CN114874503B - 一种纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜及其制备方法 - Google Patents

一种纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜及其制备方法。所述纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜由以下按照重量份计算的原料制成：淀粉60～80份；水10～40份；木质纤维素2～10份；增塑剂0～20份；硬脂酸0～1份；表面活性剂0～1份。采用所述纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜，可以在不添加其他塑料基材的条件下，使得纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜具有良好的机械强度、阻隔性能，可以起到土壤保温保墒效果，促进作物生长、去除杂草，增加作物的产量等功能。同时，地膜在生物降解过程所产生的二氧化碳和水可为作物生长提供养分，既实现残膜资源化利用又有效化解了残膜导致的“白色污染”问题。

Description

一种纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜及其制备方法
技术领域
本发明属于生物降解材料技术领域，更具体地，涉及一种纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜及其制备方法。
背景技术
农用塑料地膜具有保温、保墒、防寒、防冻等作用，地膜覆盖技术被广泛应用于农业生茶领域。目前应用较多的为聚乙烯为主的塑料地膜。然而，以聚乙烯为煮的塑料地膜已经给农业生产带来了一系列的负面影响，大量的残留地膜在土壤中逐年累积形成了隔层，不仅直接给农业耕作和播种造成了不利影响，还阻碍了土壤耕层水、气、肥的运动，破坏土壤结构、危害作物正常生长发育，造成农作物的减产，进而使农业生态环境遭到极大破坏，造成严重的“白色污染”。更有甚者，塑料地膜在土壤中崩裂为微塑料随着食物链危害人类健康安全。生物可降解地膜逐渐成为人们致力研发的方向，生物可降解地膜在自然环境下被土壤中的微生物作用降解生成无毒小分子，可以有效解决地膜残留的污染问题，对农作物的生长具有较好的促进作用，对生态环境不造成危害的一类塑料地膜。
目前，现有技术中，生物可降解地膜研究多为淀粉或者脂肪族聚酯为原料。现有技术公开了一种复合地膜，采用木质素、淀粉、红麻、聚乙烯醇为原料制备复合地膜，仅采用淀粉为原料制备的地膜力学性能和耐水性下降，通过加入聚乙烯醇提高力学性能和耐水性能，虽然可以提高生物降解性能，但是经60天降解最高仅为87％。因此，需要开发一种同时具有良好力学性能和耐水性的淀粉基生物降解地膜。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜，所述纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜具有良好的力学性能和耐水性，同时具有良好的生物降解性。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜，由以下按照重量份计算的原料制成：
Figure BDA0003703443860000011
Figure BDA0003703443860000021
发明人发现，当仅采用淀粉作为基材时，淀粉含量较高，可以有效提高地膜的生物降解性能，再加入木质纤维素可以提高纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜的力学性能和耐水性能，这是由于木质纤维素和淀粉具有相似的化学结构，相容性良好，可作为增强剂对纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜的机械强度和阻隔性能；水的加入可起到增塑的作用，促进淀粉塑化，淀粉、木质纤维素和水三者相互协同，相互作用，可以在不添加其他塑料基材的条件下，具有良好的力学性能和耐水性能。
优选地，所述纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜由以下按照重量份计算的原料制成：
Figure BDA0003703443860000022
上述方案中，通过调整淀粉、木质纤维素和水的用量，可以进一步提高纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜基生物可降解地膜的力学性能和耐水性能。其中，硬脂酸和表面活性剂作为阻隔剂，可以提高纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜的阻隔性能；增塑剂可以和水相互协同提高淀粉的塑化能力。
优选地，所述淀粉为玉米淀粉、马铃薯淀粉、红薯淀粉或小麦淀粉中的一种或几种。
优选地，所述木质纤维素为阔叶木纤维素和/或针叶木纤维素。
