CN113881112A - 生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜的制备方法，首先收集生物质热解灰渣，再称取生物质热解灰渣、玉米淀粉、甘油、去离子水；将称取的所有原料混合，再搅拌至其糊化，升温后，将混合溶液加入双螺杆挤出机，得到薄膜粒料；最后将薄膜粒料通过吹膜机吹塑形成塑料膜，经切割、分卷、包装后即得生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜。本发明方法制得的复合地膜降低了膜的渗吸系数和渗吸速率，进一步降低了淀粉溶解变质的速率，提高了地膜在室外条件下的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，具体地涉及一种生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜的制备方法。
背景技术
地膜覆盖种植可持续发展的关键是残膜污染的治理。目前，全世界约有2000万公顷农田采用地膜覆盖，其中中国所占比例最大(约90％)。从田里移除所有的地膜需要大量地劳动力和时间成本，因此部分塑料薄膜往往有意或无意地留在农业土壤中，在自然条件下需要200～400年才能降解。塑料残膜在土壤中新城隔离带(层)，破坏农田的生态环境，影响作物根系的发育和串通，阻碍作物对水分和养分的吸收，并对陆地野生动物和粮食安全构成相当大的威胁。因此，生物降解地膜是从根本上解决残膜污染的良策。
按主要成分来源，生物降解地膜可分为3类：天然高分子型、化学合成型和微生物合成型。已有研究提出使用某些聚合物与热塑性淀粉形成复合材料作为农用地膜可以表现出更好的热性能和机械性能。例如，己二酸-对苯二甲酸-丁二酯共聚物和淀粉组成的薄膜，可以降低土壤温度和湿度，同时提高光合作用和花生产量。以热塑性玉米淀粉为基体，玉米壳纤维为增强填料制备的可生物降解的复合膜，其密度和含水率明显降低，抗生物降解性降低，热稳定性提高。另外，将从咖啡和稻壳中提取的水热提取物和纤维素添加到玉米淀粉膜中，可大大提高薄膜的抗氧化和抗菌性能，并改善拉伸性能。
淀粉作为可再生资源，随着石油资源的减少和价格上涨等现实因素，对其开发利用日趋得到重视，目前，国内外都在着力研究淀粉的疏水化改性，并将其应用在生物降解塑料的制备中，可见对淀粉的疏水化改性具有巨大的发展空间。淀粉基生物降解塑料有全淀粉塑料和淀粉填充型塑料两种类型。全淀粉塑料是指在较高的温度、压力和湿度条件下，直接将天然淀粉进行注塑或者挤塑得到的全淀粉生物降解塑料，尽管全淀粉塑料可完全生物降解，但材料的机械强度很差，难以满足实际应用。因而，高填充型的淀粉基生物降解塑料仍是研究的重点，具有良好的发展空间。但现有填充型塑料主要是将原淀粉添加到非极性聚烯烃类树脂中，该产品存在明显的缺点：(1)淀粉的热稳定性不好，所以导致在加工生产中的温度不能太高；(2)由于淀粉本身的多羟基结构使得淀粉具有较强的亲水性淀粉颗粒在与聚烯烃进行混炼时，两者不能均匀的分散和互容；(3)由于淀粉与聚烯烃的相容性差，直接影响了产品的力学性能和产品的稳定性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜的制备方法。
本发明中的生物质热解灰渣是木质纤维素生物质热解气化过程中产生的废弃物，以其作为环氧树脂与胺交联反应的催化剂和增强填料，与玉米淀粉混合，以增强农用热塑性玉米淀粉生物降解地膜的性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，具体包括如下步骤：一种生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜的制备方法，包括以下子步骤：
(1)收集生物质热解灰渣；
(2)按重量份计称取生物质热解灰渣10～30份、玉米淀粉30～45份、甘油10～15份、去离子水300～500份；
(3)将步骤(2)称取的玉米淀粉加入去离子水中，升温至130～150℃，再依次加入生物质热解灰渣和甘油，搅拌至玉米淀粉糊化；
(4)将步骤(3)得到的混合溶液升温至130～150℃，并保温20～30min；
(5)将保温后的混合溶液加入双螺杆挤出机130～150℃条件下挤出造粒，得薄膜粒料；
