生物基可降解營養(yǎng)缽水分變化規(guī)律

蔣希芝+趙永富+曲萍

摘要：選取紙質(zhì)、淀粉基、不腐熟秸稈基、腐熟秸稈基4種生物基可降解營養(yǎng)缽，對其進行水分含量變化規(guī)律的研究，通過將營養(yǎng)缽分別浸沒于純水和3.5%氯化鈉溶液中，設置溫度分別為常溫25 ℃、低溫0 ℃、高溫50 ℃，對比研究不同溶液和不同溫度對生物基可降解營養(yǎng)缽吸水性能的影響。結果表明，相同溶液中，溫度越高，營養(yǎng)缽的吸水率越高，水分含量變化越快，吸水性越好；紙質(zhì)營養(yǎng)缽吸水性最好，在3.5%氯化鈉溶液中的吸水率分別為25 ℃時484%、0 ℃ 時415%、50 ℃時489%，始終大于純水中25 ℃時470%、0 ℃時410%、50 ℃時472%的吸水率；其他營養(yǎng)缽在35%氯化鈉溶液中的吸水率均低于或等于純水中的吸水率，秸稈基營養(yǎng)缽吸水率在40%～60%之間，淀粉基營養(yǎng)缽吸水率為20%左右。通過水分含量變化規(guī)律的研究，為育苗選取水分含量相適應的營養(yǎng)缽提供依據(jù)。

關鍵詞：生物基；可降解；營養(yǎng)缽；水分變化；吸水率

中圖分類號： X712文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）07-0281-03

目前所使用的營養(yǎng)缽大多為塑料制作，雖然成本較低，但透氣透水性差，且大量塑料廢棄物對人類賴以生存的自然環(huán)境造成了嚴重影響，使用后不易回收利用，也不能被環(huán)境降解，殘留物污染土壤。同時，塑料營養(yǎng)缽脫膜移栽，不僅會增加勞動力，而且易傷害根系，影響存活率。有必要研制生物質(zhì)可降解營養(yǎng)缽，既起到育苗保溫、保墑、保肥作用，又具有優(yōu)良的生物降解性、融水性、透氣性等[1-2]。利用紙、農(nóng)作物秸稈、淀粉等制備生物基可降解營養(yǎng)缽，是解決廢棄塑料問題的新方法，將大大減少塑料營養(yǎng)缽造成的“白色污染”[3]。

近年來，國內(nèi)外有關可降解營養(yǎng)缽的研究取得一定的成效，研究方向大多集中在營養(yǎng)缽膠黏劑改性[4]、營養(yǎng)缽成型質(zhì)量及工藝優(yōu)化[5]、營養(yǎng)缽強度及可降解性能研究[6-8]、營養(yǎng)缽育苗性能研究[9]等方面，但對營養(yǎng)缽水分含量變化規(guī)律鮮有研究。本研究選取紙質(zhì)營養(yǎng)缽、淀粉基營養(yǎng)缽、秸稈不腐熟營養(yǎng)缽、秸稈腐熟營養(yǎng)缽4種生物基可降解營養(yǎng)缽，通過吸水性試驗，分析不同材質(zhì)、不同原料處理方法對營養(yǎng)缽水分含量變化規(guī)律的影響，為不同作物選取水分含量相適應的營養(yǎng)缽提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗材料

（1）紙質(zhì)營養(yǎng)缽。紙杯大小，為全紙漿吸塑法制備，上口直徑為8.0 cm、下口直徑為5.5 cm、高度為7.5 cm、壁厚為 1.08 mm。（2）淀粉基營養(yǎng)缽。紙杯大小為40%淀粉與PCL混合注塑制備，上口直徑為7.0 cm、下口直徑為5.0 cm、高度為8.0 cm、壁厚為1.12 mm。（3）秸稈不腐熟營養(yǎng)缽。正方形缽口和缽底，由秸稈和膠黏劑混合熱壓制備，上口邊長為6.0 cm、下口邊長為4.5 cm、高度為8.0 cm、壁厚為1.16 mm。（4）秸稈腐熟營養(yǎng)缽。正方形缽口和缽底，由腐熟秸稈和膠黏劑混合熱壓制備，上口邊長為6.0 cm、下口邊長為4.5 cm、高度為 8.0 cm、壁厚為1.26 mm。

