本發(fā)明屬于薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高阻隔性生物可降解地膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
由于自然環(huán)境的限制，很多類型的蔬菜和水中在其幼苗生長都會(huì)受到影響，為了改善農(nóng)作物的生長環(huán)境，提高作物產(chǎn)量，高效保溫保濕的地面覆蓋薄膜被用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。傳統(tǒng)的地膜材料難以降解，在土壤中殘留時(shí)間長，不僅會(huì)造成土壤的嚴(yán)重板結(jié)，而且會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)，造成環(huán)境污染。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生物降解性能較好的地膜成為研究熱點(diǎn)，現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，在制備地膜的物質(zhì)成分中，添加淀粉可以增加地膜的降解效率，縮短其在土壤中的殘留時(shí)間，在地膜制備領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用價(jià)值。但是利用淀粉制備而成的地膜大多存在機(jī)械性能差、易破損，且阻隔性能較差，需要開發(fā)一種高阻隔性、生物可降解的地膜。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供的一種高阻隔性生物可降解地膜及其制備方法，可以解決現(xiàn)有的可降解地膜的機(jī)械性能差、易破損，且阻隔性能較差的問題。
本發(fā)明的目的是提供一種高阻隔性生物可降解地膜，其原料由以下重量份的組分制成：小麥秸稈纖維9-12份、玉米淀粉25-35份、氫氧化鈉3-5份、聚乙烯醇1-2份、羧甲基纖維素1-2份、乙二醛3-5份、甘油5-10份、纖維素酶0.5-1份、穩(wěn)定劑1-2份、去離子水90-100份；
所述小麥秸稈纖維是小麥秸稈洗凈、烘干后經(jīng)酸解制備而成。
優(yōu)選的，上述高阻隔性生物可降解地膜中，其原料由以下重量份的組分制成：小麥秸稈纖維10份、玉米淀粉30份、氫氧化鈉4份、聚乙烯醇1份、羧甲基纖維素2份、乙二醛4份、甘油10份、纖維素酶0.8份、穩(wěn)定劑1.5份、去離子水95份。
優(yōu)選的，上述高阻隔性生物可降解地膜中，所述穩(wěn)定劑為硬脂酸鈣、硬質(zhì)酸鈉、環(huán)氧大豆油中的一種。
本發(fā)明還提供了上述高阻隔性生物可降解地膜的制備方法，具體按照以下步驟實(shí)施：
步驟1，制備母料
步驟1.1，制備小麥秸稈纖維
將小麥秸稈洗凈，并于40-45℃條件下烘干，得到干燥秸稈；
將1mol/L鹽酸和5g/L的檸檬酸按照1:1的體積比例混合均勻，得到酸解液；
將干燥秸稈與酸解液按照1kg:5L的比例混合均勻，攪拌20-30min，過濾，收集濾渣并于40-45℃條件下烘干，得到小麥秸稈纖維；
步驟1.2，分別稱取以下重量份的組分：小麥秸稈纖維9-12份、玉米淀粉25-35份、氫氧化鈉3-5份、聚乙烯醇1-2份、羧甲基纖維素1-2份、乙二醛3-5份、甘油5-10份、纖維素酶0.5-1份、穩(wěn)定劑1-2份、去離子水90-100份；
步驟1.3，將步驟1.2稱取的小麥秸稈纖維、纖維素酶和一半質(zhì)量的去離子水混合均勻，攪拌15-20min，然后于100℃條件下熱處理5min，得到小麥纖維混合物；
步驟1.4，將步驟1.2稱取的玉米淀粉、氫氧化鈉、聚乙烯醇、羧甲基纖維素、乙二醛和另一半質(zhì)量的去離子水混合均勻，攪拌20min，得到玉米交聯(lián)淀粉混合液；
