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CN107418170B - 一种全降解土壤保墒农用地膜的制备方法 - Google Patents

一种全降解土壤保墒农用地膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于农用薄膜技术领域，公开了一种全降解土壤保墒农用地膜的制备方法。农用地膜的原料按照重量份数包括：聚羟基链烷酸酯聚合物20～40份，脂肪酯类缩聚物8～15份，海藻提取物20～30份，正己烷100～150份，秋葵秸叶粉30～40份，玉米须5～10份，改性粘土粉3～5份，成膜剂10～15份，交联剂5～12份，光敏剂3～5份，任选的功能助剂8～15份。本发明的地膜在地表的成膜效果好且速度快，能够自动全降解，具有保墒、增温的作用，且具有改善土壤结构，增加土壤肥力的功能。

Description

一种全降解土壤保墒农用地膜的制备方法
技术领域:
本发明属于农用薄膜制备技术领域，涉及一种地膜喷的制备方法，特别是一种全降解土壤保墒膜的制备方法，制备出的农用地膜能够用于农业场合来对土壤墒情进行调整和保护，提高作物发育能力。
背景技术:
施用地膜可以满足农作物保温、保墒、保持肥力达到增产增收的需要而被广泛推广应用，已经成为农业增产的一项重要技术。但由于目前大多数地膜为聚乙烯或聚氯乙烯，其稳定性极高，降解过程相当缓慢，已造成严重的白色污染。为解决这一问题，在科技发展的推动下，逐步研制出多种可降解地膜，主要以腐殖酸、乳化沥青、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯及其聚合物中的一种或几种为主要原料，如中国专利CN102533276A公开了用蒙脱石、腐殖酸生产可降解液态地膜，腐殖酸作主要原料解决了地膜对土地环境的污染；中国专利CN1277228A公开的多功能可降解黑色液态地膜主要是以石油沥青或渣油为原料，成本较高，原料来源受到一定限制，另外该物质稀释时遇硬水容易被乳化导致成膜性降低；中国专利CN1935878A公开了一种多功能可降解地膜是聚乙烯醇、丙烯酸、淀粉的混合溶液，二者的成本较高，降解性差。中国专利CN105503482A公开了一种海藻液态肥料地膜粉，以海藻提取粉为主要原料，配合聚乙烯醇、羟甲基纤维素、丝蛋白粉、增氧剂和无机肥粒子，制得可降解的地膜，但是存在海藻提取粉制作复杂，海藻作为主要原料单一使用带来的成膜时间长、抗张强度不够的问题。
发展可完全降解地膜能够较好的解决地膜污染的问题。然而，现有技术中的可降解地膜在一定程度上避免了“白色污染”，但普遍存在成膜时间长、成膜效果差，不能完全降解等缺点，对使用和推广具有一定的局限性，因此，设计一种能够克服上述缺陷的因此，设计一种能够克服上述缺陷的全降解土壤保墒农用地膜的制备方法。
发明内容:
本发明的目的在于针对上述问题，提供一种全降解土壤保墒农用地膜的制备方法，在地表的成膜效果好且速度快，能够自动全降解，具有保墒、增温的作用，且具有改善土壤结构，增加土壤肥力的功能。
为了实现上述目的，本发明涉及一种全降解土壤保墒农用地膜的制备方法，所述农用地膜的原料按照重量份数包括：聚羟基链烷酸酯聚合物20～40份，脂肪酯类缩聚物8～15份，海藻提取物20～30份，正己烷100～150份，秋葵秸叶粉30～40份，玉米须5～10份，改性粘土粉3～5份，成膜剂10～15份，交联剂5～12份，光敏剂3～5份，任选的功能助剂8～15份；
