CN112521219B - 一种生物质基药肥液体地膜及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物质基药肥液体地膜及其制备方法和应用，涉及天然高分子材料技术领域。本发明首先将废弃的农林生物质资源功能化羧甲基化改性后，获得水溶性植物纤维组分；将生物农药原位沉积并负载于天然无机多孔矿物质上；将水溶性植物纤维组分、亲水性助膜剂、载药矿物质、腐植酸、甘油共混交联，并添加表面活性剂均质、乳化后获得生物质基药肥液体地膜。本发明的生物质药肥液体地膜成膜性好，具有农药与肥料的双重功效，对农作物的杀虫、增肥效果显著；对土壤的吸水、保水、保温能力强，可促进作物生根发芽，增产增效，符合绿色农业种植发展需求，同时，可有效提高农林废弃物高值化转化应用，实现可再生资源循环利用。

Description

一种生物质基药肥液体地膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及天然高分子材料技术领域，特别是涉及一种生物质基药肥液体地膜及其制备方法和应用。
背景技术
我国农业产业的安全稳定生产得益于地膜与农药在农作物增温保熵、保水固肥、早熟增产、病虫害防治等环节的独到优势。然而，由于片面追求高产，传统粗犷的塑料地膜结合高频次且大量的化学农药喷洒带来了系列重大问题：(1)塑料地膜不可生物降解，不仅对环境造成严重污染，长期在土壤中堆积亦对土壤结构造成严重破坏；(2)塑料地膜的铺展亦受地形等的限制，作物栽培前期需人工开孔助苗，且地膜透气性与透水性差，种子及易发霉烂根；(3)高频次且大量的化学农药喷洒不仅造成严重经济浪费，同时农药残留量大，易通过食物链在生物体内堆积，对人类健康造成严重危害。
近年来，功能性液体地膜栽培技术在农业生产中得到了快速发展，其中，以药用、营养用以及药肥联用功能性液体地膜为主，不仅可发挥传统塑料地膜固有的保水保熵功效，还兼具农药、肥料等功能，绿色环保且生产高效。
但是，目前市场上的液态地膜还不够成熟，在性能方面依然存在一些不足。如：1、喷洒后在地表的成膜性较差，对土壤的保温、保水能力不足。2、液体地膜的功能较单一，无法达到药肥两用的效果。3、采用简单物理共混的方式在液体地膜中掺杂生物农药，无法实现农药缓慢、持久且稳定的释放，农药利用率低。
因此，开发出一种成膜性能良好、兼具药肥两效的缓释液态地膜是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物质基药肥液体地膜及其制备和应用，以解决上述现有技术存在的问题，使液态地膜具有优异的成膜性、良好的缓释效果，同时能够实现药肥两用。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明的目的之一是提供一种生物质基药肥液体地膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将生物质资源干燥、粉碎，加入碱液中，然后加入一氯乙酸钠进行羧甲基化反应，反应结束后沉淀、过滤，将所得液体透析、冻干后得到水溶性植物纤维组分；
(2)将生物农药溶解于溶剂中，并加入天然无机多孔矿物质，超声负载，得到载药矿物质；
(3)将步骤(1)所得水溶性植物纤维组分溶解在水中，加入步骤(2)制备的载药矿物质、亲水性助膜剂、腐植酸及甘油进行共混交联，然后加入表面活性剂进行均质、乳化后，制得生物质基药肥液体地膜。
进一步地，所述生物质资源为稻草、木屑、秸秆、甘蔗渣、果皮、玉米芯或谷壳的一种或几种。
进一步地，所述碱液的浓度为0.1-1mol/L；所述羧甲基化反应的温度为20-70℃，反应时间为0.5-24h。
进一步地，所述生物农药与天然无机多孔矿物质的质量比为(1-10):1。
进一步地，所述天然无机多孔矿物质为蛭石、膨润土、沸石、蒙脱土、羟磷灰石或钙钛矿的一种或几种。
进一步地，所述亲水性助膜剂为海藻酸钠、壳聚糖季铵盐、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡络烷酮、明胶、魔芋葡甘聚糖、琼脂糖、瓜尔胶的一种或几种。
进一步地，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、葵花油、十二烷基苯磺酸钠、甘胆酸钠、硬脂酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠或阿拉伯胶的一种或几种。