步驟1.5，將所述小麥纖維混合物、所述玉米交聯(lián)淀粉混合液與步驟1.2稱取的、甘油穩(wěn)定劑充分混合均勻，得到母料；
步驟2，造粒：將制備的母料經(jīng)過造粒機(jī)造粒，得到可降解母粒；
步驟3，吹膜：采用三螺桿吹膜機(jī)，將所述可降解母粒吹制成高阻隔性生物可降解地膜。
優(yōu)選的，上述高阻隔性生物可降解地膜的制備方法中，所述造粒機(jī)采用的是雙螺桿擠造粒出機(jī)。
與普通的地膜相比，本發(fā)明的高阻隔性生物可降解地膜具有以下有益效果：
1、采用玉米淀粉和小麥秸稈纖維為主要制備原料，制作成本低廉，制備方法簡單，為農(nóng)作物秸稈的回收利用增加了新途徑。
2、本發(fā)明地膜的制備方法中，利用纖維素酶對小麥秸稈纖維進(jìn)行改性，使小麥秸稈的纖維部分降解，增加小麥秸稈纖維的拉伸性能，避免直接使用秸稈纖維帶來的機(jī)械性能較差的缺陷；
同時(shí)，還利用氫氧化鈉、羧甲基纖維素對玉米淀粉進(jìn)行改性，得到玉米交聯(lián)淀粉，增加玉米淀粉的拉伸性能。
3、與普通的地膜相比，本發(fā)明的高阻隔性生物可降解地膜縱向拉伸強(qiáng)度提高了66％以上，橫向拉伸強(qiáng)度提高了66％以上，拉伸率提高了58％以上，不易破損；透濕量降低了25％以上，阻隔性能好；此外，土埋60d則可以完全降解，具有良好的降解效果，在農(nóng)業(yè)地膜應(yīng)用方面具有良好的前景。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但不應(yīng)理解為本發(fā)明的限制。下列實(shí)施例中未注明具體條件的試驗(yàn)方法，通常按照常規(guī)條件操作，由于不涉及發(fā)明點(diǎn)，故不對其步驟進(jìn)行詳細(xì)描述。
當(dāng)實(shí)施例給出數(shù)值范圍時(shí)，應(yīng)理解，除非本發(fā)明另有說明，每個(gè)數(shù)值范圍的兩個(gè)端點(diǎn)以及兩個(gè)端點(diǎn)之間任何一個(gè)數(shù)值均可選用。除非另外定義，本發(fā)明中使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解的意義相同。除實(shí)施例中使用的具體方法、設(shè)備、材料外，根據(jù)本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員對現(xiàn)有技術(shù)的掌握及本發(fā)明的記載，還可以使用與本發(fā)明實(shí)施例中所述的方法、設(shè)備、材料相似或等同的現(xiàn)有技術(shù)的任何方法、設(shè)備和材料來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
實(shí)施例1
實(shí)施例1的一種高阻隔性生物可降解地膜，其原料由以下重量份的組分制成：小麥秸稈纖維10份、玉米淀粉30份、氫氧化鈉4份、聚乙烯醇1份、羧甲基纖維素2份、乙二醛4份、甘油10份、纖維素酶0.8份、硬脂酸鈣1.5份、去離子水95份；所述小麥秸稈纖維是小麥秸稈洗凈、烘干后經(jīng)酸解制備而成，具體按照以下步驟制備：
步驟1，制備母料
步驟1.1，制備小麥秸稈纖維
將小麥秸稈洗凈，并于40℃條件下烘干，得到干燥秸稈；
將1mol/L鹽酸和5g/L的檸檬酸按照1:1的體積比例混合均勻，得到酸解液；
將干燥秸稈與酸解液按照1kg:5L的比例混合均勻，攪拌20min，過濾，收集濾渣并于40℃條件下烘干，得到小麥秸稈纖維；
步驟1.2，分別稱取以下重量份的組分：小麥秸稈纖維10份、玉米淀粉30份、氫氧化鈉4份、聚乙烯醇1份、羧甲基纖維素2份、乙二醛4份、甘油10份、纖維素酶0.8份、硬脂酸鈣1.5份、去離子水95份；