所述农用地膜的制备工艺步骤包括：
(1)海藻提取物的制备：将新鲜海藻或者浸泡后的干海藻洗净备用，采用机械破碎成细小的颗粒后加入到反应装置中，再加入水和乙醇，一并进行打浆，得到打浆液A，在超声波条件下处理打浆液A20～40分钟，所述超声频率为60～90Hz，处理温度为20～50℃，打完浆后加入脂肪醇聚氧乙烯醚，在20～45℃下浸泡12～48小时，低温低压蒸馏回收部分有机溶剂，蒸馏温度为45～65℃，蒸馏压力为-0.5～-1.2MPa，压滤得到海藻渣及滤液，压滤机选用滤布孔径为800～4500目，所述滤液为海藻提取物；
其中海藻颗粒、水、乙醇和脂肪醇聚氧乙烯醚的质量比为5～30:10～85:10～85:0.01～0.1；
(2)秋葵秸叶粉的制备：取花期的秋葵秸叶，自然晾干，分级粉碎成细度小于150目的粉末；
(3)玉米须的加工：取秋季采摘的玉米棒上的须毛，自然晾干，切剪成长度小于1mm的颗粒段状；
(4)粘土粉的改性：将粘土粉与氨水、硅烷偶联剂KH-550按1:3～5:0.2～0.8的重量比密封混合，在搅拌的作用下浸泡2～5h，再沉淀3～5h，取下层沉淀物，自然晾干，粉碎成细度小于150目的粉末得改性粘土粉，其中氨水能够重复利用；
(5)地膜的制备：首先将聚羟基链烷酸酯聚合物和脂肪酯类缩聚物溶于正己烷中混合均匀，加入海藻提取物、秋葵秸叶粉、玉米须和改性粘土粉，搅拌混合均匀，然后加入成膜剂、交联剂、光敏剂和任选的功能助剂快速混合均匀，保温10～120分钟，得到混合物B，最后将混合物B添加到其10～14倍质量的水中进行搅拌，搅拌均匀后喷洒至土壤表面形成地膜。
本发明所述聚羟基链烷酸酯聚合物能够生物降解，包含摩尔比为约50:50的两种无规重复单体单元；其中第一种无规重复单体单元具有通式(Ⅰ)的结构：
式中：R1是H，或者C1～C3烷基，并且n为1；
第二种无规重复单体单元具有通式(Ⅱ)的结构：
式中：R2是H，或者C3～C19烷基或者C3～C19链烯基，并且m是2至16。
本发明使用的聚羟基链烷酸酯优选由生物有机体通过发酵或者由转基因的绿色植物获得；优选的，聚羟基链烷酸酯聚合物的数均分子量为大于250,000克/摩尔，在成膜过程中具有优异的拉伸模量和破裂韧性。
本发明所述脂肪酯类缩聚物由琥珀酸或其酸酐合成，或琥珀酸或其酸酐和己二酸合成。
本发明所述成膜剂为聚乙烯醇或普鲁兰胶；所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺或羧甲基纤维素；所述光敏剂为N,N-二丁基二硫代氨基甲酸铁、二硫代氨基甲酸镍、二苯甲酮或甲基乙烯酮中的一种或几种；所述功能助剂为除草剂、杀菌剂、微肥、发泡剂、防冻剂或气凝胶中的一种或其组合。
本发明涉及的聚羟基链烷酸酯通常结晶相当缓慢，与其它组分的加工速度差异较大而对产品造成不利影响，为避免聚羟基链烷酸酯的内在结晶缓慢问题，脂肪酯类缩聚物有助于加速共混物中聚羟基链烷酸酯的结晶，这是由于共混物的酯类缩聚物部分结晶加速和聚羟基链烷酸酯部分的结晶加速共同作用的结果，因此，能够以更快的速率达到成膜性的要求，在整体上获得有益效果。
本发明涉及的海藻包括浒苔和海带，采用水和有机溶剂相结合的提取方法，首先利用超声的作用破坏海藻植物细胞，使溶剂渗透到其中，然后加入脂肪醇聚氧乙烯醚作为湿润渗透剂，能够在常温常压下快速溶解海藻的保护膜，达到快速提取的目的；海藻及其提取液中含有植物生长所必需的很多无机养分和天然成膜成份，并且含有丰富的胺类、吲哚类化合物等植物生长物质和对其他生理活性物质，以及海藻药类等，作为地膜的成份之一，不仅能够使地膜的粘弹性、成膜性和保湿性好，还可作为肥料、农药、植物生长调节剂等。
