CN112280258A - 一种降解周期可控全生物降解地膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降解周期可控全生物降解地膜及其制备方法，制备所述地膜的原料包括如下重量份数的组分：聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯40‑60份、高结晶度聚乳酸5‑20份、聚丁二酸丁二醇酯5‑15份、改性聚酰胺‑胺2‑10份、脂肪族多元醇2‑6份、无机填料5‑20份、相容剂1‑5份、分散剂1‑2.5份、抗氧剂0.1‑2份、紫外线吸收剂0.1‑5份、光稳定剂0.1‑3份和助剂0‑0.5份。本发明通过选用气密性好的高结晶度聚乳酸，可有效提高地膜的气密性，通过在聚合物中添加改性聚酰胺‑胺，可以加快地膜降解，通过调节抗氧剂、紫外线吸收剂和光稳定剂的种类和用量以及分散剂和助剂，能够调控全生物降解地膜的降解时间，可满足不同海拔、不同地区、不同农作物的生长需求。

Description

一种降解周期可控全生物降解地膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及农业材料技术领域，具体涉及一种降解周期可控全生物降解地膜及其制备方法。
背景技术
地膜在农业生产中有重要的意义，不仅具有保湿、保水、防虫、抑草等功能，还可以提高植物对水分的利用率，改善农作物的生长环境。然而地膜的广泛应用带来收益的同时也给土壤造成了不可逆的影响，尤其是普通地膜，其能长期残留于土壤中也不降解，地膜残留在土壤中影响土壤中水分的上移和下移，还影响土壤中微生物的活动，经过多年累积造成土壤板结。而如要解决残膜污染，一种方法是回收残膜，然而残膜回收费时费力，且回收后的残膜处理也不能彻底解决污染。针对这些问题，有人提出了生产降解地膜的概念。
目前主要的降解地膜的类型有光降解地膜、生物降解地膜和光-生物降解地膜，以应用的最广的生物降解材料聚(对苯二甲酸丁二醇-co-己二酸丁二醇)(PBAT)为例，PBAT地膜虽然能够达到EN13432和ASTM D6400的生物降解标准，然而PBAT产品的耐候性不足，抗紫外线、抗氧化、抗水解以及抗热的性能不稳定。地膜需要满足不同地区、土壤环境、作物类型、气候条件的覆膜种植需求，还要在适当的时机降解，因此，地膜的降解要达到降解周期可控的要求非常困难。
专利申请CN109679299A公开了一种具有可控诱导期的全生物降低地膜，采用PBAT降解速率调节剂和PBAT诱导期调节剂制备得到具有60、90或120天的诱导期的全生物降解地膜。然而该全生物降解地膜的水蒸气透过率较高，且诱导期较长，无法满足多种植物种植的需求。
发明内容
本发明提供一种降解周期可控全生物降解地膜，该降解地膜产品的降解周期可控，可满足不同海拔、不同地区、不同农作物的生长需求。
本发明采用了以下的技术方案：
一种降解周期可控全生物降解地膜，制备所述地膜的原料包括如下重量份数的组分：聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯40-60份、高结晶度聚乳酸5-20份、聚丁二酸丁二醇酯5-15份、改性聚酰胺-胺2-10份、脂肪族多元醇2-6份、无机填料5-20份、相容剂1-5份、分散剂1-2.5份、抗氧剂0.1-2份、紫外线吸收剂0.1-5份、光稳定剂0.1-3份和助剂0-0.5份。所述改性聚酰胺-胺由己二酸、1,4-丁二醇和乙二醇共聚得到。
因为PBAT是一种非结晶聚合物，且分子链中含有大量的苯环，其与聚乳酸的无定型区相比降解速率更慢。高结晶度聚乳酸相较于聚乳酸气密性高、阻隔性好，且抗拉强度更高。PBAT与高结晶度聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯结合使用一方面能够降低无定型态PBAT比例高的问题，另一方面降低了水分子攻击分子链上酯键的问题以及降低氧气与分子接触。改性聚酰胺-胺为水溶性的树形壳聚糖分子，可以加快地膜降解，通过控制改性聚酰胺-胺的用量可以调节生物降解地膜的降解速率。结合其他助剂可以进一步调整地膜降解周期。脂肪族多元醇的引入则增加了聚合物分子的亲水性，提高地膜的保墒性。
脂肪族多元醇为甘油、三羟甲基乙烷、季戊四醇、木糖醇、山梨醇中的至少一种。
改性聚酰胺-胺的Mn优选为3-6万，PDI优选为3-5万。
优选地，所述高结晶度聚乳酸的密度为1.2-1.35g/cm3,熔指3-8g/10min(190℃，2.16Kg)，熔点170-180℃，拉伸强度≥45-53MPa，断裂伸长率≥8-15％，冲击强度5-10KJ/m2(Izod)。
优选地，所述无机填料为碳酸钙、滑石粉、有机蒙脱土、氧化锌中的一种或两种以上的组合；所述相容剂为乙烯丙烯酸丁酯接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯或过氧化相容剂。