步驟1.3，將步驟1.2稱取的小麥秸稈纖維、纖維素酶和一半質(zhì)量的去離子水混合均勻，攪拌15min，然后于100℃條件下熱處理5min，得到小麥纖維混合物；
步驟1.4，將步驟1.2稱取的玉米淀粉、氫氧化鈉、聚乙烯醇、羧甲基纖維素、乙二醛和另一半質(zhì)量的去離子水混合均勻，攪拌20min，得到玉米交聯(lián)淀粉混合液；
步驟1.5，將小麥纖維混合物、玉米交聯(lián)淀粉混合液與步驟1.2稱取的甘油、硬脂酸鈣充分混合均勻，得到母料；
步驟2，造粒：將制備的母料經(jīng)過造粒機(jī)造粒，得到可降解母粒，造粒機(jī)采用的型號是石家莊東岳機(jī)電有限公司生產(chǎn)的SJSH平行同向雙螺桿擠出造粒機(jī)，其造粒的造作方法按照本領(lǐng)域常規(guī)方法均可，該步驟并不是發(fā)明點(diǎn)所在，故不做詳述；
步驟3，吹膜：采用吹膜機(jī)(恒翔塑機(jī)公司的LD(L)系列地膜農(nóng)膜吹塑機(jī)組)，將制備的可降解母粒吹制成高阻隔性生物可降解地膜，吹膜步驟按照本領(lǐng)域常規(guī)方法進(jìn)行即可，該步驟并不是發(fā)明點(diǎn)所在，故不做詳述。
實(shí)施例2
實(shí)施例1的一種高阻隔性生物可降解地膜，其原料由以下重量份的組分制成：小麥秸稈纖維9份、玉米淀粉25份、氫氧化鈉3份、聚乙烯醇1.5份、羧甲基纖維素1.5份、乙二醛5份、甘油8份、纖維素酶1份、硬質(zhì)酸鈉1份、去離子水90份；所述小麥秸稈纖維是小麥秸稈洗凈、烘干后經(jīng)酸解制備而成，具體按照以下步驟制備：
步驟1，制備母料
步驟1.1，制備小麥秸稈纖維
將小麥秸稈洗凈，并于45℃條件下烘干，得到干燥秸稈；
將1mol/L鹽酸和5g/L的檸檬酸按照1:1的體積比例混合均勻，得到酸解液；
將干燥秸稈與酸解液按照1kg:5L的比例混合均勻，攪拌30min，過濾，收集濾渣并于45℃條件下烘干，得到小麥秸稈纖維；
步驟1.2，分別稱取以下重量份的組分：小麥秸稈纖維9份、玉米淀粉25份、氫氧化鈉3份、聚乙烯醇1.5份、羧甲基纖維素1.5份、乙二醛5份、甘油8份、纖維素酶1份、硬質(zhì)酸鈉1份、去離子水90份；
步驟1.3，將步驟1.2稱取的小麥秸稈纖維、纖維素酶和一半質(zhì)量的去離子水混合均勻，攪拌20min，然后于100℃條件下熱處理5min，得到小麥纖維混合物；
步驟1.4，將步驟1.2稱取的玉米淀粉、氫氧化鈉、聚乙烯醇、羧甲基纖維素、乙二醛和另一半質(zhì)量的去離子水混合均勻，攪拌20min，得到玉米交聯(lián)淀粉混合液；
步驟1.5，將小麥纖維混合物、玉米交聯(lián)淀粉混合液與步驟1.2稱取的甘油、硬質(zhì)酸鈉充分混合均勻，得到母料；
步驟2，造粒：將制備的母料經(jīng)過造粒機(jī)造粒，得到可降解母粒，造粒的造作方法按照本領(lǐng)域常規(guī)方法均可，該步驟并不是發(fā)明點(diǎn)所在，故不做詳述；
步驟3，吹膜：采用吹膜機(jī)，將制備的可降解母粒吹制成高阻隔性生物可降解地膜，其中螺桿加工溫度為150℃，吹塑模頭加工溫度控制在175℃，其余吹膜步驟按照本領(lǐng)域常規(guī)方法進(jìn)行即可，該步驟并不是發(fā)明點(diǎn)所在，故不做詳述。
實(shí)施例3
實(shí)施例1的一種高阻隔性生物可降解地膜，其原料由以下重量份的組分制成：小麥秸稈纖維12份、玉米淀粉35份、氫氧化鈉4份、聚乙烯醇2份、羧甲基纖維素1份、乙二醛3份、甘油5份、纖維素酶0.5份、環(huán)氧大豆油1.5份、去離子水100份；所述小麥秸稈纖維是小麥秸稈洗凈、烘干后經(jīng)酸解制備而成，具體按照以下步驟制備：
步驟1，制備母料
步驟1.1，制備小麥秸稈纖維
將小麥秸稈洗凈，并于42℃條件下烘干，得到干燥秸稈；
將1mol/L鹽酸和5g/L的檸檬酸按照1:1的體積比例混合均勻，得到酸解液；
將干燥秸稈與酸解液按照1kg:5L的比例混合均勻，攪拌25min，過濾，收集濾渣并于42℃條件下烘干，得到小麥秸稈纖維；