本发明涉及的经过改性的粘土粉分散在地膜中，能够起到增强地膜力学性能的作用，同时能够很好的吸附功能助剂，使地膜更稳定，喷洒后功能助剂能够渗透到土壤中，更好的发挥融合土壤的相应作用。
本发明涉及的经过处理的秋葵秸叶粉和玉米须是保墒、增温作用的液态地膜的粘合覆膜材料，具有性质稳定、乳化分散好、粘度大和可降解的特性，在成膜过程中发挥纤维和凝结作用，降解后可腐化分解为腐殖酸，具有集农药、肥料和地膜于一身的特点。
本发明涉及的功能助剂根据不同作物的生长需要选择添加或不添加，在寒冷地区防冻植物应用中可加入防冻剂到地膜中，在杂草较多的植物应用中可加入除草剂、杀菌剂到地膜中，在需要隔热保温的环境中可加入气凝胶到地膜中，在需要提高肥力的情况下在地膜中加入微肥。通过调整功能助剂的种类和用量，获得适合不同作物的地膜。
本发明为了弥补生物降解的不完全性，在地膜中还加入光敏剂，使得地膜同时具有生物降解性和光降解性，在预定的10～30天使用周期后，能完全降解为对土壤无害且有益的物质。
本发明还包括根据所述全降解土壤保墒农用地膜的制备方法制备得到的地膜，采用喷洒的方式喷洒到整理平坦的地面上，能够在3～5分钟内形成地膜，将地面密封住，实现地面表层的保暖和抗水份蒸发，并且地膜后续降解为肥料浸入地面内，达到土壤保墒功效。
本发明具有以下有益技术效果：一是与现有技术相比，地膜采用聚羟基链烷酸酯与脂肪酯类缩聚物并用，同时配合经过特定方法制备或处理的海藻提取物、秋葵秸叶粉、玉米须和改性粘土粉，在成膜剂和交联剂的作用下，协同作用加快结晶快速成膜，能够提高地膜涵养水分、吸热保温的能力，同时具有改善土壤状况、增加土壤肥力的功能；二是地膜具有自动全降解的环保性能，具有光和生物双降解功能，聚羟基链烷酸酯、脂肪酯类缩聚物与其它已知的天然可生物降解物质例如淀粉或纤维素非常相像，这些材料在环境中最终生物降解为CO2、H2O和生物质；海藻提取物、秋葵秸叶粉、玉米须可完全降解且来源广泛、价格低廉；地膜力学性能和环保性能良好，可以代替已有的塑料地膜用于农业生产中，彻底解决了由于塑料地膜的使用带来的土壤贫瘠和白色污染问题；三是地膜采用喷洒的方式成膜，省工省时，操作简单，成膜效果好且速度快，不仅具有保墒、增温的作用，而且不妨碍植物的幼苗穿过膜层，一般在使用10-30天后可以实现完全降解，应用环境友好。
具体实施方式:
下面结合具体实例对本发明作进一步说明。
实施例1：
本实施例涉及的全降解土壤保墒农用地膜的制备方法，所述农用地膜按照重量份数包括：聚羟基链烷酸酯聚合物20份，脂肪酯类缩聚物8份，海藻提取物30份，正己烷100份，秋葵秸叶粉40份，玉米须10份，改性粘土粉5份，普鲁兰胶15份，羧甲基纤维素5份，N,N-二丁基二硫代氨基甲酸铁3份，微肥12份；
所述农用地膜的制备工艺步骤包括：
(1)海藻提取物的制备：
将新鲜海藻或者浸泡后的干海藻洗净备用，采用机械破碎成细小的颗粒后加入到反应装置中，再加入水和乙醇，一并进行打浆，得到打浆液A，在超声波条件下处理打浆液A40分钟，所述超声频率为60Hz，处理温度为20℃，打完浆后加入脂肪醇聚氧乙烯醚，在45℃下浸泡12小时，低温低压蒸馏回收部分有机溶剂，蒸馏温度为65℃，蒸馏压力为-0.5MPa，压滤得到海藻渣及滤液，压滤机选用滤布孔径为3000目，所述滤液为海藻提取物；
