柑橘皮渣基可完全降解育苗缽的性能測試

潘 浪， 單 楊，， 梁曾恩妮， 付復(fù)華

(1.湖南大學(xué)隆平分院，湖南長沙 410125； 2.湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，湖南長沙 410125)

當(dāng)前制備育苗缽的主要原料是石油基材料(聚乙烯、聚丙烯等)和生物基材料，石油基育苗缽不僅難降解、易產(chǎn)生“白色污染”，且移栽時需將苗、缽分離，可能傷根傷苗，降低幼苗成活率[1]。生物基育苗缽材料來源廣泛，環(huán)境危害小，是未來育苗缽發(fā)展的主要方向。然而現(xiàn)有的生物基育苗缽主要由農(nóng)作物秸稈和紙漿制得，前期處理復(fù)雜，成本較高[2-3]。尋求制備工藝簡單、質(zhì)好價廉的生物基育苗缽已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點。

我國是柑橘產(chǎn)量大國，2015年我國柑橘種植面積2.51×106hm2，柑橘產(chǎn)量3.66×107t，每年柑橘加工至少產(chǎn)生106t皮渣。這些皮渣主要以簡單衛(wèi)生填埋處理，既污染環(huán)境又占用大量土地[4-5]。如何有效處理柑橘皮渣，成為當(dāng)前亟須解決的問題。目前，柑橘皮渣(citrus dregs，簡稱CD)的研究主要集中在有效成分提取和生物轉(zhuǎn)化利用方面[6]，或以CD制取發(fā)泡材料[7-9]，但是對提取有效成分后剩余CD的利用鮮有研究。開發(fā)提取有效成分后剩余CD的高值利用方法，不僅減少CD浪費，而且能夠降低其對環(huán)境的危害，具有現(xiàn)實意義。

聚乳酸(polylactic acid，簡稱PLA)是由植物資源(如甜菜、木薯)提取出的淀粉原料經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)制得，具有良好的生物降解性能和加工性能，是目前最受歡迎的生物降解材料[10]。本研究以提取果膠后的CD和PLA制備育苗缽，不僅節(jié)約處理CD產(chǎn)生的費用，而且利用CD制備了一種綠色環(huán)保的育苗缽。實際應(yīng)用中，育苗缽必須具有一定強(qiáng)度，以滿足運輸和移栽的要求；同時育苗缽要具備一定的耐水能力，以保證育苗期間不會崩解；育苗缽的密度則影響幼苗根系破壁難易程度；此外，育苗缽的吸水性和保水性也將影響幼苗的生長。故抗跌落性、密度、耐水性、吸水性以及保水性在育苗缽的實際應(yīng)用中具有至關(guān)重要的作用，本試驗分別制備不同比例的CD/PLA育苗缽，并對上述性能進(jìn)行檢測，以期為CD/PLA育苗缽的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 試驗材料 提取果膠后的柑橘皮渣(塊狀)由安德利果膠股份有限公司提供。柑橘皮渣粉碎后過40目篩[11]，含水率10%左右[12]。聚乳酸(100目)由光華偉業(yè)實業(yè)有限公司提供。熱壓成型前將柑橘皮渣和聚乳酸充分混合。

1.1.2 主要儀器和設(shè)備 育苗缽熱壓成型機(jī)購自福建保創(chuàng)機(jī)械實業(yè)有限公司，萬能高速粉碎機(jī)購自浙江紅景天工貿(mào)有限公司，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱購自上海精宏實驗設(shè)備有限公司，恒溫水浴鍋購自湖南赫瑞特科學(xué)儀器有限公司，電子天平購自凱豐集團(tuán)有限公司。

本試驗于2017年7—9月在湖南省農(nóng)產(chǎn)品加工研究所實驗室完成。

1.2 試驗方法

1.2.1 CD/PLA育苗缽的制備 將CD在干燥箱中干燥4 h，干燥溫度為80 ℃，PLA在同樣溫度下干燥4 h。準(zhǔn)確稱取CD和PLA的混合物25 g，CD含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別設(shè)置為70%、75%、80%、85%、90%，成型前將CD與PLA充分混勻。將育苗缽熱壓成型機(jī)參數(shù)設(shè)置為上模溫度125 ℃、下模溫度 140 ℃ (上模溫度比下模溫度低15 ℃有利于育苗缽成型后脫模)，初型時間10 s，成型時間50 s，成型壓力1 MPa，該條件下制備的育苗缽?fù)庑瓮暾?，脫模容易。?5 g混料加入模具，在溫度和壓力作用下成型為育苗缽，育苗缽缽口外徑為50 mm，缽底外徑為30 mm，高為30 mm，壁厚為2 mm。育苗缽放置24 h后進(jìn)行性能測試。成型工藝流程如圖1所示。