步驟1.2，分別稱取以下重量份的組分：小麥秸稈纖維12份、玉米淀粉35份、氫氧化鈉4份、聚乙烯醇2份、羧甲基纖維素1份、乙二醛3份、甘油5份、纖維素酶0.5份、環(huán)氧大豆油1.5份、去離子水100份；
步驟1.3，將步驟1.2稱取的小麥秸稈纖維、纖維素酶和一半質(zhì)量的去離子水混合均勻，攪拌15min，然后于100℃條件下熱處理5min，得到小麥纖維混合物；
步驟1.4，將步驟1.2稱取的玉米淀粉、氫氧化鈉、聚乙烯醇、羧甲基纖維素、乙二醛和另一半質(zhì)量的去離子水混合均勻，攪拌20min，得到玉米交聯(lián)淀粉混合液；
步驟1.4，將小麥纖維混合物、玉米交聯(lián)淀粉混合液與步驟1.2稱取的甘油、環(huán)氧大豆油充分混合均勻，得到母料；
步驟2，造粒：將制備的母料經(jīng)過造粒機(jī)造粒，得到可降解母粒，造粒的造作方法按照本領(lǐng)域常規(guī)方法均可，該步驟并不是發(fā)明點(diǎn)所在，故不做詳述；
步驟3，吹膜：采用吹膜機(jī)，將制備的可降解母粒吹制成高阻隔性生物可降解地膜，其中螺桿加工溫度為150℃，吹塑模頭加工溫度控制在175℃，其余吹膜步驟按照本領(lǐng)域常規(guī)方法進(jìn)行即可，該步驟并不是發(fā)明點(diǎn)所在，故不做詳述。
將市售的普通地膜與實(shí)施例1-3中優(yōu)選的高阻隔性生物可降解地膜的表征產(chǎn)品性能的各參數(shù)，比如縱向拉伸強(qiáng)度、橫向拉伸強(qiáng)度、拉伸率、透O2系數(shù)和透濕量，結(jié)果如表1所示。
由表1的結(jié)果可知，與普通地膜，實(shí)施例1-3的高阻隔性生物可降解地膜具有以下突出的效果：
(1)實(shí)施例1-3的高阻隔性生物可降解地膜，其表征產(chǎn)品機(jī)械性能的縱向拉伸強(qiáng)度分別提高了66.33％、67.56％和80.83％，縱向拉伸強(qiáng)度分別提高了81.39％、71.51％和61.84％，拉伸率分別提高了64.34％、56.51％和58.22％，不易破損；
(2)實(shí)施例1-3的高阻隔性生物可降解地膜，其表征產(chǎn)品阻隔性能的透濕量(即水蒸氣阻隔性)分別降低了25.14％、25.62％和26.47％，阻隔性能明顯提高。
表1表征產(chǎn)品性能的各參數(shù)
通過土埋降解實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在土埋第35d時(shí)本發(fā)明高阻隔性生物可降解地膜的失重率達(dá)到50％以上，土埋第60d時(shí)達(dá)到完全降解的效果，具有優(yōu)良的可降解性，克服了現(xiàn)有塑料地膜難于回收，不能完全降解的問題。
本發(fā)明地膜的制備方法中，利用纖維素酶對小麥秸稈纖維進(jìn)行改性，使小麥秸稈的纖維部分降解，增加小麥秸稈纖維的拉伸性能，避免直接使用秸稈纖維帶來的機(jī)械性能較差的缺陷；
同時(shí)，還利用氫氧化鈉、羧甲基纖維素對玉米淀粉進(jìn)行改性，得到玉米交聯(lián)淀粉，增加玉米淀粉的拉伸性能。
為了驗(yàn)證改性后的小麥秸稈纖維以及改性后的淀粉的拉伸可以增加地膜的拉伸性能，我們設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)：
對照組地膜(實(shí)施例1的配方少了小麥秸稈纖維、氫氧化鈉、纖維素酶和羧甲基纖維素)：其原料由以下重量份的組分制成：玉米淀粉30份、聚乙烯醇1份、乙二醛4份、甘油10份、硬脂酸鈣1.5份、去離子水95份，具體按照以下步驟制備：
步驟(1)，分別稱取以下重量份的組分：玉米淀粉30份、聚乙烯醇1份、乙二醛4份、甘油10份、硬脂酸鈣1.5份、去離子水95份；
步驟(2)，將步驟(1)稱取的玉米淀粉、聚乙烯醇、乙二醛和去離子水混合均勻，攪拌20min，得到玉米交聯(lián)淀粉混合液；