其中海藻颗粒、水、乙醇和脂肪醇聚氧乙烯醚的质量比为30:85:85:0.1；
(2)秋葵秸叶粉的制备：取花期的秋葵秸叶，自然晾干，分级粉碎成细度小于150目的粉末；
(3)玉米须的加工：取秋季采摘的玉米棒上的须毛，自然晾干，切剪成长度小于1mm的颗粒段状；
(4)粘土粉的改性：将粘土粉与氨水、硅烷偶联剂KH-550按1:4:0.5的重量比密封混合，在搅拌的作用下浸泡3h，再沉淀3h，取下层沉淀物，自然晾干，粉碎成细度小于150目的粉末，其中氨水能够重复利用，一次使用的消耗率低于20％；
(5)地膜的制备：首先将聚羟基链烷酸酯聚合物和脂肪酯类缩聚物溶于正己烷中混合均匀，加入海藻提取物、秋葵秸叶粉、玉米须和改性粘土粉，搅拌混合均匀，然后加入成膜剂、交联剂、光敏剂和任选的功能助剂快速混合均匀，保温60分钟，得到混合物B，最后将混合物B添加到其12倍质量的水中进行搅拌，搅拌均匀后喷洒至土壤表面形成地膜；
所述聚羟基链烷酸酯聚合物是可生物降解的，包含摩尔比为约50:50的两种无规重复单体单元；其中第一种无规重复单体单元具有通式(Ⅰ)的结构：
式中：R1是C2烷基，并且n为1；
聚羟基链烷酸酯聚合物中包括的第二种无规重复单体单元具有通式(Ⅱ)的结构：
式中：R2是C10链烯基，并且m是12；
本实施例使用的聚羟基链烷酸酯优选由生物有机体通过发酵或者由转基因的绿色植物获得；聚羟基链烷酸酯聚合物的数均分子量为350,000克/摩尔，在成膜过程中具有优异的拉伸模量和破裂韧性；
本实施例所述脂肪酯类缩聚物由琥珀酸合成。
实施例2：
本实施例涉及的全降解土壤保墒农用地膜的制备方法，所述农用地膜按照重量份数包括：聚羟基链烷酸酯聚合物40份，脂肪酯类缩聚物15份，海藻提取物25份，正己烷120份，秋葵秸叶粉35份，玉米须6份，改性粘土粉4份，聚乙烯醇10份，羧甲基纤维素10份，甲基乙烯酮5份，防冻剂10份；
所述农用地膜的制备工艺步骤包括：
(1)海藻提取物的制备：
将新鲜海藻或者浸泡后的干海藻洗净备用，采用机械破碎成细小的颗粒后加入到反应装置中，再加入水和乙醇，一并进行打浆，得到打浆液A，在超声波条件下处理打浆液A20分钟，所述超声频率为85Hz，处理温度为45℃，打完浆后加入脂肪醇聚氧乙烯醚，在25℃下浸泡36小时，低温低压蒸馏回收部分有机溶剂，蒸馏温度为45℃，蒸馏压力为-1.0MPa，压滤得到海藻渣及滤液，压滤机选用滤布孔径为3500目，所述滤液为海藻提取物；
其中海藻颗粒、水、乙醇和脂肪醇聚氧乙烯醚的质量比为10:50:25:0.02；
(2)秋葵秸叶粉的制备：取花期的秋葵秸叶，自然晾干，分级粉碎成细度为100目的粉末；
(3)玉米须的加工：取秋季采摘的玉米棒上的须毛，自然晾干，切剪成长度为0.8mm的颗粒段状；
(4)粘土粉的改性：将粘土粉与氨水、硅烷偶联剂KH-550按1:3:0.6的重量比密封混合，在搅拌的作用下浸泡2h，再沉淀4h，取下层沉淀物，自然晾干，粉碎成细度为100目的粉末，其中氨水能够重复利用，一次使用的消耗率低于20％；
(5)地膜的制备：首先将聚羟基链烷酸酯聚合物和脂肪酯类缩聚物溶于正己烷中混合均匀，加入海藻提取物、秋葵秸叶粉、玉米须和改性粘土粉，搅拌混合均匀，然后加入成膜剂、交联剂、光敏剂和任选的功能助剂快速混合均匀，保温80分钟，得到混合物B，最后将混合物B添加到其10倍质量的水中进行搅拌，搅拌均匀后喷洒至土壤表面形成地膜；
