产量，在农业生产中发挥重要的作用。据统计局数据显示，我国2016年地膜覆盖面积达2.76亿亩，地膜用量147.5万吨，并且这个数据仍将每年持续上涨。对地膜产品的功能化有利于更好的发挥地膜的使用效果，进一步提高地膜产品的性能，例如可引入除草、增肥、抗老化等成分，可减少农作物生长期的除草、施肥等作业，减轻农民负担，同时可减少相关农药的使用量，节约成本，保护环境。
目前，国内外对地膜进行功能化的常用方法是在地膜加工过程中添加功能性母粒或采用多层共挤吹塑成型技术，以除草地膜为例，除草地膜的常用制备方法是将具有除草功能的母粒添加到高分子树脂中，采用吹塑成型加工工艺。但由于吹塑成型加工过程中加工温度较高，一方面由于很多除草剂等农药分子的分解温度低，在加工温度下容易发生分解而造成大量损耗；另一方面，由于除草剂与高分子基体的相容性差，在高温下容易挥发出来，进入到环境中造成严重的环境污染，对工厂附近的农作物生长安全和人类健康也带来严重的影响。采用多层共挤技术制备除草地膜虽然可通过设计不同层结构的功能化，但由于该方法一方面对生产设备有一定的要求，另一方面在吹膜过程中仍有高温混合过程，无法根本上解决除草剂等成分的分解或挥发等问题。目前的研究中也有公开相关涂覆功能性成分的制备方法，但涂覆的均匀性和稳定性很难保障，CN105131629A公开了一种纳米级TiO2光催化、水、氧化、生物多项降解地膜，地膜为三层结构，其地膜下层喷涂有按比例调和的植物生长所需的化肥和微肥、农药、除草剂等，解决了地膜对土地和环境污染的同时又增加了集农药、肥料和农膜于一身的特点，但并未明确公开能够解决除草剂涂层不能稳定均匀的涂覆在地膜上的技术问题。因此，本领域所期待的是提供一种能够稳定均匀的涂覆在各种地膜基材上的功能性涂层，以实现功能性地膜的广泛高效应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有地膜制备过程中功能性成分受热分解挥发，且无法稳定均匀涂覆在地膜基材上的缺陷和不足，提供一种功能性涂层。
本发明的另一目的在于提供一种上述功能性涂层的制备方法。
本发明的又一目的在于提供一种上述功能性涂层在制备地膜中的应用。
本发明的又一目的在于提供一种功能性地膜。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种功能性涂层，上述功能性涂层由功能性成分、连接成分、助剂和载体溶液组成，所述连接成分为多巴胺自聚物，所述功能性成分为除草剂、增肥剂或抗老化剂的一种或几种；所述助剂为光稳定剂、抗氧化剂或载体流体交联剂中的一种或几种。
本发明的除草剂等功能性成分为市售的乳液，可以与水体系互溶。本发明的除草剂可以为乙草胺、丙草胺、丁草胺、异丙甲草胺、异丙隆、莠去津、扑草净、莠灭净、嗪草酮和环嗪酮中的一种或多种，其他市面上用于农用地膜的除草剂均可适用。巴胺自聚物在多种不同极性的基底上都具有很好的粘附作用，如地膜、育苗钵等，可以很好地将载体流体牢固粘附在薄膜等基体材料上，从而将功能性成分稳定均匀的涂覆固定在基底上。
本发明的功能性涂层在酸性环境和碱性环境中均可制备使用，其中酸性环境的具体助剂为氧化剂：包括过硫酸铵，重铬酸钠，高锰酸钾。
优选地，所述功能性涂层中连接成分为盐酸多巴胺。
优选地，所述功能性涂层中连接成分的浓度为0.5～5mg/L。例如可以为0.5mg/L、2mg/L或5mg/L。连接成分的浓度过低影响连接效果，浓度过高增加功能涂层厚度。
优选地，所述功能性涂层体系pH为6～11。本发明的pH可以通过缓冲体系调节，优选缓冲体系为三羟甲基氨基甲烷-盐酸(Tris-HCl)的缓冲体系，缓冲体系在功能性涂层中的终浓度为0.01-0.1mol/L。
更优选地，所述功能性涂层体系pH为8.0～9.0，例如可以为8.0、8.5或9.0。
优选地，所述功能性成分的体积浓度为5～25％。功能性成分的体积浓度是功能性成分溶液占整个的载体溶液的体积百分比。
优选地，所述载体溶液为易成膜聚合物。