步驟(3)，將玉米交聯(lián)淀粉混合液與步驟(1)稱取的甘油、硬脂酸鈣充分混合均勻，得到母料；
步驟(4)，造粒：將制備的母料經(jīng)過造粒機(jī)造粒，得到可降解母粒；
步驟(5)，吹膜：采用吹膜機(jī)，將制備的可降解母粒吹制成高阻隔性生物可降解地膜。
秸稈纖維組地膜(實(shí)施例1的配方少了氫氧化鈉和羧甲基纖維素)：其原料由以下重量份的組分制成：小麥秸稈纖維10份、玉米淀粉30份、聚乙烯醇1份、乙二醛4份、甘油10份、纖維素酶0.8份、硬脂酸鈣1.5份、去離子水95份；所述小麥秸稈纖維是小麥秸稈洗凈、烘干后經(jīng)酸解制備而成，具體按照以下步驟制備：
步驟(1)，制備母料
步驟(1.1)，制備小麥秸稈纖維
將小麥秸稈洗凈，并于40℃條件下烘干，得到干燥秸稈；
將1mol/L鹽酸和5g/L的檸檬酸按照1:1的體積比例混合均勻，得到酸解液；
將干燥秸稈與酸解液按照1kg:5L的比例混合均勻，攪拌20min，過濾，收集濾渣并于40℃條件下烘干，得到小麥秸稈纖維；
步驟(1.2)，分別稱取以下重量份的組分：小麥秸稈纖維10份、玉米淀粉30份、聚乙烯醇1份、乙二醛4份、甘油10份、纖維素酶0.8份、硬脂酸鈣1.5份、去離子水95份；
步驟(1.3)，將步驟1.2稱取的小麥秸稈纖維、纖維素酶和一半質(zhì)量的去離子水混合均勻，攪拌15min，然后100℃條件下熱處理5min，得到小麥纖維混合物；
步驟(1.4)，將步驟1.2稱取的玉米淀粉、聚乙烯醇、乙二醛和另一半質(zhì)量的去離子水混合均勻，攪拌20min，得到玉米交聯(lián)淀粉混合液；
步驟(1.5)，將小麥纖維混合物、玉米交聯(lián)淀粉混合液與步驟1.2稱取的甘油、硬脂酸鈣充分混合均勻，得到母料；
步驟(2)，造粒：將制備的母料經(jīng)過造粒機(jī)造粒，得到可降解母粒；
步驟(3)，吹膜：采用吹膜機(jī)，將制備的可降解母粒吹制成高阻隔性生物可降解地膜。
玉米淀粉組地膜(實(shí)施例1的配方少了小麥秸稈纖維和纖維素酶)：其原料由以下重量份的組分制成：玉米淀粉30份、氫氧化鈉4份、聚乙烯醇1份、羧甲基纖維素2份、乙二醛4份、甘油10份、硬脂酸鈣1.5份、去離子水95份，具體按照以下步驟制備：
步驟(1)，分別稱取以下重量份的組分：玉米淀粉30份、氫氧化鈉4份、聚乙烯醇1份、羧甲基纖維素2份、乙二醛4份、甘油10份、硬脂酸鈣1.5份、去離子水95份；
步驟(2)，將步驟(1)稱取的玉米淀粉、氫氧化鈉、聚乙烯醇、羧甲基纖維素、乙二醛和去離子水混合均勻，攪拌20min，得到玉米交聯(lián)淀粉混合液；
步驟(3)，將玉米交聯(lián)淀粉混合液與步驟(1)稱取的甘油、硬脂酸鈣充分混合均勻，得到母料；
步驟(4)，造粒：將制備的母料經(jīng)過造粒機(jī)造粒，得到可降解母粒；
步驟(5)，吹膜：采用吹膜機(jī)，將制備的可降解母粒吹制成高阻隔性生物可降解地膜。
我們分別測定了對照組地膜、秸稈纖維組地膜和玉米淀粉組地膜的縱向拉伸強(qiáng)度、橫向拉伸強(qiáng)度、拉伸率和透O2系數(shù)，結(jié)果如表2所示，秸稈纖維組地膜和玉米淀粉組地膜的縱向拉伸強(qiáng)度、橫向拉伸強(qiáng)度、拉伸率均有所提高，透O2系數(shù)有所降低，說明利用纖維素酶對小麥秸稈纖維進(jìn)行改性，增加小麥秸稈纖維的拉伸性能，避免直接使用秸稈纖維帶來的機(jī)械性能較差的缺陷；同時(shí)，還利用氫氧化鈉、羧甲基纖維素對玉米淀粉進(jìn)行改性，得到玉米交聯(lián)淀粉，增加玉米淀粉的拉伸性能。利用本發(fā)明的方法對小麥秸稈纖維和玉米淀粉分別進(jìn)行改性后制備而成的地膜機(jī)械性能均有提高。
表2不同實(shí)驗(yàn)組地膜的性能參數(shù)
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。