本实施例所述聚羟基链烷酸酯聚合物是可生物降解的，包含摩尔比为约50:50的两种无规重复单体单元；其中第一种无规重复单体单元具有通式(Ⅰ)的结构：
式中：R1是H，并且n是1。
聚羟基链烷酸酯聚合物中包括的第二种无规重复单体单元具有通式(Ⅱ)的结构：
式中：R2是C8烷基，并且m是6。
本实施例使用的聚羟基链烷酸酯优选由生物有机体通过发酵或者由转基因的绿色植物获得，聚羟基链烷酸酯聚合物的数均分子量为300,000克/摩尔；
本实施例所述脂肪酯类缩聚物由琥珀酸和己二酸合成。
实施例3：
本实施例涉及的全降解土壤保墒农用地膜的制备方法，所述农用地膜按照重量份数包括：聚羟基链烷酸酯聚合物30份，脂肪酯类缩聚物10份，海藻提取物20份，正己烷150份，秋葵秸叶粉30份，玉米须8份，改性粘土粉3份，聚乙烯醇13份，羧甲基纤维素12份，甲基乙烯酮4份，防冻剂14份；
所述农用地膜的制备工艺步骤包括：
(1)海藻提取物的制备：
将新鲜海藻或者浸泡后的干海藻洗净备用，采用机械破碎成细小的颗粒后加入到反应装置中，再加入水和乙醇，一并进行打浆，得到打浆液A，在超声波条件下处理打浆液A30分钟，所述超声频率为70Hz，处理温度为30℃，打完浆后加入脂肪醇聚氧乙烯醚，在30℃下浸泡20小时，低温低压蒸馏回收部分有机溶剂，蒸馏温度为50℃，蒸馏压力为-0.8MPa，压滤得到海藻渣及滤液，压滤机选用滤布孔径为1000目，所述滤液为海藻提取物；
其中海藻颗粒、水、乙醇和脂肪醇聚氧乙烯醚的质量比为20:65:70:0.06；
(2)秋葵秸叶粉的制备：取花期的秋葵秸叶，自然晾干，分级粉碎成细度为80目的粉末；
(3)玉米须的加工：取秋季采摘的玉米棒上的须毛，自然晾干，切剪成长度为0.5mm的颗粒段状；
(4)粘土粉的改性：将粘土粉与氨水、硅烷偶联剂KH-550按1:5:0.8的重量比密封混合，在搅拌的作用下浸泡2.5h，再沉淀5h，取下层沉淀物，自然晾干，粉碎成细度为80目的粉末，其中氨水能够重复利用，一次使用的消耗率低于20％；
(5)地膜的制备：首先将聚羟基链烷酸酯聚合物和脂肪酯类缩聚物溶于正己烷中混合均匀，加入海藻提取物、秋葵秸叶粉、玉米须和改性粘土粉，搅拌混合均匀，然后加入成膜剂、交联剂、光敏剂和任选的功能助剂快速混合均匀，保温30分钟，得到混合物B，最后将混合物B添加到其14倍质量的水中进行搅拌，搅拌均匀后喷洒至土壤表面形成地膜；
本实施例所述聚羟基链烷酸酯聚合物是可生物降解的，包含摩尔比为约50:50的两种无规重复单体单元；其中第一种无规重复单体单元具有通式(Ⅰ)的结构：
式中：R1是C1烷基，并且n是1。
聚羟基链烷酸酯聚合物中包括的第二种无规重复单体单元具有通式(Ⅱ)的结构：
式中：R2是H，并且m是16。
本实施例使用的聚羟基链烷酸酯优选由生物有机体通过发酵或者由转基因的绿色植物获得，聚羟基链烷酸酯聚合物的数均分子量为390,000克/摩尔。
本实施例所述脂肪酯类缩聚物由琥珀酸和己二酸合成。
对实施例1-3所得的地膜进行力学性能测试，薄膜抗张强度用TTM-500A型电脑抗张试验机，按GB/T13022-91标准测定，测得本发明的地膜抗张强度为2.8～3.5KN/m2，实施例1-3的地膜，与未使用地膜的土壤相比，可升高土壤温度5～8℃，与覆盖塑料地膜相比，土壤保水率相当，肥力可提高15～25％，可提高亩产和提前成熟期，经10～30天分段裂开，60～80天全部降解。

Claims (6)