具体地，阔叶木纤维素为桦木纤维素、杨木纤维素、椴木纤维素、桉木纤维素、枫木纤维素、柏杨树纤维素、垂柳纤维素、榆树纤维素、梅花树纤维素、樱花树纤维素、紫薇树纤维素、木芙蓉纤维素、楠木纤维素、石榴树纤维素、枣树纤维素、香樟树纤维素中的一种或几种。
针叶木纤维素为水杉纤维素、云杉纤维素、冷杉纤维素、铁杉纤维素、马尾树纤维素、落叶松纤维素、鸡毛松纤维素、红松纤维素中的一种或几种。
本发明中增塑剂可以选用现有技术中的常用增塑剂。优选地，所述增塑剂为甘油、聚乙二醇、山梨醇、尿素、果糖、葡萄糖或酰胺中的一种或几种。
优选地，所述表面活性剂为单硬脂酸甘油酯、硬脂酰乳酸钙、硬脂酰乳酸钠、吐温80或司盘80中的一种或几种。
所述纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜的制备工艺包括以下步骤：
S1.将水、增塑剂、硬脂酸和表面活性剂混合得第一混合液；
S2.在搅拌过程中，将第一混合液滴加至淀粉得第二混合液；
S3.将木质纤维素加入到第二混合液中，搅拌均匀得木质纤维素/淀粉混合物，并置于塑料袋中平衡24h；
S4.将步骤S3.中平衡后的木质纤维素/淀粉混合物依次进行密炼、混炼得木质纤维素/淀粉粒料；
S5.将步骤S4.中的木质纤维素/淀粉粒料依次进行平衡干燥、挤出得纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜。
优选地，步骤S3.中，所述搅拌的搅拌温度为30℃～60℃。
优选地，步骤S3.中，所述搅拌的搅拌速度为400～1200rpm。
优选地，步骤S3.中，所述搅拌的搅拌时间为0.5h～3h。
本发明中，可以选用现有技术中的混炼工艺参数。优选地，步骤S4.中，所述混炼的混炼温度为100℃～160℃，转子转速为10rpm～60rpm，混炼时间为0.5h～2h。
优选地，步骤S5.中，所述平衡干燥后的木质纤维素/淀粉粒料水分含量为8％～20％。
本发明中，可以选用现有技术中的挤出工艺参数。优选地，步骤S5.中，所述挤出的挤出温度为100℃～180℃和挤出转速为10rpm～60rpm。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜，采用所述纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜制备的纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜中，较高含量的淀粉使地膜具有较好的生物降解能力，木质纤维素和淀粉相似相溶，水起到增塑作用，增塑剂和水相互协同提高淀粉的塑化能力，各组分相互协同，可以在不添加其他塑料基材的条件下，使得纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜具有良好的机械强度、阻隔性能，可以起到土壤保温保墒效果，促进作物生长、去除杂草，增加作物的产量等功能。同时，地膜在生物降解过程所产生的二氧化碳和水可为作物生长提供养分，既实现残膜资源化利用又有效化解了残膜导致的“白色污染”问题。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做出进一步地详细阐述，所述实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
本发明实施例和对比例中木质纤维素：杨树纤维素、桦树纤维素、榆树纤维素、水杉纤维素、落叶松纤维素；淀粉：玉米淀粉、马铃薯淀粉、红薯淀粉、小麦淀粉；甘油、尿素、葡萄糖、单硬脂酸甘油酯、硬质酰乳酸钙、硬脂酰乳酸钠、吐温80、司盘80、硬脂酸均为市售。
实施例1
一种纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜的制备方法，步骤如下：
S1.将20重量份水，15重量份甘油，0.3重量份硬脂酸和0.3重量份单硬脂酸甘油酯在40℃充分混合得第一混合液；
S2.将第一混合液逐滴滴加到65重量份玉米淀粉中，边滴加边搅拌得第二混合液；
S3.将6重量份杨树纤维素加入到第二混合液中，并借助顶置式搅拌器在40℃恒温水浴中以800rpm搅拌1.5h至均匀得木质纤维素/淀粉混合物，并置于塑料袋中平衡24h；
S4.将步骤S3.中，平衡后的木质纤维素/淀粉混合物通过密炼机进行密炼和混炼，混炼温度为120℃，转子速度为30rpm，混炼时间为1h得到木质纤维素/淀粉粒料；
S5.将步骤S4.中，木质纤维素/淀粉粒料放置恒温恒湿室平衡干燥至水分含量8％～20％后，加料至塑料挤出机，在挤出温度为120℃和挤出转速为30rpm时对木质纤维素/淀粉粒料进行挤出，制得纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜。
实施例2
一种纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜的制备方法，步骤如下：
S1.将18重量份水，12重量份聚乙二醇，0.1重量份硬脂酸和0.1重量份硬脂酰乳酸钙在40℃充分混合得第一混合液；
S2.将第一混合液逐滴滴加到70重量份马铃薯淀粉中，边滴加边搅拌得第二混合液；
