CN114685955B - 一种可缓释施肥生物降解渗水地膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可缓释施肥生物降解渗水地膜及其制备方法，可缓释施肥生物降解渗水地膜，由PBAT、PPC、亲水剂、扩链剂、润滑剂、滑石粉、天然无机磷肥构成；以重量百分比计，PBAT为40～80份，PPC为10～30份，亲水剂为0.1～0.5份，扩链剂为0.1～0.5份，润滑剂为0.1～0.5份，滑石粉为2～10份，天然无机磷肥为2～15份。本发明赋予地膜的渗水和缓释施肥功能，不仅保留了传统地膜的保温、保湿功能，还可对膜内环境进行适当调温、调湿、调气；同时在生物降解过程中，所携带的无机磷肥随地膜的降解可不断向土壤中缓慢释放，为土壤增加肥力，不断促进农作物生长。

Description

一种可缓释施肥生物降解渗水地膜及其制备方法
技术领域
本发明属于可生物降解膜技术领域，具体涉及到一种可缓释施肥生物降解渗水地膜及其制备方法。
背景技术
由于合成地膜比天然覆盖物具有更优异的保温、保湿功能和机械性能，使其在农业的应用中应运而生。传统合成地膜中聚乙烯材料因其具有优异的耐化学性、耐用性、柔韧性和无毒无味以及易于加工等特性而得到广泛应用，但是随着使用量的增加和聚乙烯材料本身缺乏降解性的特点，故而造成了巨大的环境污染积累问题。由于传统聚乙烯地膜不易降解，大量残留在土壤中可能会干扰后续作物根系的发育，并会造成土壤逐渐板结和土壤肥力下降等问题。如果对传统地膜使用后进行回收再利用或者回收处理，其过程会带来大量的时间和人工成本，并且回收处理无非就是焚烧或者地埋等方式，不管采取何种处理方式都会对环境造成严重的污染问题。所以随着农业的快速发展，地膜的使用量不断增加，传统地膜正面临着经济、环境和社会多方面的压力。
可降解地膜因具有优异的降解性一度被认为是传统聚乙烯地膜的有力替代品，使其在现代农业中得到广泛应用，但是仍然存在很多问题。首先，由于目前应用在农业中的可降解薄膜的气密性强，地膜覆盖后虽然能显著地减少土壤水分蒸发，使土壤湿度稳定，并能长期保持湿润，但在旱沙地盖膜，地膜与地表之间在晴天高温时，经常出现50℃左右的高温，在干旱比较严重的情况下反而会造成减产的问题。其次，目前使用的地膜很多并非全可降解，大量使用也会对土壤带来一定的污染问题。最后，在贫瘠土地上，覆盖膜后不便追肥，播种时施用基肥不足，覆盖也不能增产。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
本发明的其中一个目的是提供一种可缓释施肥生物降解渗水地膜，该地膜具有与传统地膜一样的保温、保湿功能，但是该地膜覆盖初期有增温作用，后期可根据地膜内的环境可进行适当调温、调湿和调气，而且该地膜具有优异的生物降解性，被微生物降解为水和二氧化碳以及生物质，在土壤中残留的有害物质为零，完全无毒；同时地膜通过微孔渗水可充分解决了半干旱地区缺水的问题；并将骨粉与强酸进行酸解，使其在降解过程中会向土壤中缓慢释放微肥，增加土壤的肥力，促进植物的快速生长。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种可缓释施肥生物降解渗水地膜，由PBAT、PPC、亲水剂、扩链剂、润滑剂、滑石粉、天然无机磷肥构成；
以重量百分比计，PBAT为40～80％，PPC为10～30％，亲水剂为0.1～0.5％，扩链剂为0.1～0.5％，润滑剂为0.1～0.5％，滑石粉为2～10％，天然无机磷肥为2～15％。
作为本发明可缓释施肥生物降解渗水地膜的一种优选方案，其中：所述亲水剂为聚乙烯吡络烷酮、苯乙烯-马来酸干、聚乙二醇以及含羟基、醚基和酰胺基类聚合物材料中的一种。
作为本发明可缓释施肥生物降解渗水地膜的一种优选方案，其中：所述扩链剂为胺类化合物。