优选地，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂BHT、抗氧剂1076、抗氧剂168、抗氧剂DSTP、抗氧剂DLTP、抗氧剂亚磷酸苯酯中的任一种或多种以上的组合；所述紫外线吸收剂为UV531、UV327、UV320、UV234、UV-P、Tinuvin-1577中的一种或两种以上的组合。
优选地，所述分散剂为聚乙烯蜡、氧化乙烯蜡中的一种或多种。
优选地，所述的光稳定剂为光稳定剂6922、光稳定剂770、光稳定剂783、光稳定剂791、光稳定剂944或光稳定剂3853中的一种或两种以上的组合。
优选地，所述助剂包括质量比为1:1的金属盐和乙撑双硬脂酰胺；所述金属盐为银、金、铜、铬、钛的盐。本发明中助剂和分散剂反应可以进一步延长地膜降解诱导期。
优选地，聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯的分子量为5-20万；所述高结晶度聚乳酸的分子量为5-10万。
本发明还提供了上述的降解周期可控全生物降解地膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯、聚丁二酸丁二醇酯、高结晶度聚乳酸、改性聚酰胺-胺、脂肪族多元醇、分散剂和相容剂搅拌混合均匀，然后加入其它组分，继续搅拌5-10min，得混合料；
(2)将混合料采用平行反向双螺杆挤出机熔融共混挤出，得到改性料；
(3)将得到的改性料采用吹膜机在170-180℃下吹膜成型，得到可控周期的全生物降解地膜。
优选地，还包括将助剂和二分之一分散剂在70-100℃下反应30-50min得调节剂，步骤(1)中搅拌混合时加入。
优选地，所述的平行反向双螺杆挤出机熔融共混反应，一至七区温度依次为130℃，155℃，175℃，175℃，180℃，180℃，180℃，机头温度为175℃。
本发明的有益效果体现在：
1、本发明通过选用气密性好的高结晶度聚乳酸，可有效提高地膜的气密性，同时在聚合物聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯、结晶度聚乳酸和聚丁二酸丁二醇酯体系中添加脂肪族多元醇，增加聚合物的亲水性，得到水汽阻隔性优良的地膜，保墒性能得到提高；
2、通过在聚合物中添加改性聚酰胺-胺，可以加快聚合物的降解速率，使用相容剂乙烯丙烯酸丁酯接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯，解决了高结晶度聚乳酸和聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯相容性差的问题，提高了全生物降解地膜的力学性能，而且通过调节抗氧剂、紫外线吸收剂和光稳定剂的种类和用量以及分散剂和助剂，能够调控全生物降解地膜的降解时间，有效调控制备的全生物地膜专用料的降解周期，制备降解周期40-150天的全生物降解地膜专用料，该降解地膜产品可满足不同海拔、不同地区、不同农作物的生长需求。
具体实施方式
下面将对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
下面的实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规生化试剂商店购买得到。以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，数据为三次重复实验的平均值或平均值±标准差。
实施例1
本实施例提供了一种降解周期可控全生物降解地膜，按照重量份计，原料包括以下组分：
Figure BDA0002756868320000051
制备方法包括步骤：
(1)将聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯、高结晶度聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、改性聚酰胺-胺、山梨醇、聚乙烯蜡和乙烯丙烯酸丁酯接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯搅拌混合均匀，然后加入碳酸钙、抗氧剂246、紫外线吸收剂为UV531和光稳定剂944，继续搅拌5min，得混合料；
(2)将混合料采用平行反向双螺杆挤出机熔融共混挤出，得到改性料；
(3)将得到的改性料采用吹膜机在175℃下吹膜成型，得到厚度为10μm的可控周期的全生物降解地膜。
其中，所述的平行反向双螺杆挤出机熔融共混反应，一至七区温度依次为130℃，155℃，175℃，175℃，180℃，180℃，180℃，机头温度为175℃。
实施例2
本实施例提供了一种降解周期可控全生物降解地膜，按照重量份计，原料包括以下组分：