1.2.2 耐水性能 育苗過程中須對幼苗澆水，故育苗缽要具備一定耐水性。室內(nèi)溫度為(25±2) ℃，將5種不同CD含量的CD/PLA育苗缽浸沒于水中，觀察其是否發(fā)生掉渣和開裂現(xiàn)象。

1.2.3 抗跌落性能 抗跌落性能主要反映育苗缽經(jīng)受跌落作用時的抗破損能力， 與育苗缽搬運要求密切相關(guān)。試驗所用育苗缽無明顯損傷。將同一個育苗缽從1.2 m高處缽底朝下自由下落，跌落表面為混凝土制成的平滑、堅硬的剛性表面，跌落區(qū)內(nèi)地面清潔，重復(fù)此過程，直至缽體破損。記錄其經(jīng)歷的跌落次數(shù)，跌落次數(shù)越多，抗跌落性能越好。

1.2.4 密度 密度是衡量育苗缽性能的重要指標(biāo)之一，與幼苗根系穿破育苗缽難易有關(guān)。從育苗缽缽壁上截取20 mm×10 mm的試樣條，測量試樣條的長、寬、高，計算體積V，稱量質(zhì)量m，密度ρ按公式(1)計算。

ρ=m/V。

(1)

1.2.5 吸水性能 分別研究5種CD/PLA育苗缽在25、50 ℃ 水中的吸水率。育苗缽浸水前質(zhì)量為m0，每隔一定時間稱量育苗缽吸水后的質(zhì)量為mn，吸水率W按公式(2)計算，精確至0.01%。

W=(mn-m0)/m0×100%。

(2)

1.2.6 保水性能 育苗缽分別進(jìn)行室內(nèi)、室外保水試驗，室內(nèi)溫度保持為(25±2)℃，室外最高溫度35 ℃，以失水率為指標(biāo)。將干燥恒質(zhì)量的營養(yǎng)土裝入育苗缽，此時缽與土的質(zhì)量為m1，加水充分濕潤營養(yǎng)土，此時缽、營養(yǎng)土和水的質(zhì)量為m2，然后將其分別放在室內(nèi)和室外，每隔一定時間稱得質(zhì)量為mx，則經(jīng)過不同時間，育苗缽失水率S以公式(3)計算，精確到0.01%。

S=(m2-mx)/(m2-m1)×100%。

(3)

1.3 數(shù)據(jù)處理

每個配方均獨立重復(fù)3次，以其平均值作為測定結(jié)果。采用Excel 2007和Origin 8.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 育苗缽耐水性能

由表1可知，當(dāng)CD含量大于85%時，CD/PLA育苗缽在水中易破裂；CD含量為90%的育苗缽浸水0.5 h后表面有掉渣現(xiàn)象。132 h后，CD含量≤80%的CD/PLA育苗缽?fù)庥^完整，耐水性較好。CD/PLA育苗缽耐水性能隨CD含量增加而減弱，因為CD比重很大時，育苗缽內(nèi)部主要以CD相互黏合，作用力較小。浸水后，CD中親水性的纖維素、半纖維素吸水膨脹，導(dǎo)致CD之間相互分離，產(chǎn)生裂縫，而育苗缽?fù)獠康腃D從缽體上脫離。

表1 育苗缽浸水變化情況

2.2 育苗缽抗跌落性能

由圖2可知，5種配方CD/PLA育苗缽均可承受從1.2 m高處重復(fù)跌落10次。隨CD含量增大，使育苗缽破損所需重復(fù)跌落次數(shù)減少，育苗缽抗跌落性能減弱。這可能是由于當(dāng)育苗缽中CD含量增大時，PLA在CD之間分布減少，熱壓時主要是CD受壓后向四周延展，與相鄰粒子相互嚙合成型[13]，故強(qiáng)度較低；而PLA具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，當(dāng)CD含量降低時，CD周圍分布的PLA增多，增加了PLA和CD的接觸面積，PLA大分子鏈段和CD在高溫下充分相互作用，柔軟的PLA分子能嵌入到柑橘皮渣的孔隙中，同時PLA分子之間相互黏結(jié)，從而有效提高了育苗缽的強(qiáng)度[14]。

2.3 CD/PLA育苗缽密度

由圖3可知，育苗缽的密度隨CD含量增大而增大。CD含量為70%的CD/PLA育苗缽密度為1.13 g/cm3；CD含量為90%的育苗缽密度為1.38 g/cm3，這可能是由于PLA具有非極性和疏水性，而CD具有極性和吸水性，兩者性質(zhì)不同導(dǎo)致的。當(dāng)PLA加入到CD后，兩相并沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沒有任何交聯(lián)的現(xiàn)象，因此會加大CD和PLA之間的孔隙，當(dāng)PLA含量增多時，影響更為明顯[14]。