作为本发明可缓释施肥生物降解渗水地膜的一种优选方案，其中：所述润滑剂为芥酸酰胺、油酸酰胺和硬酯酰胺中的一种。
作为本发明可缓释施肥生物降解渗水地膜的一种优选方案，其中：所述天然无机磷肥为兽骨粉和鱼骨粉中的一种或两种的混合物。
本发明的另一个目的是提供如上述任一项所述的可缓释施肥生物降解渗水地膜的制备方法，包括，
根据所述的重量百分比分别配置PBAT、PPC、亲水剂、扩链剂、润滑剂、滑石粉、天然无机磷肥，将各原料混合；
将所得混合物熔融共混，挤出造粒，得到可缓释施肥生物降解母粒；
将所得可缓释施肥生物降解母粒通过吹膜机吹膜，得到可缓释施肥生物降解渗水地膜。
作为本发明可缓释施肥生物降解渗水地膜的制备方法的一种优选方案，其中：还包括对所需原料均进行干燥处理，控制原料含水量在0.02以下；
其中，所述干燥处理，温度为70～100℃，时间为18～24h。
作为本发明可缓释施肥生物降解渗水地膜的制备方法的一种优选方案，其中：所述熔融共混于双螺杆挤出机中进行，双螺杆挤出机的一区温度为130～150℃，二区温度为140～160℃，三区温度为150～170℃，四区温度为160～180℃，五区温度为160～180℃，机头转速为1000～2000rpm。
作为本发明可缓释施肥生物降解渗水地膜的制备方法的一种优选方案，其中：所述将所得可缓释施肥生物降解母粒通过吹膜机吹膜，吹膜机的螺杆转速为600～1000RPM，机筒一区温度为130～150℃，机筒二区温度为150～180℃,机筒三区温度为150～180℃，模具一区温度为130～150℃，模具一区温度为130～150℃；牵引调速为300～400RPM，收卷调速为300～400RPM。
作为本发明可缓释施肥生物降解渗水地膜的制备方法的一种优选方案，其中：还包括对所得可缓释施肥生物降解母粒进行干燥处理，温度为70～100℃，时间为6～10h。
作为本发明可缓释施肥生物降解渗水地膜的制备方法的一种优选方案，其中：所述天然无机磷肥选用兽骨粉和/或鱼骨粉；制备方法中还包括对兽骨粉和/或鱼骨粉进行酸化改性处理的步骤，具体包括，称取100g骨粉加入到15mL冰醋酸中搅拌均匀，进行酸化改性处理，所得酸化骨粉在干燥箱中70℃干燥处理5～8h。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明在PBAT基材中引入亲水性材料和天然无机磷肥，赋予地膜的渗水和缓释施肥功能，同时协同润滑剂、扩链剂等助剂，制得缓释施肥的可生物降解渗水地膜，所得地膜不仅保留了传统地膜的保温、保湿功能，还可对膜内环境进行适当调温、调湿、调气，而且该地膜为可全生物降解；同时在生物降解过程中，所携带的无机磷肥随地膜的降解可不断向土壤中缓慢释放，为土壤增加肥力，不断促进农作物生长，具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明实施例1所制得可缓释施肥生物降解渗水地膜渗水前的扫描电镜图；
图2为本发明实施例1所制得可缓释施肥生物降解渗水地膜渗水后的扫描电镜图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
如无特别说明，实施例中所采用的原料均为商业购买。
实施例1
(1)称取100g鱼骨粉加入到15mL冰醋酸中搅拌均匀，进行酸化改性处理，所得酸化鱼骨粉在干燥箱中70℃干燥处理6h，备用；
(2)按质量百分含量称取经干燥处理的物料，分别为PBAT 55份，PPC 20份，亲水剂聚乙烯吡络烷酮0.5份，扩链剂ADR-4468 0.3份，润滑剂芥酸酰胺0.2份，滑石粉10份，酸化鱼骨粉14份；
(3)将所称取干燥物料在室温条件下放入自摩擦高混机中进行搅拌，搅拌时间持续10min左右；