进一步地，步骤(3)中所述各组分质量百分比为：水溶性植物纤维组分5-35％，载药矿物质0.5-10％，腐植酸1-8％，亲水性助膜剂5-30％，表面活性剂0.1-10％，甘油10-20％，余量为水。
本发明的目的之二是提供一种上述制备方法制备得到的生物质基药肥液体地膜。
本发明的目的之三是提供一种上述生物质基药肥液体地膜在蔬菜种植中的应用。
本发明以农林废弃植物生物质资源为原料，采用羧甲基化改性获得水溶性植物纤维组分，从而赋予其溶解性与成膜性。若这些可溶性植物纤维组分单独作为成膜剂，其成膜性可能较差，无法满足直接喷液成膜的需求；此外，薄膜的吸水性与保水性可能较低，无法有效实现对作物、土壤的吸水保水功效。
亲水性助膜剂是一类具有优异水溶性与成膜性的聚合物，可在交联剂甘油的作用下与可溶性植物纤维组分的羟基通过形成相互氢键作用而交联，从而提高可溶性植物纤维组分的成膜性，赋予薄膜优异的力学强度与吸水保水性。
在膜液中加入表面活性剂后高速匀质获得高固含量的乳液，能够提高生物质基液态地膜喷膜成型效率，减少膜液在土壤表面的流失。
本发明公开了以下技术效果：
为赋予生物质基液态地膜缓慢且持久的杀菌活性，以及优异的肥料功效，提高其果蔬种植覆盖栽培效果，本发明将生物农药导入无机多孔矿物质上，赋予液膜缓慢且持久的抗病驱虫功效；同时，无机矿物质亦可作为无机肥料，促进果蔬生长发育需求；此外，本发明还添加有机腐植酸为肥料源，保证果蔬生长发育所需营养物质。
本发明制备的液态地膜喷液后易成膜，使用方便，不仅可提高土壤粘结力，还可实现对土壤的增温保熵效果，促进种子发芽和生根，增产增效。此外，液体地膜透气性与透水性好，且不受土壤地形的限制，覆膜栽培初期无需人工破洞助苗，减少人工操作，提高生产效率。
本发明的生物质基药肥液体地膜具有农药与肥料双重功效，不仅能有效减少栽培后期农药的过量喷洒，节约成本，保护生态环境；且地膜中所含无机矿物质与腐植酸可同时提供农作物所需无机与有机肥料，促进农作物生长发育。
本发明原料均为绿色可降解物质，降解快，降解率高，无残留，无污染，可部分取代塑料地膜；且所用溶剂主要为水、易挥发醇类等，不会对环境造成污染，膜液制备过程简单，操作方便，经济环保，符合生态农业与绿色制造工艺。本发明所选用的农林生物质资源量大、价廉、易于获取，很容易实现批量生产与工业化操作，实现可再生资源循环、高附加值的开发与利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1制备的桉木木粉基药肥液体地膜实物图；
其中，图1(a)为喷洒成型后的实物图，图1(b)为15天后的降解图；
图2为本发明实施例1的桉木木粉基药肥液体地膜所覆盖土壤7天的失水情况图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明中所述的“份”如无特别说明，均按质量份计。
实施例1
桉木木粉基药肥液体地膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将5g废弃的桉木边角料干燥、粉碎后过60目筛，并分散在浓度为0.1mol/L的氢氧化钠溶液中，30℃下浸泡24h，随后加入2g的一氯乙酸钠反应1h，再补加2g的一氯乙酸钠反应1h后沉淀、过滤，将所得液体透析、冻干后得到水溶性植物纤维组分。
(2)将生物农药阿维菌素溶解在甲醇中，并与膨润土共混后，50℃超声负载1h，得到载药矿物质，控制阿维菌素与蛭石的质量比为1：1。
(3)将步骤(1)所得水溶性植物纤维组分溶解在水中，加入亲水性助膜剂明胶、蛭石/阿维菌素、腐植酸，并添加甘油于室温下交联3h，随后加入表面活性剂二辛基琥珀酸磺酸钠匀质乳化后得到膜液。
其中，各组分的质量百分比分别为：水溶性植物纤维组分30％，蛭石/阿维菌素5％，腐植酸3％，亲水性助膜剂明胶20％，二辛基琥珀酸磺酸钠5％，甘油20％。
本实施例制备得到的桉木木粉基药肥液体地膜如图1(a)所示，15天后的降解情况如图1(b)所示。
结果表明，桉木木粉基药肥液体地膜具有优异的成膜性，可在土壤表面迅速连结成膜。此外，该地膜还具有优异的可生物降解性，15天后的降解率为30％，绿色环保。
图2为桉木木粉基药肥液体地膜所覆盖土壤7天的失水情况。空白土壤前期水分挥发迅速，使用桉木木粉基药肥液体地膜覆盖后，土壤失水慢且失水率低，表明液体地膜具有优异的保水性。
实施例2