S3.将2重量份桦树纤维素加入到第二混合液中，并借助顶置式搅拌器在30℃恒温水浴中以400rpm搅拌0.5h至均匀得木质纤维素/淀粉混合物，并置于塑料袋中平衡24h；
S4.将步骤S3.中，平衡后的木质纤维素/淀粉混合物通过密炼机进行密炼和混炼，混炼温度为100℃，转子速度为10rpm，混炼时间为2h得到木质纤维素/淀粉粒料；
S5.将步骤S4.中，木质纤维素/淀粉粒料放置恒温恒湿室平衡干燥至水分含量8％～20％后，加料至塑料挤出机，在挤出温度为100℃和挤出转速为20rpm时对木质纤维素/淀粉粒料进行挤出，制得纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜。
实施例3
一种纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜的制备方法，步骤如下：
S1.将15重量份水，20重量份甘油，0.4重量份硬脂酸和0.4重量份硬脂酰乳酸钠在40℃充分混合得第一混合液；
S2.将第一混合液逐滴滴加到65份红薯淀粉中，边滴加边搅拌得第二混合液；
S3.将4重量份榆树纤维素加入到第二混合液中，并借助顶置式搅拌器在50℃恒温水浴中以1000rpm搅拌0.5h至均匀得木质纤维素/淀粉混合物，并置于塑料袋中平衡24h；
S4.将步骤S3.中，平衡后的木质纤维素/淀粉混合物通过密炼机进行密炼和混炼，混炼温度为140℃，转子速度为20rpm，混炼时间为1.5h得到木质纤维素/淀粉粒料；
S5.将步骤S4.中，木质纤维素/淀粉粒料放置恒温恒湿室平衡干燥至水分含量8％～20％后，加料至塑料挤出机，在挤出温度为140℃和挤出转速为40rpm时对木质纤维素/淀粉粒料进行挤出，制得纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜。
实施例4
一种纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜的制备方法，步骤如下：
S1.将20重量份水，20重量份尿素，0.5重量份硬脂酸和0.5重量份吐温80在40℃充分混合得第一混合液；
S2.将第一混合液逐滴滴加到60份小麦淀粉中，边滴加边搅拌得第二混合液；
S3.将8重量份水杉纤维素加入到第二混合液中，并借助顶置式搅拌器在40℃恒温水浴中以800rpm搅拌2h至均匀得木质纤维素/淀粉混合物，并置于塑料袋中平衡24h；
S4.将步骤S3.中，平衡后的木质纤维素/淀粉混合物通过密炼机进行密炼和混炼，混炼温度为110℃，转子速度为50rpm，混炼时间为0.5h得到木质纤维素/淀粉粒料；
S5.将步骤S4.中，木质纤维素/淀粉粒料放置恒温恒湿室平衡干燥至水分含量8％～20％后，加料至塑料挤出机，在挤出温度为110℃和挤出转速为50rpm时对木质纤维素/淀粉粒料进行挤出，制得纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜。
实施例5
一种纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜的制备方法，步骤如下：
S1.将15重量份水，15重量份葡萄糖，0.3重量份硬脂酸和0.3重量份司盘80在40℃充分混合得第一混合液；
S2.将第一混合液逐滴滴加到70份玉米淀粉中，边滴加边搅拌得第二混合液；
S3.将10重量份落叶松纤维素加入到第二混合液中，并借助顶置式搅拌器在50℃恒温水浴中以800rpm搅拌1.5h至均匀得木质纤维素/淀粉混合物，并置于塑料袋中平衡24h；
S4.将步骤S3.中，平衡后的木质纤维素/淀粉混合物通过密炼机进行密炼和混炼，混炼温度为120℃，转子速度为40rpm，混炼时间为1h得到木质纤维素/淀粉粒料；
S5.将步骤S4.中，木质纤维素/淀粉粒料放置恒温恒湿室平衡干燥至水分含量8％～20％后，加料至塑料挤出机，在挤出温度为130℃和挤出转速为50rpm时对木质纤维素/淀粉粒料进行挤出，制得纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜。
实施例6
步骤和具体参数同实施例1，区别在于，淀粉基生物质地膜由80重量份玉米淀粉，40重量份水，10重量份杨树纤维素，20重量份增塑剂，1重量份硬脂酸，1重量份单硬脂酸甘油酯制成。
实施例7
步骤和具体参数同实施例1，区别在于，淀粉基生物质地膜由60重量份玉米淀粉，10重量份水，2重量份杨树纤维素制成。
实施例8
步骤和具体参数同实施例1，区别在于，采用2重量份杨树纤维素代替6重量份杨树纤维素。
实施例9
步骤和具体参数同实施例1，区别在于，采用4重量份杨树纤维素代替6重量份杨树纤维素。
实施例10
步骤和具体参数同实施例1，区别在于，采用8重量份杨树纤维素代替6重量份杨树纤维素。
实施例11
步骤和具体参数同实施例1，区别在于，采用10重量份杨树纤维素代替6重量份杨树纤维素。
对比例1
步骤和具体参数同实施例1，区别在于，对比例1中不添加木质纤维素。
对比例2
步骤和具体参数同实施例1，区别在于，采用12重量份杨树纤维素代替6重量份杨树纤维素。