(4)干燥混合物料加入到双螺杆挤出机中混炼塑化并挤出，双螺杆挤出机一区温度控制在140℃，二区温度控制在150℃，三区温度控制在170℃，四区温度控制在170℃，五区温度控制在170℃，机头转速控制在1500rpm；
(5)通过双螺杆挤出机挤出的物料经冷却后，再通过切割机切粒，得到可缓释施肥生物降解母粒；
(6)所得到的可缓释施肥生物降解母粒进行干燥，在70℃下干燥处理8h；
(7)所得到的干燥可缓释施肥生物降解母粒，经过吹膜机进行吹膜，得到可缓释施肥生物降解渗水地膜；其中吹膜机的螺杆转速为700RPM，机筒一区温度为140℃，机筒二区温度为170℃,机筒三区温度为170℃，模具一区温度为140℃，模具一区温度为150℃；牵引调速为400RPM，收卷调速为400RPM。
对实施例1所制得可缓释施肥生物降解渗水地膜进行水蒸气透过测试，测试方法参考GB/T 1037-1988塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法-杯式法，测试结果显示其水蒸气透过率为882g/(m2·24h)，说明渗水地膜具有较好的调温、调湿和调气等性能。
对实施例1所制得可缓释施肥生物降解渗水地膜进行力学性能测试，测试方法参考GB/T 1040.3-2006塑料拉伸性能的测定，测试结果如表1所示。
表1
Figure BDA0003625263030000051
实施例2
本实施例2与实施例1的区别在于，物料配方不同。物料配方是：PBAT 74份，PPC 12份，亲水剂苯乙烯-马来酸干0.2份，扩链剂ADR-4468 0.3份，润滑剂硬酯酰胺0.5份，滑石粉8份，酸化牛骨粉5份；
按照实施例1的方法完成步骤(1)～(7)，得到可缓释施肥生物降解渗水地膜。
对实施例2所制得可缓释施肥生物降解渗水地膜进行水蒸气透过测试，测试方法参考GB/T 1037-1988塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法-杯式法，测试结果显示其水蒸气透过率为819g/(m2·24h)，说明渗水地膜具有较好的调温、调湿和调气等功效。
对实施例2所制得可缓释施肥生物降解渗水地膜进行力学性能测试，测试方法参考GB/T 1040.3-2006塑料拉伸性能的测定，测试结果如表2所示。
表2
Figure BDA0003625263030000061
对比例1
本对比例1与实施例1的区别在于，未加亲水剂和未加天然无机磷肥。具体物料配方为：PBAT 69.5份，PPC 20份，亲水剂聚乙烯吡络烷酮0份，扩链剂ADR-4468 0.3份，润滑剂芥酸酰胺0.2份，滑石粉10份，酸化鱼骨粉0份；
按照实施例1的方法完成步骤(1)～(7)，得到地膜。
对对比例1所制得地膜进行水蒸气透过测试，测试方法参考GB/T 1037-1988塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法-杯式法，测试结果显示其水蒸气透过率为142g/(m2·24h)，说明所制备地膜的阻隔性能较好，表现出较差的调温、调湿和调气等功效。
对对比例1所制得地膜进行力学性能测试，测试方法参考GB/T 1040.3-2006塑料拉伸性能的测定，测试结果如表3所示。
表3
Figure BDA0003625263030000062
对比例2
本对比例2与实施例1的区别在于，未加亲水剂。具体物料配方为：PBAT 55.5份，PPC 20份，亲水剂聚乙烯吡络烷酮0份，扩链剂ADR-4468 0.3份，润滑剂芥酸酰胺0.2份，滑石粉10份，酸化鱼骨粉14份；
按照实施例1的方法完成步骤(1)～(7)，得到地膜。
