CN109180971B - 一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜及制备方法 - Google Patents

一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于农用薄膜的技术领域，提供了一种保水环保木质素‑淀粉‑红麻复合地膜及制备方法。该方法通过将木质素磺化，然后与淀粉溶液混合后流延成膜，制得木质素‑淀粉复合膜，进一步与红麻纸地膜压制复合，制得木质素‑淀粉‑红麻复合地膜。与传统方法相比，本发明制备的复合地膜，生物降解性好，环保性能优异，并且薄膜强度较高，耐水性好，具有良好的保水性能，可根据不同需求得到不同透气性和不同保温性能的复合薄膜，以满足不同地区及不同季节的使用需求，同时原料来源广，成本低，产品性价比高。

Description

一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜及制备方法
技术领域
本发明属于农用薄膜的技术领域，提供了一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜及制备方法。
背景技术
农用薄膜是继种子、化肥、农药之后的农业重要生产资料，它的应用为我国农业生产带来了一场革命，对农业增效、农民增收作出了重要贡献。主要是棚膜和地膜、饲草用膜、遮阳网、防虫网等现代农用覆盖材料。常使用的薄膜为普通聚氯乙烯薄膜、聚氯乙烯无滴膜、普通聚乙烯薄膜、聚乙烯无滴膜、聚乙烯多功能复合膜以及EVA多功能复合膜等。随着农业科学技术的迅速发展，对地膜的需求量将会继续增长。
在农用地膜的功能中，保水性是非常重要的一项，保水性也是评价土壤的重要指标。水分是植物生长的基本要素，而我国作为世界上水资源缺乏的国家之一，对于农用灌溉水利用率的提高至关重要，不仅可以提高农业生产效益，而且也可以缓和水资源供需紧张的局面。因此，提高地膜的保水性能成为农用地膜发展的重要内容。
与此同时，由于地膜的一次性使用，每年都会有大量的残膜留在土壤里。塑料地膜多为分子量数万至数十万的聚乙烯，它们在自然界中很难降解。这些地膜碎片可在土壤中形成阴隔层，使土壤中的水、气、肥等流动受阻，造成土壤结构板结，严重危害生态环境，造成白色污染。因此，解决残膜污染土壤问题已成为地膜覆盖栽培技术的当务之急，为了解决这一问题，可降解地膜的研究应运而生。
中国发明专利申请号201510041925.5公开了一种可降解的保水地膜，该保水地膜包括解淀粉芽孢杆菌IAE发酵味精废渣为主的发酵培养基形成的发酵液、木质纤维素和木质素磺酸钙，其中，发酵液、木质纤维素和木质素磺酸钙按照体积质量比为2L：3~5kg：0.05~0.1kg。但存在保水效果不理想，强度较差的缺点。
中国发明专利申请号201710626450.5公开了一种保水增肥可生物降解农用地膜及其制备方法，制备过程包括：（1）将研磨后的低阶煤与KOH溶液加热至40~90℃，反应后趁热抽滤得滤液，冷却，调节pH值至酸性，静置至无固定物析出，然后进行减压抽滤，将滤饼干燥，得到低阶煤基腐殖酸；（2）将低阶煤基腐殖酸与亲水性单体、引发剂、交联剂反应制备低阶煤基腐殖酸高吸水树脂；（3）取可生物降解材料和低阶煤基腐殖酸高吸水树脂，混合造粒、吹膜，制得保水增肥可生物降解农用地膜。但存在生物降解性不理想，强度较差等缺点。
综上所述，目前常用的农用地膜中，保水性能有待提升，并且普遍存在降解性较差的问题，残膜的累计对于土壤质量和肥力的影响较大，制约了农用地膜的可持续发展，因此开发一种保水性能优异的可降解复合底膜有着重要的意义。
发明内容
可见，现有技术的农用地膜普遍存在降解性差，并且保水性能不理想的缺点。针对这种情况，我们提出一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜及制备方法，可有效改善地膜的保水性能，并且生物降解性好，应用前景佳。
为实现上述目的，本发明涉及的具体技术方案如下：
一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜的制备方法，所述复合地膜制备的具体步骤如下：
（1）将木质素加入亚硫酸钠的水溶液中，加入氧化剂，并调节pH值至13~14，加热进行反应，制得磺化木质素；
（2）将淀粉微粒糊化，加入聚乙烯醇溶液中，加热到92~96℃搅拌至完全溶解，然后加入步骤（1）制得的磺化木质素、交联剂、增塑剂、聚丙烯酰胺、纳米碳酸钙、十二烷基苯磺酸钠，搅拌混合均匀，流延成膜并干燥，制得木质素-淀粉复合膜；
