不同土壤中生物降解薄膜的降解效果研究

郭蕊

以聚乳酸（PLA），聚對(duì)苯二甲酸-己二酸-丁二醇酯（PBAT）為基材，通過(guò)共混、吹膜、印刷等工藝制備可商品化使用的PLA/PBAT全生物降解薄膜，研究了自制全生物降解薄膜與多種商用可降解、不可降解薄膜的力學(xué)性能，以及在黏土、栽培土等不同土壤中的生物降解性能。結(jié)果表明：PLA/PBAT薄膜在土壤中的生物降解程度更高，降解效果十分明顯，薄膜在掩埋6個(gè)月后完全崩解破碎。而且與自然環(huán)境黏土相比，全生物降解薄膜在花卉栽培土壤中降解效果更好。本研究為生物降解薄膜的商業(yè)使用和處理提供了指導(dǎo)。

前言

塑料污染是當(dāng)今世界面臨的一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，研究者們認(rèn)為，使用可生物降解塑料是解決塑料污染的可行方案之一。聚乳酸（PLA）和聚己二酸/對(duì)苯二甲酸丁二酯（PBAT）是目前應(yīng)用最為廣泛的可生物降解材料，在微生物環(huán)境中可以被完全水解為CO2和H2O。有研究表明，在自然環(huán)境中，可生物降解材料的降解可大致分為兩個(gè)過(guò)程：簡(jiǎn)單水解和酶催化降解。簡(jiǎn)單水解是水分子攻擊聚酯分子中的酯鍵，使其分解為羧酸和醇的反應(yīng)，主要受水解環(huán)境的溫度、濕度、酸度以及聚合物本身的性質(zhì)等因素影響;而聚酯的酶催化降解是指聚酯分子先水解為低聚物，然后相關(guān)微生物進(jìn)入其組織物內(nèi)，在微生物產(chǎn)生的特定酶的作用下，被分解為二氧化碳和水，此過(guò)程與天然聚合物的降解不同，屬于間接方式降解。Rudnik和Briassoulis比較了生物降解材料在堆肥環(huán)境下和自然環(huán)境下的降解效果，結(jié)果表明，生物降解材料在堆肥環(huán)境和自然環(huán)境下都可以被有效降解。

本文選取了兩種不同的土壤，比較它們對(duì)生物降解薄膜材料降解效果的影響，為開發(fā)適應(yīng)不同貨架期的全降解包裝材料提供參考和指導(dǎo)，進(jìn)一步促進(jìn)環(huán)保包裝材料的推廣使用。

實(shí)驗(yàn)部分

1.試劑與儀器

聚乙烯（PE），牌號(hào)7042、2426K，購(gòu)自蘇州強(qiáng)輝塑化有限公司;PLA/PBAT降解母料，牌號(hào)FP-0325，購(gòu)自吉林森瑞達(dá)高新科技有限公司。三層共擠吹膜機(jī)，F(xiàn)M3-1700型，由佛山市順德區(qū)雄球塑料機(jī)械有限公司生產(chǎn)。熱切制袋機(jī)，RFQ型，由瑞安市瑞機(jī)包裝機(jī)械廠生產(chǎn)。微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，E43.104型，由美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司生產(chǎn)。

2.薄膜制備過(guò)程

稱取4kg PLA/PBAT降解母料于真空干燥箱中60℃下干燥12小時(shí)，然后冷卻至室溫。冷卻后的PLA/PBAT降解母料放置于吹膜機(jī)螺桿進(jìn)料斗中制備三層生物降解薄膜。吹膜機(jī)螺桿溫度控制在135℃～155℃。通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿牽引速率，調(diào)節(jié)PLA/PBAT降解母料的進(jìn)料速率，從而確定最佳的螺桿牽引速率，牽引速率控制在10～14m/min。吹膜實(shí)驗(yàn)前后需稱取2kg PE塑料用來(lái)清洗吹膜機(jī)。

3.測(cè)試與表征

①力學(xué)性能測(cè)試：按照GB/T 1040.3-2006測(cè)試，首先將薄膜制備成啞鈴形標(biāo)準(zhǔn)樣條，然后分別在3個(gè)不同部位測(cè)試薄膜厚度，取平均值。設(shè)定拉伸標(biāo)距為50mm，拉伸速率為20mm/min，每種薄膜分橫向與縱向各取6個(gè)平行樣進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)測(cè)試薄膜的黏合向拉斷力。

②土壤掩埋試驗(yàn)：分別裁取6片10cm×10cm的自制PBAT/PLA生物降解薄膜（簡(jiǎn)稱“YT薄膜”）、普通PE薄膜（簡(jiǎn)稱“SF薄膜”）、市售PBAT/PLA/淀粉薄膜（簡(jiǎn)稱“CN薄膜”）、市售PLA薄膜（簡(jiǎn)稱“PLA薄膜”）、市售PBAT薄膜（簡(jiǎn)稱“PBAT薄膜”），分別掩埋于自然粘土環(huán)境、裝有栽培土的容器中，掩埋深度均為10cm，每隔兩個(gè)月取樣進(jìn)行觀察。