优选地，所述载体溶液为聚乙二醇和/或聚乙烯醇。聚乙二醇和/或聚乙烯醇的载体溶液成膜性好，载体流体可均匀成膜并能在连接料作用下牢固粘附在薄膜等基体材料上。
本发明的载体溶液中乙二醇和/或聚乙烯醇等载体成分的体积百分比为1～15％。
本发明还保护一种功能性涂层的制备方法，包括如下步骤：
S1.向载体流体溶液中加入功能性成分，混合均匀；
S2.将上述溶液pH调节至6-11，通入惰性气体除氧；
S3.向上述溶液中加入连接成分和助剂，混合均匀，通入惰性气体除氧，密封保存即得功能性涂层。
其中S2和S3中通入惰性气体除氧是为了防止连接成分反应物多巴胺提前自聚反应，有利于协同体系pH值控制连接反应的发生时间，实现功能性涂层液的长期稳定保存。
上述功能性涂层在制备功能性地膜中的应用也在本发明的保护范围之内。本发明的功能性涂层可用于制备除草地膜等，制备方法简便、高效、环保。
本发明还保护一种农用功能性地膜，在地膜基底材料上涂覆有所述功能性涂层涂层前可用等离子体清洗处理，如电晕等。
涂覆方式可以为喷涂、旋涂、滚涂、刮涂、提拉或手工涂抹等，功能性涂层涂覆后需在40℃～80℃条件下烘干30～100min。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供了一种功能性涂层，涂层包括功能性成分、连接成分、助剂和载体溶液，通过多巴胺自聚物可以将含有功能性成分的载体流体牢固粘附在各种聚合物、有机无机复合物等基体材料表面，从而将功能性成分稳定均匀的涂覆固定在基底上，稳定性更高，涂层的制备方法简便易行，有利于推广使用，具有很好的普适性。
(2)本发明还提供了一种将上述功能性涂层涂覆在基体表面制备而成的地膜，通过涂层技术引入除草剂等功能性成分，避免了除草剂等成分因高温挥发对周围环境和人们生活产生的危害，有效地解决了环境污染等问题，有利于农业的绿色、可持续发展。
(3)本发明的功能地膜的除草剂等功能成分可以通过涂层更有效的释放，更加高效。
附图说明
图1为实施例5和对比例2的PE膜的表面扫描电镜图。
图2为实施例4和对比例1的PBAT/PLA膜的表面扫描电镜图。
图3为实施例5PE膜的横切面扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
实施例1
一种功能性涂层，功能性涂层由功能性成分、连接成分、助剂和载体溶液组成，连接成分为盐酸多巴胺，功能性成分为乙草胺除草剂乳液；助剂为光稳定剂，载体溶液为聚乙烯醇水溶液。
具体制备方法如下：
S1.向100mL的5％的聚乙烯醇水溶液中加入乙草胺除草剂乳液，搅拌均匀，乙草胺除草剂乳液的体积浓度为5％；
S2.向上述溶液中加入磷酸盐缓冲体系，最终浓度为0.01mol/L，调节溶液的pH为6，然后不断通入氮气一小时以上充分除氧；
S3.向上述溶液中加入盐酸多巴胺，最后浓度为0.5mg/mL，搅拌均匀，不断通入氮气一小时以上充分除氧，密封保存即得功能性涂层。
除草地膜的制备方法如下：
基底：经等离子体清洗机处理过的100μm厚的聚己二酸对苯二甲酸丁二酯(PBAT)/聚乳酸(PLA)膜；
取上述配置好的涂层液，手工涂抹在已经用等离子体清洗机处理过的PBAT/PLA膜上；
将上述PBAT/PLA膜在60℃条件下烘干60min。
实施例2
一种功能性涂层，功能性涂层由功能性成分、连接成分、助剂和载体溶液组成，连接成分为盐酸多巴胺，功能性成分为乙草胺除草剂乳液；助剂为光稳定剂，载体溶液为聚乙烯醇水溶液。
具体制备方法如下：
S1.向100mL的5％的聚乙烯醇水溶液中加入乙草胺除草剂乳液，搅拌均匀，乙草胺除草剂乳液的体积浓度为25％；
S2.向上述溶液中加入碳酸氢钠-氢氧化钠缓冲体系，最终浓度为0.1mol/L，调节溶液的pH为11，然后不断通入氮气一小时以上充分除氧；
S3.向上述溶液中加入盐酸多巴胺，最后浓度为5mg/mL，搅拌均匀，不断通入氮气一小时以上充分除氧，密封保存即得功能性涂层。
除草地膜的制备方法如下：
基底：经等离子体清洗机处理过的100μm厚的PBAT/PLA膜；