(6)最后将薄膜粒料通过吹膜机吹塑形成塑料膜；经切割、分卷、包装后即得生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜。
进一步地，其特征在于，所述生物质热解灰渣优选研磨成粉末状备用。
进一步地，所述步骤(3)优选为使用高速混合机在100r/min下搅拌。
进一步地，所述步骤(3)中优选搅拌时间为10～15min。
进一步地，所述生物质热解灰渣优选10份、玉米淀粉优选30份。
进一步地，所述步骤(3)和步骤(4)中的升温温度优选为130℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)通过添加生物质热解灰渣，可以改善热塑性淀粉薄膜的热性能和耐久性；
(2)生物质热解灰渣的添加降低了膜的渗吸系数和渗吸速率，进一步降低了淀粉溶解变质的速率，提高了地膜在室外条件下的使用寿命；
(3)与纯淀粉的生物可降解地膜相比，生物质热解灰渣中包含的植物养分在降解后可以释放到土壤中，对农作物生长起到有益的作用；
(4)将原本应该垃圾填埋的工业废弃物得以再利用，减少了其对环境的影响，是一种经济环保的方法。
附图说明
图1为传统玉米淀粉膜和本发明所涉及的一种生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜的重量-时间降解曲线。
图2为传统玉米淀粉膜和本发明所涉及的一种生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜在老化试验前后的应力-应变曲线。
具体实施方式
本发明结合附图和实施例作进一步的说明，下述实例用以进一步说明本发明，但并不由此限制本发明范围。
实施例1：生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜的制备
称取30kg的玉米淀粉，加入300kg去离子水后升温至130℃，再依次加入10kg热解灰渣和10kg甘油，在高速混合机中以100r/min的转速搅拌10min使玉米淀粉糊化。而后将混合物重新升温至130℃，并保温20min。将混合溶液加入双螺杆挤出机130～150℃条件下挤出造粒, 得薄膜粒料。最后将薄膜粒料通过吹膜机吹塑形成塑料膜，经切割、分卷、包装后即得成品。
实施例2：生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜的制备
称取35kg的玉米淀粉，加入400kg去离子水后升温至140℃，再依次加入20kg热解灰渣和13kg甘油，在高速混合机中以100r/min的转速搅拌12min使玉米淀粉糊化。然后将混合物重新升温至140℃，并保温25min。将混合溶液加入双螺杆挤出机130～150℃条件下挤出造粒, 得薄膜粒料。最后将薄膜粒料通过吹膜机吹塑形成塑料膜，经切割、分卷、包装后即得成品。
实施例3：生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜的制备
称取45kg的玉米淀粉，加入500kg去离子水后升温至150℃，再依次加入30kg热解灰渣和15kg甘油，在高速混合机中以100r/min的转速搅拌15min使玉米淀粉糊化。然后将混合物重新升温至150℃，并保温30min。将混合溶液加入双螺杆挤出机130～150℃条件下挤出造粒, 得薄膜粒料。最后将薄膜粒料通过吹膜机吹塑形成塑料膜，经切割、分卷、包装后即得成品。
实施例4：性能测试比较
(1)对比例：本对比例的玉米淀粉塑料薄膜不加生物质热解灰渣，其制备步骤如下：先称取45kg的玉米淀粉，加入500kg去离子水后升温至150℃，再入15kg甘油作为增塑剂，在高速混合机中以100r/min的转速搅拌15min使玉米淀粉糊化。然后将混合物重新升温至 150℃，并保温30min。将混合溶液加入双螺杆挤出机130～150℃条件下挤出造粒,得薄膜粒料。最后将薄膜粒料通过吹膜机吹塑形成塑料膜，经切割、分卷、包装后即得成品。
(2)实施例
采用多种测试技术研究了不同生物质热解灰渣掺量对玉米淀粉地膜热性能和物理机械性能的影响。