1.一种全降解土壤保墒农用地膜的制备方法，其特征在于，所述农用地膜的原料按照重量份数包括：聚羟基链烷酸酯聚合物20～40份，脂肪酯类缩聚物8～15份，海藻提取物20～30份，秋葵秸叶粉30～40份，玉米须5～10份，改性粘土粉3～5份，成膜剂10～15份，交联剂5～12份，光敏剂3-5份，任选的功能助剂8-15份；所述脂肪酯类缩聚物由琥珀酸或其酸酐合成，或琥珀酸或其酸酐和己二酸合成；所述聚羟基链烷酸酯聚合物包含摩尔比为50:50的两种无规重复单体单元，其中第一种无规重复单体单元具有通式(Ⅰ)的结构：
式中：R1是H，或者C1～C3烷基，并且n的值为1；
第二种无规重复单体单元具有通式(Ⅱ)的结构：
式中：R2是H，或者C3～C19烷基或者C3～C19链烯基，并且m是2至16；
制备工艺步骤包括：
(1)海藻提取物的制备：将新鲜海藻或者浸泡后的干海藻洗净备用，采用机械破碎成细小的颗粒后加入到反应装置中，再加入水和乙醇，一并进行打浆，得到打浆液A，在超声波条件下处理打浆液A20～40分钟，所述超声频率为60～90Hz，处理温度为20～50℃，打完浆后加入脂肪醇聚氧乙烯醚，在20～45℃下浸泡12～48小时，低温低压蒸馏回收部分有机溶剂，蒸馏温度为45～65℃，蒸馏压力为-0.5～-1.2MPa，压滤得到海藻渣及滤液，压滤机选用滤布孔径为800～4500目，所述滤液为海藻提取物；其中海藻颗粒、水、乙醇和脂肪醇聚氧乙烯醚的质量比为5～30:10～85:10～85:0.01～0.1；
(2)秋葵秸叶粉的制备：取花期的秋葵秸叶，自然晾干，分级粉碎成细度小于150目的粉末；
(3)玉米须的加工：取秋季采摘的玉米棒上的须毛，自然晾干，切剪成长度小于1mm的颗粒段状；
(4)粘土粉的改性：将粘土粉与氨水、硅烷偶联剂KH-550按1:3～5:0.2～0.8的重量比密封混合，在搅拌的作用下浸泡2～5h，再沉淀3～5h，取下层沉淀物，自然晾干，粉碎成细度小于150目的粉末得改性粘土粉，其中氨水能够重复利用；
(5)地膜的制备：首先将聚羟基链烷酸酯聚合物和脂肪酯类缩聚物溶于正己烷中混合均匀，加入海藻提取物、秋葵秸叶粉、玉米须和改性粘土粉，搅拌混合均匀，然后加入成膜剂、交联剂、光敏剂和任选的功能助剂快速混合均匀，保温10～120分钟，得到混合物B，最后将混合物B添加到其10～14倍质量的水中进行搅拌，搅拌均匀后喷洒至土壤表面3～5分钟内形成地膜。
2.根据权利要求1所述的全降解土壤保墒农用地膜的制备方法，其特征在于，所述聚羟基链烷酸酯由生物有机体通过发酵或者由转基因的绿色植物获得。
3.根据权利要求2所述的全降解土壤保墒农用地膜的制备方法，其特征在于，聚羟基链烷酸酯聚合物的数均分子量为大于250,000克/摩尔。
4.根据权利要求1-3任一项所述的全降解土壤保墒农用地膜的制备方法，其特征在于，所述成膜剂为聚乙烯醇或普鲁兰胶，所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺或羧甲基纤维素，所述光敏剂为N,N-二丁基二硫代氨基甲酸铁、二硫代氨基甲酸镍、二苯甲酮或甲基乙烯酮中的一种或几种。
5.根据权利要求1-2任一项所述的全降解土壤保墒农用地膜的制备方法，其特征在于，所述功能助剂为除草剂、杀菌剂、微肥、发泡剂、防冻剂或气凝胶中的一种或其组合。
6.一种由权利要求1-3所述的全降解土壤保墒农用地膜的制备方法制备得到的地膜。
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