取上述配置好的涂层液，手工涂抹在已经用等离子体清洗机处理过的PBAT/PLA膜上；
将上述PBAT/PLA膜在60℃条件下烘干60min。
实施例3
一种功能性涂层，功能性涂层由功能性成分、连接成分、助剂和载体溶液组成，连接成分为盐酸多巴胺，功能性成分为乙草胺除草剂乳液；助剂为光稳定剂，载体溶液为聚乙烯醇水溶液。
具体制备方法如下：
S1.向100mL的5％的聚乙烯醇水溶液中加入乙草胺除草剂乳液，搅拌均匀，乙草胺除草剂乳液的体积浓度为5％；
S2.向上述溶液中加入磷酸盐缓冲体系，最终浓度为0.01mol/L，调节溶液的pH为8.5，然后不断通入氮气一小时以上充分除氧；
S3.向上述溶液中加入盐酸多巴胺，最后浓度为2mg/mL，搅拌均匀，不断通入氮气一小时以上充分除氧，密封保存即得功能性涂层。
除草地膜的制备方法如下：
基底：经等离子体清洗机处理过的100μm厚的PBAT/PLA膜；
取上述配置好的涂层液，手工涂抹在已经用等离子体清洗机处理过的PBAT/PLA膜上；
将上述PBAT/PLA膜在60℃条件下烘干60min。
实施例4
一种功能性涂层，功能性涂层由功能性成分、连接成分、助剂和载体溶液组成，连接成分为盐酸多巴胺，功能性成分为乙草胺除草剂乳液；助剂为光稳定剂，载体溶液为聚乙烯醇水溶液。
具体制备方法如下：
S1.向100mL的5％的聚乙烯醇水溶液中加入乙草胺除草剂乳液，搅拌均匀，乙草胺除草剂乳液的体积浓度为5％；
S2.向上述溶液中加入磷酸盐缓冲体系，最终浓度为0.01mol/L，调节溶液的pH为9，然后不断通入氮气一小时以上充分除氧；
S3.向上述溶液中加入盐酸多巴胺，最后浓度为2mg/mL，搅拌均匀，不断通入氮气一小时以上充分除氧，密封保存即得功能性涂层。
除草地膜的制备方法如下：
基底：经等离子体清洗机处理过的100μm厚的PBAT/PLA膜；
取上述配置好的涂层液，手工涂抹在已经用等离子体清洗机处理过的PBAT/PLA膜上；
将上述PBAT/PLA膜在60℃条件下烘干60min。
实施例5
一种功能性涂层，功能性涂层由功能性成分、连接成分、助剂和载体溶液组成，连接成分为盐酸多巴胺，功能性成分为乙草胺除草剂乳液；助剂为光稳定剂，载体溶液为聚乙烯醇水溶液。
具体制备方法如下：
S1.向100mL的5％的聚乙烯醇水溶液中加入乙草胺除草剂乳液，搅拌均匀，乙草胺除草剂乳液的体积浓度为5％；
S2.向上述溶液中加入Tris-HCl缓冲体系，最终浓度为0.01mol/L，调节溶液的pH为9，然后不断通入氮气一小时以上充分除氧；
S3.向上述溶液中加入盐酸多巴胺，最后浓度为2mg/mL，搅拌均匀，不断通入氮气一小时以上充分除氧，密封保存即得功能性涂层。
除草地膜的制备方法如下：
基底：经等离子体清洗机处理过的100μm厚的低密度聚乙烯(LDPE)聚乙烯膜；
取上述配置好的涂层液，手工涂抹在已经用等离子体清洗机处理过的PE膜上；
将PE膜在60℃条件下烘干60min。
对比例1
一种功能性涂层，功能性涂层由功能性成分、连接成分、助剂和载体溶液组成，连接成分为盐酸多巴胺，功能性成分为乙草胺除草剂乳液；助剂为光稳定剂，载体溶液为聚乙烯醇水溶液。
具体制备方法如下：
S1.向100mL的5％的聚乙烯醇水溶液中加入乙草胺除草剂乳液，搅拌均匀，乙草胺除草剂乳液的体积浓度为5％；
S2.向上述溶液中加入Tris-HCl缓冲体系，最终浓度为0.01mol/L，调节溶液的pH为8.5，然后不断通入氮气一小时以上充分除氧，密封保存即得功能性涂层。
除草地膜的制备方法如下：
基底：经等离子体清洗机处理过的100μm厚的PBAT/PLA膜；
取上述配置好的涂层液，手工涂抹在已经用等离子体清洗机处理过的PBAT/PLA膜上；
将PBAT/PLA膜在60℃条件下烘干60min。
对比例2
一种功能性涂层，功能性涂层由功能性成分、连接成分、助剂和载体溶液组成，连接成分为盐酸多巴胺，功能性成分为乙草胺除草剂乳液；助剂为光稳定剂，载体溶液为聚乙烯醇水溶液。
具体制备方法如下：
S1.向100mL的5％的聚乙烯醇水溶液中加入乙草胺除草剂乳液，搅拌均匀，乙草胺除草剂乳液的体积浓度为5％；
