可降解聚乳酸膜的研究開(kāi)發(fā)

王中珍，丁 帥，楊 琳

(1.山東省紡織科學(xué)研究院, 山東 青島 266032 ；2.山東省特種紡織品加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266032)

可降解聚乳酸膜的研究開(kāi)發(fā)

王中珍1，2，丁 帥1，2，楊 琳1，2

(1.山東省紡織科學(xué)研究院, 山東 青島 266032 ；2.山東省特種紡織品加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266032)

文章介紹了聚乳酸可降解膜的原料性能，闡述了其生產(chǎn)工藝流程，并對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)分析檢測(cè)結(jié)果及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，證明聚乳酸膜可達(dá)到與普通地膜同等的功效，并且能夠保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

聚乳酸；地膜；可降解

1 前言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)用地膜的使用，有效地控制了土壤的溫度和濕度，減少了水分和營(yíng)養(yǎng)物的流失，促進(jìn)了農(nóng)作物的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，從而增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。但與此同時(shí)，由于地膜的一次性使用，每年都會(huì)有大量的殘膜留在土壤里。塑料地膜多為分子量數(shù)萬(wàn)至數(shù)十萬(wàn)的聚乙烯，它們?cè)谧匀唤缰泻茈y降解。這些地膜碎片可在土壤中形成陰隔層，使土壤中的水、氣、肥等流動(dòng)受阻，造成土壤結(jié)構(gòu)板結(jié)，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境，造成白色污染。而我國(guó)農(nóng)業(yè)用地逐年減少，解決殘膜污染土壤問(wèn)題已成為地膜覆蓋栽培技術(shù)的當(dāng)務(wù)之急?？山到庑偷啬さ拈_(kāi)發(fā)利用關(guān)系到人類在地球上是否能安全、舒適地生存。因此開(kāi)發(fā)環(huán)保化、生態(tài)化的農(nóng)用地膜材料是當(dāng)務(wù)之急，農(nóng)用非織造布的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用機(jī)遇巨大。

非織造材料具有形狀保持性好、透光、透氣、減濕、保溫、易降解等特點(diǎn)，符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，被廣泛應(yīng)用于溫室覆蓋、水稻育苗和水果保鮮等方面。目前，農(nóng)用非織造布已在我國(guó)多種農(nóng)作物生產(chǎn)上應(yīng)用推廣，是當(dāng)今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的重要組成部分。我們開(kāi)發(fā)的聚乳酸膜產(chǎn)品，可滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)?；⑸鷳B(tài)化的需求。

2 原料簡(jiǎn)介

聚乳酸(PLA)，也稱為丙交酯，是一種可生物降解的新型高分子材料，是以木薯、玉米、小麥等淀粉作為原料，經(jīng)過(guò)酶分解和乳酸菌發(fā)酵變成乳酸，最后經(jīng)過(guò)化學(xué)合成的熱塑性降解塑料。聚乳酸原料來(lái)源充分而且可以再生，生產(chǎn)過(guò)程無(wú)污染，而且產(chǎn)品可以生物降解，實(shí)現(xiàn)在自然界中的循環(huán)，因此是理想的綠色高分子材料。由聚乳酸制成的產(chǎn)品除能生物降解外，生物相容性、光澤度、透明性、手感和耐熱性好，還具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外線性能。它是以可再生的生物資源而非石油資源為原料的生物基高分子，擺脫了人類對(duì)石油資源的過(guò)分依賴。

PLA具有良好的生物降解性能和生物相容性能。但純PLA存在硬而脆，熱變形溫度較低，撕裂強(qiáng)度過(guò)低、耐沖擊強(qiáng)度偏低的缺點(diǎn)，難以單獨(dú)加工和使用，需進(jìn)行改性處理。PBAT(聚己二酸/對(duì)苯二甲酸丁二酯)是己二酸丁二醇酯和對(duì)苯二甲酸丁二醇酯的共聚物，屬于熱塑性生物降解塑料，既有較好的延展性和斷裂伸長(zhǎng)率，也有較好的耐熱性和抗沖擊性能；此外，還具有優(yōu)良的生物降解性，是目前生物降解塑料研究中非?；钴S和市場(chǎng)應(yīng)用最好的降解材料之一。該項(xiàng)目采用PLA與PBAT共混改性樹(shù)脂，生產(chǎn)出兼具加工性、韌性、強(qiáng)度、高性價(jià)比的可生物降解膜。PLA與PBAT共混改型樹(shù)脂性能見(jiàn)表1。

表1 PLA/PBAT共混改性樹(shù)脂性能

3 產(chǎn)品規(guī)格及特點(diǎn)

該產(chǎn)品單位面積質(zhì)量為17g/m2；厚度：0.02mm；幅寬：1100mm。

該產(chǎn)品在有氧及微生物存在的條件下，3～6個(gè)月可以接近百分之百的生物降解；進(jìn)入生物體內(nèi)可以降解成乳酸，通過(guò)代謝，排出體外，具有很好的生物相容性。材料透明性及表面光澤度較好，機(jī)械強(qiáng)度較高，收縮性較低。

4 工藝流程

其生產(chǎn)工藝流程如圖1所示：

圖1 PLA改性樹(shù)脂直接成網(wǎng)工藝流程

5 生產(chǎn)工藝

將PLA與PBAT共混樹(shù)脂于85℃溫度下烘干4小時(shí)，投入加料機(jī)吹膜。擠出設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速30 rpm，熔體溫度為165℃，吹脹比3.5。薄膜規(guī)格為寬度1100mm，單位面積質(zhì)量17g/m2，厚度0.02mm。