对实施例1、对比例2所制得地膜进行渗水性能测试，渗水性能测试分别取尺寸为100cm×100cm，厚度为0.3cm的实施例1所制得可缓释施肥生物降解渗水地膜和对比例2所制得地膜作为样品。在室温23℃±2℃和常压下，将样品平放在65m/m布氏漏斗芯层上加入计量好的50ml±10ml蒸馏水，记录48h内从布氏漏斗渗入烧杯中水的质量，即渗水量。每组试验不少于3个。
测试结果如表4所示。
表4
时间/h 12 24 36 48
实施例1渗水量/mL 2 12 27 55
对比例2渗水量/mL 0 0 0 0
从表4可以看出，对比例2所制得地膜通过渗水试验之后发现仍然不渗水。
实施例1所制得可缓释施肥生物降解渗水地膜渗水前的扫描电镜图如图1所示；渗水后的扫描电镜图如图2所示。
从图1和图2中可以发现，实施例1所制得可缓释施肥生物降解渗水地膜在渗水前没有微孔，有明显的亲水剂填充，在经过雨水浸泡之后，亲水剂逐渐溶出地膜上面有明显的微孔结构产生。
对对比例2所制得地膜进行力学性能测试，测试方法参考GB/T 1040.3-2006塑料拉伸性能的测定，测试结果如表5所示。
表5
Figure BDA0003625263030000071
从表5与表2的数据对比可以发现，对比例2与实施例1所制得渗水地膜的机械性能相差不大，说明亲水剂对地膜的机械性能没有影响。
对比例3
本对比例3与实施例1的区别在于，未加天然无机磷肥。具体物料配方为：PBAT 69份，PPC 20份，亲水剂聚乙烯吡络烷酮0.5份，扩链剂ADR-4468 0.3份，润滑剂芥酸酰胺0.2份，滑石粉10份，酸化鱼骨粉0份；
按照实施例1的方法完成步骤(1)～(7)，得到地膜。
对实施例1、对比例2、对比例3所制得地膜进行农作物生长试验，采用同田对比试验，地点是贵阳某农场，该农场地势平坦开阔，无遮阳物。播种玉米种子，垄宽120cm，间隔40cm，将实施例1、对比例2、对比例3所制得地膜相互平行地铺设，将每条地膜的两侧边缘用土压紧封闭，进行普通栽培。覆膜时间是2021年4月至6月，30天后，将地膜人工开孔，使培育的植物向外伸出。分别在地面覆盖实验的10天、30天、60天、90天，随机抽取覆膜内的1米样段，测量样段内全部玉米苗离地面的高度，计算玉米苗的平均生长高度。测试结果如表6所示。
表6
Figure BDA0003625263030000081
从表6可知，对比例1所制得地膜覆盖的农作物的平均生长高度较低，生长速度较慢。对比例2所制得地膜覆盖的农作物前期生长速度较慢，可能是由于未添加亲水剂导致对膜内环境的调温、调湿和调气效果不好；后期生长速度有所提高，说明了天然无机磷肥的添加促进了农作物后期的快速生长。对比例3所制得地膜覆盖的农作物前期生长速度较快，这可能是由于地膜覆盖后，由于亲水剂的作用，对膜内环境的调温、调湿和调气效果较好，有助于农作物的发芽生长，当人工开孔后，对比例3所制得地膜覆盖的农作物生长速度明显放缓。与之相比，实施例1制备的可缓释施肥生物降解渗水地膜覆盖的农作物的前、后期生长速度均较快，说明亲水剂和天然无机磷肥的添加产生了协同增效的作用，更有利于农作物生长。
对对比例3所制得地膜进行力学性能测试，测试方法参考GB/T 1040.3-2006塑料拉伸性能的测定，测试结果如表7所示。
表7
Figure BDA0003625263030000091
由表7可知，未加天然无机磷肥所制得渗水地膜的机械性能相比实施例1有所降低，充分说明了天然无机磷肥的添加有助于提高渗水地膜的机械性能。
对比例4
与实施例1的区别在于，添加过量的天然无机磷肥。具体物料配方为：PBAT 49份，PPC 20份，亲水剂聚乙烯吡络烷酮0.5份，扩链剂ADR-4468 0.3份，润滑剂芥酸酰胺0.2份，滑石粉10份，酸化鱼骨粉20份；
按照实施例1的方法完成步骤(1)～(7)，得到地膜。
对对比例4所制得地膜进行力学性能测试，测试方法参考GB/T 1040.3-2006塑料拉伸性能的测定，测试结果如表8所示。