S2.向上述溶液中加入Tris-HCl缓冲体系，最终浓度为0.01mol/L，调节溶液的pH为8.5，然后不断通入氮气一小时以上充分除氧，密封保存即得功能性涂层。
除草地膜的制备方法如下：
基底：经等离子体清洗机处理过的100μm厚的PE膜；
取上述配置好的涂层液，手工涂抹在已经用等离子体清洗机处理过的PE膜上；
将PE膜在60℃条件下烘干60min。
结果检测
(1)机械稳定性检测
检测方法：将膜在蒸馏水中浸泡10分钟，随后将多余的水排干，通过用流动的温水洗涤浸泡过的涂层的方法来测试机械稳定性。
结果表明，对比例1和对比例2所制备的涂层可以被流水冲刷掉，但是实施例3和实施例4所制备的涂层仍牢固粘附在膜表面。表明添加了多巴胺的涂层液对涂层的稳定性起到了关键的作用。
(2)形貌检测
对上述实施例4和5所制备具有除草涂层的除草地膜和对比例1和2所制备的除草地膜的表面用扫描电子显微镜进行形貌表征。
从图1可以看出，实施例5的涂层都比较均匀，但是对比例2的涂层上面有一些微米级的空洞，表明所配置不加多巴胺的涂层液在极性比较弱的PE膜上浸润性不好，会影响涂层效果，而添加多巴胺的涂层液则可以均匀地粘附在PE膜上，大大改善了涂层效果。
对于极性较强的PBAT/PLA膜，实施例4和对比例1中的涂层液均可以均匀的涂敷在膜表面(图2)。上述结果表明，本发明中添加多巴胺的涂层液可以在极性和非极性的表面均有很好的涂布效果，具有普适性。
对上述实施例5所制备具有除草涂层的除草PE膜的横切面用扫描电子显微镜进行形貌表征。首先，将PE膜用环氧树脂固化包埋，制成薄片，然后将薄片置于液氮中冷冻脆断，取上述断面的样品进行扫面电镜表征。从图3可以看出，涂层的厚度大约为3微米，并且涂层均匀，经过上述环氧树脂制样处理后涂层仍牢固粘附在膜表面，涂布效果好。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种功能性涂层在制备功能性地膜中的应用，其特征在于，所述功能性涂层由功能性成分、连接成分、助剂和载体溶液组成，所述连接成分为多巴胺自聚物，所述功能性成分为除草剂、增肥剂或抗老化剂的一种或几种；所述助剂为光稳定剂、载体流体交联剂或抗氧化剂中的一种或几种，
所述功能性成分、连接成分和助剂均匀混合溶解于载体溶液中，
所述地膜基底为经等离子体清洗机处理过的100μm厚的聚己二酸对苯二甲酸丁二酯/聚乳酸膜或经等离子体清洗机处理过的100μm厚的低密度聚乙烯膜，
所述功能性涂层中连接成分的浓度为0.5~5mg/L，
所述功能性成分占整个的载体溶液的体积百分比为5~25%，
所述载体溶液为聚乙烯醇。
2.如权利要求1所述应用，其特征在于，所述连接成分为盐酸多巴胺。
3.如权利要求1所述应用，其特征在于，所述功能性涂层体系pH为6~11。
4.权利要求1~3任意一项所述应用，其特征在于，功能性涂层的制备方法包括如下步骤：
S1. 向载体流体溶液中加入功能性成分，混合均匀；
S2. 将上述溶液pH调节至6-11，通入惰性气体除氧；
S3. 向上述溶液中加入连接成分和助剂，混合均匀，通入惰性气体除氧，密封保存即得功能性涂层。
5.一种农用功能性地膜，其特征在于，在地膜基底材料上涂覆有功能性涂层，所述功能性涂层由功能性成分、连接成分、助剂和载体溶液组成，所述连接成分为多巴胺自聚物，所述功能性成分为除草剂、增肥剂或抗老化剂的一种或几种；所述助剂为光稳定剂、载体流体交联剂或抗氧化剂中的一种或几种，
所述功能性成分、连接成分和助剂均匀混合溶解于载体溶液中，
所述地膜基底为经等离子体清洗机处理过的100μm厚的聚己二酸对苯二甲酸丁二酯/聚乳酸膜或经等离子体清洗机处理过的100μm厚的低密度聚乙烯膜，
所述功能性涂层中连接成分的浓度为0.5~5mg/L，
所述功能性成分占整个的载体溶液的体积百分比为5~25%，
所述载体溶液为聚乙烯醇。
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