結(jié)果與討論

1.土壤掩埋試驗(yàn)前各種薄膜力學(xué)性能的對(duì)比

最大拉伸應(yīng)力和最大拉伸應(yīng)變（又稱“拉伸強(qiáng)度”和“斷裂伸長(zhǎng)率”）往往是薄膜類包裝材料最重要的力學(xué)性能和質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。圖1為土壤掩埋試驗(yàn)前各種薄膜力學(xué)性能的對(duì)比圖。從圖1可以看出，YT薄膜的平均最大拉伸應(yīng)力為13.4MPa，平均最大拉伸應(yīng)變?yōu)?42%;SF薄膜的平均最大拉伸應(yīng)力為9.4MPa，平均最大拉伸應(yīng)變?yōu)?25%;CN薄膜的平均最大拉伸應(yīng)力為12.2MPa，平均最大拉伸應(yīng)變?yōu)?41%;PLA薄膜的平均最大拉伸應(yīng)力為66.3MPa，平均最大拉伸應(yīng)變?yōu)?.7%;PBAT薄膜的平均最大拉伸應(yīng)力為12.1MPa，平均最大拉伸應(yīng)變?yōu)?34%。拉伸強(qiáng)度由大到小依次為：PLA>YT>CN>PBAT>SF，斷裂伸長(zhǎng)率由大到小依次為：SF>CN>PBAT>YT>PLA。從結(jié)果可以看出，可降解薄膜的拉伸強(qiáng)度均大于普通PE薄膜，斷裂伸長(zhǎng)率則均小于普通PE薄膜，說(shuō)明可降解薄膜主要特點(diǎn)在于強(qiáng)度較好，韌性相對(duì)欠缺。對(duì)比各類材質(zhì)的可降解薄膜，PLA薄膜的拉伸強(qiáng)度最高，達(dá)66.3MPa，遠(yuǎn)高于YT薄膜（PBAT/PLA共混）、CN薄膜（PBAT/PLA/淀粉共混）和PBAT薄膜，但斷裂伸長(zhǎng)率卻最低，僅為4.7%，也遠(yuǎn)低于其他材質(zhì)的生物降解薄膜。由此可知，在可降解薄膜中，PLA成分主要賦予薄膜剛性，PBAT成分主要賦予薄膜韌性。

2.栽培土掩埋試驗(yàn)中各種薄膜的形貌對(duì)比

圖2為栽培土環(huán)境下掩埋的各種薄膜的外觀形貌變化。從圖2（a）可以看出，隨著掩埋時(shí)間的增加，以PE材料制作的SF薄膜，在6個(gè)月周后外觀無(wú)明顯變化，樣品完整無(wú)缺;以PBAT/PLA/淀粉制作的CN薄膜，掩埋后兩個(gè)月后表面有大小不一的黑色菌斑，但掩埋時(shí)間增加，從外面形貌上沒(méi)有明顯變化;然而，以PBAT/PLA材料制作的YT薄膜，無(wú)論印刷與否，經(jīng)過(guò)兩個(gè)月降解，樣品已經(jīng)出現(xiàn)收縮、崩解的現(xiàn)象，并且隨著掩埋時(shí)間的增加，崩解程度越高;到掩埋6個(gè)月時(shí)，樣品已經(jīng)成為直徑小于5mm的碎片。從圖2（b）可以看出，PLA薄膜和PBAT薄膜在掩埋兩個(gè)月后均出現(xiàn)小范圍的破裂，并且隨著掩埋時(shí)間的增加破裂程度逐漸增大，但碎片普遍較大，降解效果不如YT薄膜。

3.PBAT/PLA生物降解薄膜在自然黏土和栽培土中的降解效果對(duì)比

圖3為PBAT/PLA生物降解薄膜在自然黏土和栽培土中的降解效果對(duì)比。從圖3可以看出，與栽培土中的快速破裂降解不同，在自然環(huán)境下的黏土中，YT薄膜的外觀變化也不太明顯，在掩埋6個(gè)月后，只有局部的收縮，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的菌斑、裂紋或者破碎。這可能與黏土中微生物含量較少、相對(duì)濕度較低，以及沒(méi)有受到陽(yáng)光直射有關(guān)。因?yàn)樵陉?yáng)光紫外線的照射下，空氣中的氧氣會(huì)分解產(chǎn)生自由基，自由基作用于材料分子鏈的化學(xué)鍵，會(huì)導(dǎo)致分子側(cè)鏈被氧化斷鏈、大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐步水解為低聚物，再被微生物進(jìn)一步分解成二氧化碳和水。黏土中缺乏陽(yáng)光照射，自由基含量較低，同時(shí)缺乏充足的水分，較難產(chǎn)生第一步高聚物水解為低聚物的反應(yīng)，導(dǎo)致降解速率和效果受影響。

結(jié)論

在可降解薄膜中，PLA成分主要賦予薄膜剛性，PBAT成分主要賦予薄膜韌性。PLA/PBAT薄膜在土壤中的生物降解程度更高，降解效果十分明顯，在掩埋6個(gè)月后完全崩解破碎。相比之下，PE薄膜和市售PBAT/PLA/淀粉薄膜在土壤掩埋下沒(méi)有明顯變化。而且，與自然環(huán)境黏土相比，全生物降解薄膜在花卉栽培土壤中降解效果更好。綜上所述，在實(shí)際處理全降解包裝廢棄物時(shí)用于產(chǎn)品包裝時(shí)，應(yīng)根據(jù)微生物、濕度、光照等條件，選擇合理的降解處理方式。

作者單位：深圳市裕同包裝科技股份有限公司

責(zé)任編輯：李倩 liqian@cprint.cn