Figure BDA0002756868320000052
Figure BDA0002756868320000061
制备方法包括步骤：
(1)将聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯、高结晶度聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、改性聚酰胺-胺、山梨醇、氧化乙烯蜡和乙烯丙烯酸丁酯接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯搅拌混合均匀，然后加入碳酸钙、抗氧剂246、抗氧剂168、紫外线吸收剂UV-P和光稳定剂944，继续搅拌5min，得混合料；
(2)将混合料采用平行反向双螺杆挤出机熔融共混挤出，得到改性料；
(3)将得到的改性料采用吹膜机在175℃下吹膜成型，得到厚度为10μm的可控周期的全生物降解地膜。
其中，所述的平行反向双螺杆挤出机熔融共混反应，一至七区温度依次为130℃，155℃，175℃，175℃，180℃，180℃，180℃，机头温度为175℃。
实施例3
本实施例提供了一种降解周期可控全生物降解地膜，按照重量份计，原料包括以下组分：
Figure BDA0002756868320000062
Figure BDA0002756868320000071
制备方法包括步骤：
(1)将乙撑双硬脂酰胺、钛盐和二分之一的氧化乙烯蜡在80℃下反应40min，调节剂，备用；
(2)将聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯、高结晶度聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、改性聚酰胺-胺、聚甘油、氧化乙烯蜡和乙烯丙烯酸丁酯接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯搅拌混合均匀，然后加入碳酸钙、抗氧剂246、抗氧剂1076、紫外线吸收剂234和光稳定剂770，继续搅拌5min，得混合料；
(3)将混合料采用平行反向双螺杆挤出机熔融共混挤出，得到改性料；
(4)将得到的改性料采用吹膜机在175℃下吹膜成型，得到厚度为10μm的可控周期的全生物降解地膜。
其中，所述的平行反向双螺杆挤出机熔融共混反应，一至七区温度依次为130℃，155℃，175℃，175℃，180℃，180℃，180℃，机头温度为175℃。
对比例1
本对比例提供了一种降解周期可控全生物降解地膜，按照重量份计，原料包括以下组分：
Figure BDA0002756868320000081
制备方法包括步骤：
(1)将聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯、聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、山梨醇、聚乙烯蜡和过氧化相容剂搅拌混合均匀，然后加入碳酸钙、抗氧剂246、紫外线吸收剂UV531和光稳定剂770，继续搅拌5min，得混合料；
(2)将混合料采用平行反向双螺杆挤出机熔融共混挤出，得到改性料；
(3)将得到的改性料采用吹膜机在175℃下吹膜成型，得到厚度为10μm的可控周期的全生物降解地膜。
其中，所述的平行反向双螺杆挤出机熔融共混反应，一至七区温度依次为130℃，155℃，175℃，175℃，180℃，180℃，180℃，机头温度为175℃。
对比例2
本对比例提供了一种降解周期可控全生物降解地膜，按照重量份计，原料包括以下组分：
Figure BDA0002756868320000082
Figure BDA0002756868320000091
制备方法包括步骤：
(1)将聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯、高结晶度聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚乙烯蜡和乙烯丙烯酸丁酯接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯搅拌混合均匀，然后加入碳酸钙、抗氧剂246、紫外线吸收剂531和光稳定剂770，继续搅拌5min，得混合料；
(2)将混合料采用平行反向双螺杆挤出机熔融共混挤出，得到改性料；
(3)将得到的改性料采用吹膜机在175℃下吹膜成型，得到厚度为10μm的可控周期的全生物降解地膜。
其中，所述的平行反向双螺杆挤出机熔融共混反应，一至七区温度依次为130℃，155℃，175℃，175℃，180℃，180℃，180℃，机头温度为175℃。