（3）将红麻杆通过秸秆粉碎机制成红麻杆粉，然后与羧甲基纤维素、甘油、明胶、水混合，制成浆液，经过打浆、抄造，制得红麻纸地膜；
（4）在步骤（2）制得的木质素-淀粉复合膜的表面涂覆一层聚氨酯，再覆盖步骤（3）制得的红麻纸地膜，并压制复合，制得一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜。
优选的，步骤（1）所述氧化剂为硫酸铁、溴化铁、氯化铁、硝酸铁中的至少一种。
优选的，步骤（1）所述加热反应的温度为120~130℃，时间为3~4h。
优选的，步骤（1）所述各原料的重量份为，木质素40~45重量份、亚硫酸钠3~5重量份、水48~56重量份、氧化剂1~2重量份。
优选的，步骤（2）所述聚乙烯醇溶液的质量浓度为15~20%。
优选的，步骤（2）所述交联剂为甲醛、乙二醛、丁二醛中的至少一种。
优选的，步骤（2）所述增塑剂为乙二醇、丙二醇、异丁醇、异戊二醇、三乙醇胺中的至少一种。
优选的，步骤（2）所述各原料的重量份为，糊化淀粉微粒20~22重量份、聚乙烯醇溶液28~43重量份、交联剂1~3重量份、增塑剂1~2重量份、磺化木质素20~24重量份、聚丙烯酰胺8~11重量份、纳米碳酸钙6~8重量份、十二烷基苯磺酸钠1~2重量份。
优选的，步骤（3）所述各原料的重量份为，红麻杆粉33~36重量份、羧甲基纤维素8~12重量份、甘油4~8重量份、明胶5~8重量份、水36~50重量份。
本发明还提供了一种上述制备方法制备得到的保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜。所述复合地膜是通过将木质素磺化，然后与淀粉溶液混合后流延成膜，制得木质素-淀粉复合膜，进一步与红麻纸地膜压制复合而制得。
本发明提供了一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1. 本发明制得的复合地膜中，木质素、淀粉、红麻杆粉、聚乙烯醇均为可生物降解材料，地膜无需回收，可直接与肥料混合埋入土壤中。
2. 本发明的制备过程中，淀粉、改性木质素在成膜过程中发生交联反应，一方面使复合薄膜的强度提高，另一方面使耐水性提高，具有良好的保水性能。
3. 本发明的方法可通过抄造工艺的调整制得不同密度的红麻纸地膜层，以制得不同透气性和不同保温性能的复合薄膜，以满足不同地区及不同季节的使用需求。
4. 本发明的原料来源广，成本低，产品性价比高。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
（1）将木质素加入亚硫酸钠的水溶液中，加入氧化剂，并调节pH值至13，加热进行反应，制得磺化木质素；氧化剂为硫酸铁；加热反应的温度为126℃，时间为3.5h；各原料的重量份为，木质素43重量份、亚硫酸钠4重量份、水52重量份、氧化剂1重量份；
（2）将淀粉微粒糊化，加入聚乙烯醇溶液中，加热到93℃搅拌至完全溶解，然后加入步骤（1）制得的磺化木质素、交联剂、增塑剂、聚丙烯酰胺、纳米碳酸钙、十二烷基苯磺酸钠，搅拌混合均匀，流延成膜并干燥，制得木质素-淀粉复合膜；聚乙烯醇溶液的质量浓度为17%；交联剂为甲醛；增塑剂为乙二醇；各原料的重量份为，糊化淀粉微粒21重量份、聚乙烯醇溶液37重量份、交联剂2重量份、增塑剂1重量份、磺化木质素21重量份、聚丙烯酰胺9重量份、纳米碳酸钙7重量份、十二烷基苯磺酸钠2重量份；
（3）将红麻杆通过秸秆粉碎机制成红麻杆粉，然后与羧甲基纤维素、甘油、明胶、水混合，制成浆液，经过打浆、抄造，制得红麻纸地膜；各原料的重量份为，红麻杆粉35重量份、羧甲基纤维素9重量份、甘油5重量份、明胶7重量份、水44重量份；
（4）在步骤（2）制得的木质素-淀粉复合膜的表面涂覆一层聚氨酯，再覆盖步骤（3）制得的红麻纸地膜，并压制复合，制得一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜。
测试方法为：
（1）保水率：称取已处理的河沙、泥土，按照1:1的标准混配土壤，加入塑料杯中，加入适量自来水，使吸水饱和，然后用本发明制得的复合地膜紧密包裹，称取初始重量m0，置于室外用风干燥环境，分别在7d、15d、30d内称量总重mi，测试3次，根据公式计算土壤保水率平均值Ri=mi/m0×100%；