2.4 CD/PLA育苗缽吸水性能

由圖4可知，在25 ℃水中，不同配方的CD/PLA育苗缽吸水率變化趨勢基本一致，前0.5 h育苗缽吸水速率最快，4 h后吸水速率放緩。CD含量為90%的育苗缽耐水性較差，其 1 h 吸水率為49.7%，在水中浸泡2 h后缽壁出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。浸泡10 h后，CD含量為70%、75%、80%、85%的CD/PLA育苗缽吸水率分別為43.78%、54.83%、71.2%、104.16%。CD含量為85%的育苗缽吸水率是CD含量為70%育苗缽的240%。

由圖5可知，在50 ℃水中，育苗缽在前0.5 h吸水速率最快，2 h后吸水速率放緩。0.5 h后，CD含量為90%的育苗缽在50 ℃水中已經(jīng)失去強(qiáng)度，其0.5 h吸水率為233%；浸泡10 h后，CD含量為70%、75%、80%和85%的育苗缽吸水率分別為 172.59%、205.89%、262.93%、315.36%，CD含量為85%的育苗缽吸水率是CD含量為70%育苗缽的182.72%。

綜上所述，在25、50 ℃水中浸泡時，CD含量越高，則CD/PLA育苗缽吸水速率越快，吸水率越高。這是由于柑橘皮渣中含有50%～60%的纖維素和半纖維素吸水導(dǎo)致的[15]，因為纖維素和半纖維素含有大量親水性羥基，吸水性較強(qiáng)。

與25 ℃水中育苗缽吸水情況相比，50 ℃時育苗缽吸水速率和吸水率更大?？梢姕囟仍礁撸缋徫俾试娇?，吸水率越大，這可能是溫度影響毛細(xì)作用，即溫度越高，毛細(xì)作用越明顯[16]。而且溫度升高，CD/PLA育苗缽開始水解，裸露的纖維增多，PLA的大分子骨架結(jié)構(gòu)斷裂成小分子鏈段，導(dǎo)致PLA難以覆蓋CD，滲入CD和PLA界面的水增多[17]。

2.5 保水性

由圖6可知，5種CD/PLA育苗缽的室內(nèi)失水速率相差較小。27 h后，5種育苗缽失水率約為30%。由圖7可知，5種育苗缽室外失水率變化趨勢一致，前10 h失水速率比較快，然后失水速率降低，基本不變，21 h后失水速率又加快。室外失水率最大的是CD含量為70%的CD/PLA育苗缽，可能是因為其CD含量少，所以保水性能差。

27 h后，室內(nèi)失水率大于室外失水率，是因為前10 h為12：00—22：00，室外溫度高于室內(nèi)，所以育苗缽室外失水率大于室內(nèi)。晚上，室外溫度低，育苗缽失水率基本不變，而室內(nèi)仍保持相同速率失水。通過保水試驗表明，CD/PLA可完全降解育苗缽與秸稈制備的育苗缽保水性能[18]基本相同。

3 結(jié)論與討論

本試驗以提取果膠后的CD和PLA制備了一種可完全降解的育苗缽，5種配方CD/PLA育苗缽均可承受1.2 m高處重復(fù)跌落10次，滿足使用強(qiáng)度要求；當(dāng)CD/PLA育苗缽中CD含量大于85%時，育苗缽耐水性較差，容易吸水破裂；5種CD/PLA育苗缽在25 ℃水中浸泡10 h的吸水率為43%～104%，隨CD質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大；室內(nèi)失水率差異不明顯，室外失水率隨CD質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小而增大。綜合考慮CD/PLA育苗缽的性能和成本，以80% CD和20% PLA制備的育苗缽較為合適，可在常溫下浸泡132 h保持結(jié)構(gòu)完整，從 1.2 m 高處重復(fù)跌落20次不破損，在25 ℃水中吸水率為 71.29%，大于低聚木糖生產(chǎn)廢渣基可降解育苗缽和玉米芯基育苗缽[3]。

以CD/PLA熱壓成型制備育苗缽，原料無需改性，且成型工藝簡單，提高了CD的綜合利用水平。此外，CD/PLA育苗缽能完全降解，移栽時可缽、苗一體移栽，不但提高工作效率，而且CD降解后可提高土壤肥力。然而PLA價格較高，導(dǎo)致CD/PLA育苗缽成本增加，不利于推廣。后續(xù)將圍繞降低CD/PLA育苗缽生產(chǎn)成本、育苗效果以及降解性能進(jìn)行研究，以期CD/PLA可完全降解育苗缽能代替或部分代替塑料育苗缽，緩解由塑料育苗缽和柑橘皮渣填埋造成的環(huán)境污染。

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