对本发明实施例1-3以及对比例1-2制备得到的地膜进行性能测试，测试方法按照GB/T1040.3-2006塑料拉伸性能测定第三部分中薄膜和薄片的试验条件，拉伸速率200mm/min。
表1实施例1-3和对比例1-2地膜性能
Figure BDA0002756868320000092
将本发明制备的地膜和现有利用，纯聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯地膜(PBAT膜)用于小麦实验田进行降解实验，每种地膜的覆盖面积为100m2，每天观察每种地膜的状态变化。
表2不同地膜的降解程度
Figure BDA0002756868320000101
由表2分析知，随着播种后时间增长，纯聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯地膜的降解速度非常快，对比例的全生物降解地膜在开始降解后降解时间也非常快，而本发明制备得到的全生物降解地膜的开始降解以及完全降解的时间通过调整原料组分的含量可以进行调节，适用于不同地区、不同环境的农作物种植。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种降解周期可控全生物降解地膜，其特征在于，制备所述地膜的原料包括如下重量份数的组分：聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯40-60份、高结晶度聚乳酸5-20份、聚丁二酸丁二醇酯5-15份、改性聚酰胺-胺2-10份、脂肪族多元醇2-6份、无机填料5-20份、相容剂1-5份、分散剂1-2.5份、抗氧剂0.1-2份、紫外线吸收剂0.1-5份、光稳定剂0.1-3份和助剂0-0.5份。
2.根据权利要求1所述的降解周期可控全生物降解地膜，其特征在于，所述高结晶度聚乳酸的密度为1.2-1.35g/cm3，熔指为3-8g/10min(190℃，2.16Kg)，熔点170-180℃，拉伸强度≥45-53MPa，断裂伸长率≥8-15％，冲击强度为5-10KJ/m2(Izod)。
3.根据权利要求1所述的降解周期可控全生物降解地膜，其特征在于，所述无机填料为碳酸钙、滑石粉、有机蒙脱土、氧化锌中的一种或两种以上的组合；所述相容剂为乙烯丙烯酸丁酯接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯或过氧化相容剂。
4.根据权利要求1所述的降解周期可控全生物降解地膜，其特征在于，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂BHT、抗氧剂1076、抗氧剂168、抗氧剂DSTP、抗氧剂DLTP、抗氧剂亚磷酸苯酯中的任一种或多种以上的组合；所述紫外线吸收剂为UV531、UV327、UV320、UV234、UV-P、Tinuvin-1577中的一种或两种以上的组合。
5.根据权利要求1所述的降解周期可控全生物降解地膜，其特征在于，所述分散剂为聚乙烯蜡、氧化乙烯蜡中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的降解周期可控全生物降解地膜，其特征在于，所述的光稳定剂为光稳定剂6922、光稳定剂770、光稳定剂783、光稳定剂791、光稳定剂944或光稳定剂3853中的一种或两种以上的组合。
7.根据权利要求1所述的降解周期可控全生物降解地膜，其特征在于，所述助剂包括质量比为1:1的金属盐和乙撑双硬脂酰胺；所述金属盐为银、金、铜、铬的盐。
8.根据权利要求1所述的降解周期可控全生物降解地膜，其特征在于，聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯的分子量为5-20万；所述高结晶度聚乳酸的分子量为5-10万。
9.权利要求1-8任意一项所述的降解周期可控全生物降解地膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯、聚丁二酸丁二醇酯、高结晶度聚乳酸、改性聚酰胺-胺、脂肪族多元醇、分散剂和相容剂搅拌混合均匀，然后加入其它组分，继续搅拌5-10min，得混合料；
(2)将混合料采用平行反向双螺杆挤出机熔融共混挤出，得到改性料；
(3)将得到的改性料采用吹膜机在170-180℃下吹膜成型，得到可控周期的全生物降解地膜。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，还包括将助剂和二分之一分散剂在70-100℃下反应30-50min得调节剂，步骤(1)中搅拌混合时加入；所述的平行反向双螺杆挤出机熔融共混反应，一至七区温度依次为130℃，155℃，175℃，175℃，180℃，180℃，180℃，机头温度为175℃。
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