玉米芯基药肥液体地膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将5g废弃的玉米芯边角料干燥、粉碎后过60目筛，并分散在浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液中，40℃下浸泡0.5小时，随后加入2g的一氯乙酸钠反应1h，再补加2g的一氯乙酸钠反应1h后沉淀、过滤，将所得液体透析、冻干后得到水溶性植物纤维组分。
(2)将生物农药阿维菌素溶解在甲醇中，并与膨润土共混后，50℃超声负载1h，得到载药矿物质，控制阿维菌素与膨润土的质量比为10：1。
(3)将步骤(1)所得水溶性植物纤维组分溶解在水中，加入亲水性助膜剂聚乙二醇、膨润土/阿维菌素、腐植酸，并添加甘油于室温下交联3h，随后加入表面活性剂葵花油匀质乳化后得到膜液。
其中，各组分的质量百分比分别为：水溶性植物纤维组分5％，膨润土/阿维菌素10％，腐植酸8％，亲水性助膜剂聚乙二醇30％，葵花油10％，甘油10％。
实施例3
谷壳基药肥液体地膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将5g废弃的谷壳干燥、粉碎后过60目筛，并分散在浓度为0.5mol/L的氢氧化钠溶液中，70℃下浸泡1小时，随后加入2g的一氯乙酸钠反应1h，再补加2g的一氯乙酸钠反应1h后沉淀、过滤，将所得液体透析、冻干后得到水溶性植物纤维组分。
(2)将生物农药阿维菌素溶解在甲醇中，并与羟磷灰石共混后，50℃超声负载1h，得到载药矿物质，控制阿维菌素与羟磷灰石的质量比为7：1。
(3)将步骤(1)所得水溶性植物纤维组分溶解在水中，加入亲水性助膜剂聚乙烯吡络烷酮、羟磷灰石/阿维菌素、腐植酸，并添加甘油于室温下交联3h，随后加入表面活性剂硬脂酸钠匀质乳化后得到膜液。
其中，各组分的质量百分比分别为：水溶性植物纤维组分35％，羟磷灰石/阿维菌素0.5％，腐植酸1％，亲水性助膜剂聚乙烯吡络烷酮5％，硬脂酸钠0.1％，甘油15％。
实施例4
甘蔗渣基药肥液体地膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将5g废弃的甘蔗渣干燥、粉碎后过60目筛，并分散在浓度为0.6mol/L的氢氧化钠溶液中，60℃下浸泡10小时，随后加入2g的一氯乙酸钠反应1h，再补加2g的一氯乙酸钠反应1h后沉淀、过滤，将所得液体透析、冻干后得到水溶性植物纤维组分。
(2)将生物农药阿维菌素溶解在甲醇中，并与钙钛矿共混后，50℃超声负载1h，得到载药矿物质，控制阿维菌素与钙钛矿的质量比为8：1。
(3)将步骤(1)所得水溶性植物纤维组分溶解在水中，加入亲水性助膜剂瓜尔胶、钙钛矿/阿维菌素、腐植酸，并添加甘油于室温下交联3h，随后加入表面活性剂阿拉伯胶匀质乳化后得到膜液。
其中，各组分的质量百分比分别为：水溶性植物纤维组分25％，钙钛矿/阿维菌素1％，腐植酸6％，亲水性助膜剂瓜尔胶20％，阿拉伯胶2％，甘油18％。
实施例5
甘蔗渣基药肥液体地膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将5g废弃的甘蔗渣干燥、粉碎后过60目筛，并分散在浓度为0.7mol/L的氢氧化钠溶液中，50℃下浸泡3小时，随后加入2g的一氯乙酸钠反应1h，再补加2g的一氯乙酸钠反应1h后沉淀、过滤，将所得液体透析、冻干后得到水溶性植物纤维组分。
(2)将生物农药阿维菌素溶解在甲醇中，并与蒙脱土共混后，50℃超声负载1h，得到载药矿物质，控制阿维菌素与蒙脱土的质量比为6：1。
(3)将步骤(1)所得水溶性植物纤维组分溶解在水中，加入亲水性助膜剂琼脂糖、蒙脱土/阿维菌素、腐植酸，并添加甘油于室温下交联3h，随后加入表面活性剂甘胆酸钠匀质乳化后得到膜液。
其中，各组分的质量百分比分别为：水溶性植物纤维组分20％，蒙脱土/阿维菌素3％，腐植酸5％，亲水性助膜剂琼脂糖25％，甘胆酸钠3％，甘油17％。
实施例6
果皮基药肥液体地膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将5g废弃的柚子果皮干燥、粉碎后过60目筛，并分散在浓度为0.2mol/L的氢氧化钠溶液中，55℃下浸泡8小时，随后加入2g的一氯乙酸钠反应1h，再补加2g的一氯乙酸钠反应1h后沉淀、过滤，将所得液体透析、冻干后得到水溶性植物纤维组分。
(2)将生物农药阿维菌素溶解在甲醇中，并与沸石共混后，50℃超声负载1h，得到载药矿物质，控制阿维菌素与沸石的质量比为5：1。
(3)将步骤(1)所得水溶性植物纤维组分溶解在水中，加入亲水性助膜剂壳聚糖季铵盐、沸石/阿维菌素、腐植酸，并添加甘油于室温下交联3h，随后加入表面活性剂十二烷基硫酸钠匀质乳化后得到膜液。