1.2試驗方法

1.2.1含水率測定選取不同材質(zhì)的營養(yǎng)缽，測定其干燥前與干燥后質(zhì)量之比。干燥前稱量試樣質(zhì)量M0，然后將試樣置于干燥箱中，保持溫度105 ℃，直至試樣質(zhì)量恒定，取出試樣放入干燥器內(nèi)冷卻，冷卻后稱量試樣質(zhì)量M1，試樣含水率H按公式（1）計算，精確至0.1%。

1.2.2吸水率測定測定試樣分別浸入水中和3.5%氯化鈉溶液中48 h內(nèi)前后質(zhì)量差與試樣浸泡前質(zhì)量之比。

1.2.2.1水中吸水率測定稱量試樣浸水前質(zhì)量W0，將3個試樣垂直浸沒于溫度分別為低溫0 ℃、常溫25 ℃、高溫 50 ℃ 的水中，每隔一定時間測量試樣的吸水質(zhì)量，試樣在不同時間點的吸水率W按公式（2）計算，精確至0.001%。

式中：W0為干燥后初始質(zhì)量；W1為每個時間間隔測量的最終質(zhì)量。

1.2.2.2氯化鈉溶液中吸水率測定稱量試樣浸水前質(zhì)量W0，將3個試樣垂直浸沒于溫度分別為低溫0 ℃、常溫 25 ℃、高溫50 ℃的3.5%氯化鈉溶液中，每隔一定時間測量試樣的吸水質(zhì)量，試樣在不同時間點的吸水率W按公式（3）計算，精確至0.001%。

式中：W0為干燥后初始質(zhì)量；W1為每個時間間隔測量的最終質(zhì)量。

2結果與分析

2.1生物基可降解營養(yǎng)缽純水中的吸水特性

2.1.125 ℃常溫純水中吸水特性生物基可降解營養(yǎng)缽在25 ℃常溫純水中的吸水率見圖1-a。紙質(zhì)營養(yǎng)缽在最初的10 min內(nèi)吸水速率為1.714 g/min，吸水率高達340%，吸水迅速，之后變化緩慢，最終吸水速率為0.001 g/min，吸水率為470%。隨著浸沒時間的延長，吸水率增加，吸水速率降低，最終吸水接近飽和狀態(tài)。不腐熟秸稈、腐熟秸稈2種營養(yǎng)缽的吸水率的變化趨勢基本一致，但前者始終大于后者，最終吸水率分別為48%、40%，吸水趨于飽和。淀粉營養(yǎng)缽吸水率始終很小，2 h內(nèi)基本保持穩(wěn)定，最終的吸水率僅為16%。

2.1.20 ℃低溫純水中吸水特性生物基可降解營養(yǎng)缽在 0 ℃ 低溫純水中的吸水率見圖1-b。紙質(zhì)營養(yǎng)缽在最初的10 min內(nèi)吸水速率為1.631 g/min，吸水率達315%，然后變化緩慢，最終吸水速率僅為0.03 mg/min，吸水率為410%，吸水完全飽和。與25 ℃常溫相比，溫度越低，紙質(zhì)營養(yǎng)缽吸水率越小，下降越平穩(wěn)。隨著浸沒時間的延長，吸水率增加，最終吸水接近飽和狀態(tài)。不腐熟秸稈、腐熟秸稈2種營養(yǎng)缽的吸水率的變化趨勢基本一致，但前者始終大于后者，最終吸水率分別為46%、36%，0 ℃時1 h內(nèi)秸稈營養(yǎng)缽吸水率較大，1 h后在低溫的作用下，0 ℃秸稈營養(yǎng)缽吸水率小于常溫時的吸水率。淀粉營養(yǎng)缽吸水率始終很小，2 h內(nèi)吸水率變化小于1%，最終的吸水率僅為10%。結果表明，溫度降低，生物基可降解營養(yǎng)缽最終的吸水率隨之降低，且吸水率變化緩慢。