表8
Figure BDA0003625263030000092
从表8发现，与实施例1相比，对比例4所制得地膜机械性能明显下降，说明过量的添加天然无机磷肥会影响渗水地膜的机械强度。
本发明选择的天然无机磷肥，自然资源丰富，无污染，分散性好，与PBAT基体具有较好的相容性；并且具有较好的成膜性能、机械稳定等综合性能。所制得渗水地膜具有调温、调湿、调气和全生物降解等功能，而且在生物降解过程中，所携带的无机磷肥随地膜的降解可不断向土壤中缓慢释放，有效的为农作物根系创造良好的生长环境。
本发明通过在PBAT基体材料中添加一定比例的天然无机磷肥，添加无机磷肥可提高渗水地膜的机械强度的同时，在应用过程中，随地膜的降解可缓慢的向土壤中释放磷肥，促进植物的生长。
本发明通过在PBAT基体材料中添加一定比例的亲水性材料，所制得地膜在雨水的浸泡下，可将亲水剂溶出来，从而使地膜形成微孔结构，进而雨水通过微孔渗入土壤滋润植物根系；同时，膜下温度过高时，由膜内外压差可将膜内气体缓慢排放出来，从而避免膜内温度过高引起烧苗或闷坏种子现象。
通过本发明所制备的生物降解渗水地膜可改变土壤能量平衡，实现膜内的小气候，使地膜内的土壤处于合适的温度，能够增加养分的利用率、增加根部养分的吸收、增加土壤微生物的数量和活性、加快植物发芽和生长，从而促进更多农作物更快的发芽和出苗。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种可缓释施肥生物降解渗水地膜，其特征在于：由PBAT、PPC、亲水剂、扩链剂、润滑剂、滑石粉、天然无机磷肥构成；
以重量百分比计， PBAT为40~80%，PPC为10~30%，亲水剂为0.1~0.5%，扩链剂为0.1~0.5%，润滑剂为0.1~0.5%，滑石粉为2~10%，天然无机磷肥为2~15%；
其中，所述亲水剂为聚乙烯吡咯烷酮、苯乙烯-马来酸酐、聚乙二醇中的一种；
所述天然无机磷肥为兽骨粉和鱼骨粉中的一种或两种的混合物；制备方法包括对兽骨粉和/或鱼骨粉进行酸化改性处理的步骤，具体包括，称取100g骨粉加入到15mL冰醋酸中搅拌均匀，进行酸化改性处理，所得酸化骨粉在干燥箱中70℃干燥处理5～8h。
2.如权利要求1所述的可缓释施肥生物降解渗水地膜，其特征在于：所述扩链剂为胺类化合物。
3.如权利要求1或2所述的可缓释施肥生物降解渗水地膜，其特征在于：所述润滑剂为芥酸酰胺、油酸酰胺和硬酯酰胺中的一种。
4.如权利要求1~3中任一项所述的可缓释施肥生物降解渗水地膜的制备方法，其特征在于：包括，
根据权利要求1所述的重量百分比分别配置PBAT、PPC、亲水剂、扩链剂、润滑剂、滑石粉、天然无机磷肥，将各原料混合；
将所得混合物熔融共混，挤出造粒，得到可缓释施肥生物降解母粒；
将所得可缓释施肥生物降解母粒通过吹膜机吹膜，得到可缓释施肥生物降解渗水地膜。
5.如权利要求4所述的可缓释施肥生物降解渗水地膜的制备方法，其特征在于：还包括对所需原料均进行干燥处理，控制原料含水量在0.02以下；
其中，所述干燥处理，温度为70~100℃，时间为18~24h。
6.如权利要求4或5所述的可缓释施肥生物降解渗水地膜的制备方法，其特征在于：所述熔融共混于双螺杆挤出机中进行，双螺杆挤出机的一区温度为130~150℃，二区温度为140~160℃，三区温度为150~170℃，四区温度为160~180℃，五区温度为160~180℃，机头转速为1000~2000rpm。
7.如权利要求6所述的可缓释施肥生物降解渗水地膜的制备方法，其特征在于：还包括对所得可缓释施肥生物降解母粒进行干燥处理，温度为70~100℃，时间为6~10h。
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