其中，各组分的质量百分比分别为：水溶性植物纤维组分28％，沸石/阿维菌素8％，腐植酸4％，亲水性助膜剂壳聚糖季铵盐15％，十二烷基硫酸钠5％，甘油16％。
对比例1
与实施例1不同之处在于，不添加载药矿物质。
对比例2
与实施例1不同之处在于，不添加甘油。
对比例3
与实施例1不同之处在于，调整羧甲基化改性的时间为26h。
对比例4
与实施例1不同之处在于，调整阿维菌素与蛭石的质量比为12：1。
对实施例1-6以及对比例1-4制备得到的生物基药肥液体地膜喷洒成膜后，进行力学性能测试、保温性能测试以及土壤总养分测定：
其中，保温性测试方法为：种植完成后，定期测试地下5cm的地温，测得覆盖液态地膜后土壤平均增温；土壤总养肥测试方法为：在30天时取土层下10cm左右的土壤，测定其有机质、全氮、全磷、全钾和全镁的含量。测试结果见表1-2。
表1
抗张强度(MPa) 土壤平均增温度(℃)
实施例1 42.2 8
实施例2 38.9 7
实施例3 40.1 6
实施例4 39.6 8
实施例5 40.2 8
实施例6 41.9 7
对比例1 39.8 4
对比例2 35.6 3
对比例3 28.9 2
对比例4 39.9 4
表2
Figure BDA0002857453570000111
Figure BDA0002857453570000121
结果表明，本发明生物基药肥液态地膜具有良好的力学性能，并可在果蔬覆盖栽培中达到良好的增温保墒的效果。同时，还可提供土壤必要的营养物质，提高土壤肥力，促进作物生长。
将实施例1-6以及对比例1-4制备得到的生物基药肥液态地膜用于生菜和韭菜种植中，统计生菜和韭菜的发芽率、根长以及病虫害率，结果如表3所示。
表3
Figure BDA0002857453570000122
由表3可以看出，本发明的生物基药肥液态地膜具有良好的促进蔬菜生长的效果，且抑制病虫害的效果显著。
实施例1-6以及对比例1-4制备得到的生物基药肥液态地膜不同时期的农药缓释率如表4所示：
表4
Figure BDA0002857453570000123
Figure BDA0002857453570000131
本发明的生物基药肥液态地膜能够实现缓慢持久的释放，符合绿色制造工艺要求。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种生物质基药肥液体地膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将生物质资源干燥、粉碎，加入碱液中，然后加入一氯乙酸钠进行羧甲基化反应1h，反应结束后沉淀、过滤，将所得液体透析、冻干后得到水溶性植物纤维组分；所述生物质与所述一氯乙酸钠的质量比为5:2；
(2)将生物农药溶解于溶剂中，并加入天然无机多孔矿物质，超声负载，得到载药矿物质；
(3)将步骤(1)所得水溶性植物纤维组分溶解在水中，加入步骤(2)制备的载药矿物质、亲水性助膜剂、腐植酸及甘油于室温下进行共混交联，然后加入表面活性剂进行均质、乳化后，制得生物质基药肥液体地膜；
所述碱液为浓度0.1-1mol/L的氢氧化钠溶液；所述羧甲基化反应的温度为20至70℃，反应时间为0.5-24h；
所述生物农药与天然无机多孔矿物质的质量比为(1-10):1；
所述天然无机多孔矿物质为蛭石、膨润土、沸石、蒙脱土、羟磷灰石或钙钛矿的一种或几种；
所述亲水性助膜剂为海藻酸钠、壳聚糖季铵盐、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡络烷酮、明胶、魔芋葡甘聚糖、琼脂糖、瓜尔胶的一种或几种；
步骤(3)中所述各组分质量百分比为：水溶性植物纤维组分5-35％，载药矿物质0.5-10％，腐植酸1-8％，亲水性助膜剂5-30％，表面活性剂0.1-10％，甘油10-20％，余量为水；
所述生物质资源为稻草、木屑、秸秆、甘蔗渣、果皮、玉米芯或谷壳中的一种或几种；
所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、葵花油、十二烷基苯磺酸钠、甘胆酸钠、硬脂酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠或阿拉伯胶的一种或几种。
2.一种如权利要求1制备方法制备得到的生物质基药肥液体地膜。
3.一种权利要求2所述的生物质基药肥液体地膜在蔬菜种植中的应用。
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