2.1.350 ℃高溫純水中吸水特性生物基可降解營養(yǎng)缽在50 ℃高溫純水中的吸水率見圖1-c。紙質(zhì)營養(yǎng)缽在最初的10 min內(nèi)吸水速率最大，為2.098 g/min，吸水率達360%，最終吸水速率為0.001 g/min，吸水率為472%。與25 ℃常溫相比，溫度越高，紙質(zhì)營養(yǎng)缽吸水率越大，變化越迅速。不腐熟秸稈、腐熟秸稈2種營養(yǎng)缽吸水率的變化趨勢基本一致，但24 h內(nèi)前者吸水速率大于后者，24 h后前者吸水速率小于后者，最終吸水率分別為57%、62%。與25 ℃常溫相比，高溫50 ℃秸稈營養(yǎng)缽的吸水速率始終大于25 ℃時的吸水速率。隨著溫度的升高，淀粉營養(yǎng)缽的吸水率也有所增大，最終吸水率增加為20%。結果表明，溫度升高，生物基可降解營養(yǎng)缽的吸水率隨之增大，吸水率增加迅速。

綜上所述，紙質(zhì)營養(yǎng)缽吸水性能最好，因為紙的滲透毛細作用，由于存在表面張力，水就會滲入大量的毛細孔內(nèi)。紙主要成分為木質(zhì)素，存在大量的親水性羥基，增強了紙質(zhì)營養(yǎng)缽的吸水性。秸稈纖維本身具備較多的親水性羥基，由于制備過程添加了大豆分離蛋白改性脲醛樹脂作為膠黏劑，其羥甲基脲、羧基、氨基及疏水性基團與秸稈纖維素、半纖維素的羥基進行醚化反應，減少秸稈纖維親水性羥基基團，營養(yǎng)缽吸水性降低，耐水性提高[10]。腐熟的秸稈纖維素和半纖維素均呈現(xiàn)出不同程度的降解[11]，腐熟秸稈的親水性羥基少于不腐熟秸稈，因此，腐熟秸稈營養(yǎng)缽的吸水性小于不腐熟秸稈營養(yǎng)缽，耐水性能更好。淀粉本身是親水性天然高分子，但此淀粉基營養(yǎng)缽的淀粉含量較少，且改性后親水性羥基減少，而混合物PCL的水溶性很差，因此，淀粉基營養(yǎng)缽的吸水性較差，耐水性好。溫度對生物基營養(yǎng)缽吸水性影響較大。溫度越高，吸水率越大，吸水性能越好；溫度越低，吸水率越小，耐水性能越好。這可能是因為溫度影響毛細作用，即溫度越高，毛細作用越明顯。

2.2生物基可降解營養(yǎng)缽3.5%氯化鈉溶液中吸水特性

2.2.125 ℃常溫3.5%氯化鈉溶液中吸水特性生物基可降解營養(yǎng)缽在25 ℃常溫3.5%氯化鈉溶液中的吸水率見圖 1-d。紙質(zhì)營養(yǎng)缽在最初的10 min內(nèi)吸水率達346%，吸水迅速，最終吸水率為484%，始終大于25 ℃純水中的吸水率。不腐熟秸稈、腐熟秸稈2種營養(yǎng)缽吸水率的變化趨勢基本一致，但前者始終大于后者，最終吸水率分別為46%、36%，均小于25 ℃純水中的吸水率。淀粉營養(yǎng)缽最終吸水率為12%，小于25 ℃純水中的吸水率。

2.2.20 ℃低溫3.5%氯化鈉溶液中吸水特性生物基可降解營養(yǎng)缽在0 ℃低溫3.5%氯化鈉溶液中的吸水率見圖1-e。紙質(zhì)營養(yǎng)缽在最初的10 min內(nèi)吸水率達315%，與0 ℃純水中的吸水率一致，最終吸水率為415%，較0 ℃純水中的吸水率410%略有增加。與25 ℃常溫3.5%氯化鈉溶液相比，溫度越低，紙質(zhì)營養(yǎng)缽吸水率越小，變化越平穩(wěn)。不腐熟秸稈、腐熟秸稈2種營養(yǎng)缽吸水率變化趨勢基本一致，但前者仍始終大于后者，最終吸水率分別為47%、37%，與0 ℃純水中的吸水率基本保持一致，上下浮動僅1%。淀粉營養(yǎng)缽最終吸水率為11%，與0 ℃純水中的吸水率上下浮動1%。結果表明，浸沒于3.5%氯化鈉溶液中，紙質(zhì)營養(yǎng)缽吸水率受低溫影響大，溫度降低，吸水率減小，其他生物基營養(yǎng)缽吸水率與常溫相比，變化很小。0 ℃低溫時，營養(yǎng)缽在3.5%氯化鈉溶液中的吸水率與純水中亦很接近。