性能测试
通过以下方法表征实施例1～11和对比例1～2制备的纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜进行性能测试。
(1)厚度：将上述方法所制备的纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜进行厚度测试，测试方法为使用精度为千分位的测厚规。
(2)拉伸强度：将上述方法所制备的纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜进行拉伸强度测试，测试方法为使用万能材料试验机，试验机夹紧长度设定为50mm，拉伸速度设定为10mm/min。
(3)水蒸气透过系数：将上述方法所制备的纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜进行阻隔性能测试，测试方法为借助于水蒸气透过率测定仪测试。
(4)生物降解性能：将上述方法所制备的纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜进行生物降解性能测试，测试方法为土壤埋藏法。
结果如表1所示。
表1实施例1～11和对比例1～2测试结果
Figure BDA0003703443860000071
从表1可以看出，本发明制备的纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜的拉伸强度高，阻隔性能好，生物可降解。比较实施例1～7可以看出，调整各组分用量可以进一步提高纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜的力学性能和耐水性能。
比较实施例1和对比例1可以看出，当纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜中不含有木质纤维素时，制得的纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜拉伸强度明显下降，且阻隔性能变差；比较实施例1和对比例2可以看出，当纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜中木质纤维素含量过高时，木质纤维素容易发生团聚，导致纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜的水蒸气透过率过高。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜，其特征在于，由以下按照重量份计算的原料制成：
淀粉60～80份；
水10～40份；
木质纤维素4～10份；
增塑剂10～15份；
硬脂酸0.1～0.5份；
表面活性剂0.1～0.5份；
所述纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜的制备方法，包括以下步骤：
S1.将水、增塑剂、硬脂酸和表面活性剂混合得第一混合液；
S2.在搅拌过程中，将第一混合液滴加至淀粉得第二混合液；
S3.将木质纤维素加入到第二混合液中，搅拌均匀得木质纤维素/淀粉混合物，并置于塑料袋中平衡24h；
S4.将步骤S3.中平衡后的木质纤维素/淀粉混合物依次进行密炼、混炼得木质纤维素/淀粉粒料；
S5.将步骤S4.中的木质纤维素/淀粉粒料依次进行平衡干燥、挤出得纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜；
所述淀粉为玉米淀粉、红薯淀粉或小麦淀粉中的一种或几种；
所述增塑剂为甘油、山梨醇、尿素、果糖、葡萄糖或酰胺中的一种或几种；
所述木质纤维素为阔叶木纤维素和/或针叶木纤维素。
2.根据权利要求1所述纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜，其特征在于，所述阔叶木纤维素为桦木纤维素、杨木纤维素、椴木纤维素、桉木纤维素、枫木纤维素、柏杨树纤维素、垂柳纤维素、榆树纤维素、梅花树纤维素、樱花树纤维素、紫薇树纤维素、木芙蓉纤维素、楠木纤维素、石榴树纤维素、枣树纤维素、香樟树纤维素中的一种或几种；所述针叶木纤维素为水杉纤维素、云杉纤维素、冷杉纤维素、铁杉纤维素、马尾树纤维素、落叶松纤维素、鸡毛松纤维素、红松纤维素中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜，其特征在于，所述表面活性剂为单硬脂酸甘油酯、硬脂酰乳酸钙、硬脂酰乳酸钠、吐温80或司盘80中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜，其特征在于，步骤S3.中，所述搅拌的搅拌温度为30℃～60℃。
5.根据权利要求1所述纤维素增强淀粉基的生物可降解地膜，其特征在于，步骤S5.中，所述平衡干燥后的木质纤维素/淀粉粒料水分含量为8%～20%。
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