生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜的渗吸系数和渗吸速率测试表明(如表1所示)，与传统地膜相比，添加了生物质热解灰渣的改性地膜的渗吸系数和渗吸速率得到了明显的降低，这进一步降低了淀粉溶解变质的速率，提高了地膜的使用寿命。具体地，与对比例相比，实施例1制备得到的复合地膜的渗吸系数降低了42％，渗吸速率降低了63％；实施例 2制备得到的复合地膜的渗吸系数降低了27％，渗吸速率降低了51％；实施例3制备得到的复合地膜的渗吸系数降低了14％，渗吸速率降低了11％。这进一步降低了淀粉溶解变质的速率，提高了地膜的使用寿命。
表1：渗吸系数和渗吸速率测试结果表
| 具体实施例 | 渗吸系数(％) | 渗吸速率(g h<sup>–1</sup>) |
| 对比例 | 22.57 | 0.065 |
| 实施例1 | 13.10 | 0.024 |
| 实施例2 | 16.57 | 0.032 |
| 实施例3 | 19.52 | 0.058 |
生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜的重量随时间变化的降解曲线(图1)表明在最初的48小时内每组地膜样品的重量都急剧下降，随后在更长的时间内降解速率较低。但与传统地膜相比，添加了生物质热解灰渣的改性地膜的淀粉溶解率平均降低了70％。这说明添加了生物质热解灰渣的改性地膜能进一步降低了淀粉溶解变质的速率，提高地膜的使用寿命。
生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜在老化试验前后的应力-应变曲线(图2)表明，添加生物质热解灰渣对地膜有轻微硬化效果，拉伸模量增加了约20％。这说明添加生物质热解灰渣可以使玉米淀粉生物降解膜获得更好的力学性能。
综上所述，本发明方法通过添加生物质热解灰渣，可以改善热塑性淀粉薄膜的热性能和耐久性；降低了膜的渗吸系数和渗吸速率，进一步降低了淀粉溶解变质的速率，提高了地膜在室外条件下的使用寿命；本发明方法将原本应该垃圾填埋的工业废弃物得以再利用，减少了其对环境的影响，是一种经济环保的方法。
Claims (6)
1.一种生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜的制备方法，其特征在于，包括以下子步骤：
(1)收集生物质热解灰渣；
(2)按重量份计称取生物质热解灰渣10～30份、玉米淀粉30～45份、甘油10～15份、去离子水300～500份；
(3)将步骤(2)称取的玉米淀粉加入去离子水中，升温至130～150℃，再依次加入生物质热解灰渣和甘油，搅拌至玉米淀粉糊化；
(4)将步骤(3)得到的混合溶液升温至130～150℃，并保温20～30min；
(5)将保温后的混合溶液加入双螺杆挤出机130～150℃条件下挤出造粒，得薄膜粒料；
(6)最后将薄膜粒料通过吹膜机吹塑形成塑料膜；经切割、分卷、包装后即得生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜。
2.根据权利要求1所述的生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜的制备方法，其特征在于，所述生物质热解灰渣优选研磨成粉末状备用。
3.根据权利要求1所述的生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)优选为使用高速混合机在100r/min下搅拌。
4.根据权利要求1所述的生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中优选搅拌时间为10～15min。
5.根据权利要求1所述的生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜的制备方法，其特征在于，所述生物质热解灰渣优选10份、玉米淀粉优选30份。
6.根据权利要求1所述的生物质热解灰渣/玉米淀粉生物降解复合地膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)和步骤(4)中的优选升温至130℃。
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2021
- 2021-11-03 CN CN202111292696.6A patent/CN113881112A/zh active Pending
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