6 性能測(cè)試及結(jié)果分析

6.1 測(cè)試方案

山東省紡織產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心對(duì)復(fù)合植生材料的物理性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第3部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定》、GB/T 13763—2010《土工合成材料 梯形法撕破強(qiáng)力的測(cè)定》、GB/T 14800—2010《土工合成材料 靜態(tài)頂破試驗(yàn)(CBR法)》、GB/T 21655.1—2008《紡織品 吸濕速干性的評(píng)定 第1部分：?jiǎn)雾?xiàng)組合試驗(yàn)法》、GB/T 24218.1—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第1部分：?jiǎn)挝幻娣e質(zhì)量的測(cè)定》、GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第2部分：厚度的測(cè)定》、GB/T 19979.1—2005《土木合成材料 防滲性能 第1部分: 耐靜水壓的測(cè)定》。青島科標(biāo)化工分析檢測(cè)有限公司依據(jù)PyGCMS裂解氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀、DSC差示掃描量熱分析儀進(jìn)行聚乳酸膜主成分定性分析。

6.2 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)青島科標(biāo)化工分析檢測(cè)有限公司檢測(cè)，產(chǎn)品主成分分析為聚乳酸。

為比較聚乳酸共混膜與普通塑料地膜的性能，將相近單位面積質(zhì)量的聚乳酸共混膜與普通塑料地膜的性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

6.3 產(chǎn)品性能分析

由表2中測(cè)試數(shù)據(jù)可見(jiàn)，相近單位面積質(zhì)量的聚乳酸膜較普通塑料地膜厚度更薄，斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率、撕破強(qiáng)力、頂破強(qiáng)力低，因此出苗后，聚乳酸膜容易破裂。聚乳酸膜不透濕，因此可以保水保墑，對(duì)植物生長(zhǎng)有積極的影響。聚乳酸膜既可自然降解也可堆肥降解，利用自然微生物三個(gè)月左右可100%進(jìn)行分解，最后轉(zhuǎn)化成水與二氧化碳，無(wú)環(huán)境污染現(xiàn)象，可幫助提高土壤質(zhì)量，減少耕地?fù)p失[1]。

6.4 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

為更好地比較材料的應(yīng)用效果，應(yīng)用聚乳酸膜進(jìn)行土壤試驗(yàn)，測(cè)試對(duì)比材料的保水性及保溫性。具體試驗(yàn)過(guò)程如下：

6.4.1 保水性能分析

表2 聚乳酸共混膜與普通塑料地膜的物理性能測(cè)試指標(biāo)

覆蓋聚乳酸膜與未覆蓋的土壤含水情況如表3所示。

表3 對(duì)土壤保濕性的影響

注：土壤基礎(chǔ)含水率26.5%。

由表3可知，聚乳酸膜覆蓋土壤后，能有效減少水分蒸發(fā)量，起到保水保墑作用。

6.4.2 保溫性能分析

覆蓋聚乳酸膜與未覆蓋的保溫效果測(cè)試進(jìn)行了三次，分別在9月3日和9月18日為晴天，9月23日為雨轉(zhuǎn)陰的天氣，測(cè)試覆蓋土壤后地表的溫度。測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 對(duì)土壤的保溫效果的測(cè)試

從表4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，覆蓋聚乳酸膜后的增溫效果非常明顯。從天氣情況來(lái)看，晴天的增溫效果要好于陰天，13時(shí)的增溫效果要好于早晨和傍晚，即溫度越高，覆蓋材料的增溫效果越好。9月3日13時(shí)的溫度達(dá)到25.7℃，是所測(cè)這三天中溫度最高的時(shí)刻，聚乳酸膜的增溫更是達(dá)到6.4℃，比其它時(shí)刻增溫的幅度都大，9月23日這一天，由于下雨的原因，土壤濕度變大，溫度相應(yīng)降低，地膜的升溫效果隨著溫度的降低而變差，這是由于陰天太陽(yáng)輻射減弱，轉(zhuǎn)化為熱能的光能較少，因而陰天的增溫幅度小于晴天。

7 結(jié)語(yǔ)

地膜技術(shù)的引進(jìn)促進(jìn)了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，然而隨之帶來(lái)的白色污染又破壞了人們的生存環(huán)境。在白色污染日漸嚴(yán)重的今天，解決白色污染勢(shì)在必行，可降解材料已成為人們研究的重點(diǎn)。以自然降解的聚乳酸為原料，將天然纖維的優(yōu)良性能和非織造加工技術(shù)相結(jié)合，制造出可自然降解的環(huán)保農(nóng)業(yè)地膜材料，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明可達(dá)到與普通地膜有同等的功效，并且能夠保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

[1] 王中珍，周鐳，丁帥，等.非織造布復(fù)合植生材料的研究與應(yīng)用分析[J].山東紡織科技，2016，57(2)：4—7.

Research and Development of Biodegradable Polylactic Acid Membrane

WangZhongzhen1,2,DingShuai1,2,YangLin1,2

(1.Shandong Textile Science & Research Institute ,Qingdao 266032；2.Shandong ProvinceKey Laboratory of Special Textile Process Technology ,Qingdao 266032)

The material property of polylactic acid membrane was introduced. The production process was expounded, and the product performance was detected. Through experiment and analysis of test results and application, it proved that polylactic acid membrane could achieve effect equal to those of ordinary film, and had the ability to protect the ecological environment and promote sustainable development.

polylactic acid; membrane; biodegradable

2016-05-27

山東省2013年度農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目

王中珍(1970—)，女，湖北武漢人，高級(jí)工程師。

TS174.8+2

B

1009-3028(2006)03-0020-03