2.2.350 ℃高溫3.5%氯化鈉溶液中吸水特性生物基可降解營養(yǎng)缽在50 ℃高溫3.5%氯化鈉溶液中的吸水率見圖1-f。紙質(zhì)營養(yǎng)缽在最初的10 min內(nèi)吸水率達360%，最終吸水率為489%。與常溫25 ℃相比，溫度越高，紙質(zhì)營養(yǎng)缽吸水率越大，變化越迅速。不腐熟秸稈、腐熟秸稈2種營養(yǎng)缽吸水率的變化趨勢基本一致，但24 h內(nèi)前者吸水速率大于后者，24 h后前者吸水速率小于后者，最終吸水率分別為49%、59%，與50 ℃高溫純水吸水率變化一致，但均小于純水的吸水率。與25 ℃常溫氯化鈉溶液相比，50 ℃高溫秸稈營養(yǎng)缽的吸水速率始終大于25 ℃時的吸水速率。隨著溫度的升高，淀粉營養(yǎng)缽的吸水率也有所增大，最終吸水率增加為19%，小于50 ℃純水吸水率。

綜上所述，紙質(zhì)營養(yǎng)缽在3.5% NaCl溶液中的吸水率隨溫度的降低而減小，但均始終大于純水中的吸水率，因為氯化鈉溶液中水和NaCl的滲透作用同時存在，吸水的同時也吸收了部分NaCl，增加了吸收效果。25 ℃常溫時，秸稈營養(yǎng)缽和淀粉營養(yǎng)缽在3.5% NaCl溶液中吸水率小于25 ℃純水中的吸水率，因為在NaCl溶液中毛細作用效果被削弱，增加了親水基團的親水阻力，因此吸水率減小。秸稈營養(yǎng)缽和淀粉營養(yǎng)缽在3.5% NaCl溶液中表現(xiàn)為：（1）低溫0 ℃與常溫25 ℃吸水率與接近，表明低溫對NaCl溶液中的吸水率影響較小，低溫時水的滲透作用有所降低，但低溫使得NaCl溶解度降低，促使水的滲透作用增加，二者共同作用，吸水率就基本保持不變；（2）50 ℃高溫的吸水率均大于25 ℃常溫，表明溫度增加，吸水率增大；但均小于50 ℃純水吸水率，因為溫度升高，雖然吸水作用越好，但是NaCl溶解度增大，增加了親水阻力，從而減小了吸水率。

3結論

生物基可降解營養(yǎng)缽保溫、保墑、保肥效果突出，水分含量變化各有規(guī)律。相同溶液中溫度越高，營養(yǎng)缽的吸水率越高，水分含量變化越快，吸水性越好；紙質(zhì)營養(yǎng)缽的吸水性最好，在 3.5% 氯化鈉溶液中的吸水率分別為：25 ℃時484%、0 ℃ 時415%、50 ℃時489%，始終大于純水中25 ℃時470%、0 ℃時410%、50 ℃時472%的吸水率；其他營養(yǎng)缽在3.5%氯化鈉溶液中的吸水率均低于或等于純水中的吸水率，秸稈基營養(yǎng)缽吸水率在40%～60%，淀粉基營養(yǎng)缽吸水率為20%左右。在生產(chǎn)應用中育苗水分需充足的作物可選取紙質(zhì)營養(yǎng)缽，一般作物可選取秸稈基營養(yǎng)缽，水分需要較少的可選取淀粉基營養(yǎng)缽，按需選擇合適的育苗營養(yǎng)缽。

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