（2）土壤堆埋生物降解率：称取一定重量的本发明制得的复合地膜M0，埋于普通种植土壤地表之下约10cm处，分别于20d、40d和60d时取出，用水和无水乙醇洗净，干燥后称重Mi，每个样品取3片为一组，计算土壤堆埋生物降解率平均值Ai=［（Mi－M0）/ M0］×100%；
（3）拉伸强度：可降解薄膜的厚度使用国产0-25型螺旋测微仪测量，膜的力学性能使用万能电子材料试验机进行测试，本发明制得的可降解塑料薄膜，切成长50mm、宽10mm的长条，设定拉伸速度为5mm/min，每个样品纵向测3次，测定拉伸强度并计算平均值；
所得数据如表1所示。
实施例2
（1）将木质素加入亚硫酸钠的水溶液中，加入氧化剂，并调节pH值至14，加热进行反应，制得磺化木质素；氧化剂为溴化铁；加热反应的温度为120℃，时间为4h；各原料的重量份为，木质素40重量份、亚硫酸钠3重量份、水56重量份、氧化剂1重量份；
（2）将淀粉微粒糊化，加入聚乙烯醇溶液中，加热到92℃搅拌至完全溶解，然后加入步骤（1）制得的磺化木质素、交联剂、增塑剂、聚丙烯酰胺、纳米碳酸钙、十二烷基苯磺酸钠，搅拌混合均匀，流延成膜并干燥，制得木质素-淀粉复合膜；聚乙烯醇溶液的质量浓度为15%；交联剂为乙二醛；增塑剂为丙二醇；各原料的重量份为，糊化淀粉微粒20重量份、聚乙烯醇溶液43重量份、交联剂1重量份、增塑剂1重量份、磺化木质素20重量份、聚丙烯酰胺8重量份、纳米碳酸钙6重量份、十二烷基苯磺酸钠1重量份；
（3）将红麻杆通过秸秆粉碎机制成红麻杆粉，然后与羧甲基纤维素、甘油、明胶、水混合，制成浆液，经过打浆、抄造，制得红麻纸地膜；各原料的重量份为，红麻杆粉33重量份、羧甲基纤维素8重量份、甘油4重量份、明胶5重量份、水50重量份；
（4）在步骤（2）制得的木质素-淀粉复合膜的表面涂覆一层聚氨酯，再覆盖步骤（3）制得的红麻纸地膜，并压制复合，制得一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
实施例3
（1）将木质素加入亚硫酸钠的水溶液中，加入氧化剂，并调节pH值至13，加热进行反应，制得磺化木质素；氧化剂为氯化铁；加热反应的温度为130℃，时间为3h；各原料的重量份为，木质素45重量份、亚硫酸钠5重量份、水48重量份、氧化剂2重量份；
（2）将淀粉微粒糊化，加入聚乙烯醇溶液中，加热到96℃搅拌至完全溶解，然后加入步骤（1）制得的磺化木质素、交联剂、增塑剂、聚丙烯酰胺、纳米碳酸钙、十二烷基苯磺酸钠，搅拌混合均匀，流延成膜并干燥，制得木质素-淀粉复合膜；聚乙烯醇溶液的质量浓度为20%；交联剂为丁二醛；增塑剂为异丁醇；各原料的重量份为，糊化淀粉微粒22重量份、聚乙烯醇溶液28重量份、交联剂3重量份、增塑剂2重量份、磺化木质素24重量份、聚丙烯酰胺11重量份、纳米碳酸钙8重量份、十二烷基苯磺酸钠2重量份；
（3）将红麻杆通过秸秆粉碎机制成红麻杆粉，然后与羧甲基纤维素、甘油、明胶、水混合，制成浆液，经过打浆、抄造，制得红麻纸地膜；各原料的重量份为，红麻杆粉36重量份、羧甲基纤维素12重量份、甘油8重量份、明胶8重量份、水36重量份；
（4）在步骤（2）制得的木质素-淀粉复合膜的表面涂覆一层聚氨酯，再覆盖步骤（3）制得的红麻纸地膜，并压制复合，制得一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
实施例4
（1）将木质素加入亚硫酸钠的水溶液中，加入氧化剂，并调节pH值至14，加热进行反应，制得磺化木质素；氧化剂为硝酸铁；加热反应的温度为123℃，时间为4h；各原料的重量份为，木质素42重量份、亚硫酸钠3重量份、水53重量份、氧化剂2重量份；
（2）将淀粉微粒糊化，加入聚乙烯醇溶液中，加热到93℃搅拌至完全溶解，然后加入步骤（1）制得的磺化木质素、交联剂、增塑剂、聚丙烯酰胺、纳米碳酸钙、十二烷基苯磺酸钠，搅拌混合均匀，流延成膜并干燥，制得木质素-淀粉复合膜；聚乙烯醇溶液的质量浓度为16%；交联剂为甲醛；增塑剂为异戊二醇；各原料的重量份为，糊化淀粉微粒21重量份、聚乙烯醇溶液39重量份、交联剂2重量份、增塑剂1重量份、磺化木质素21重量份、聚丙烯酰胺9重量份、纳米碳酸钙6重量份、十二烷基苯磺酸钠1重量份；
（3）将红麻杆通过秸秆粉碎机制成红麻杆粉，然后与羧甲基纤维素、甘油、明胶、水混合，制成浆液，经过打浆、抄造，制得红麻纸地膜；各原料的重量份为，红麻杆粉34重量份、羧甲基纤维素9重量份、甘油5重量份、明胶6重量份、水46重量份；
（4）在步骤（2）制得的木质素-淀粉复合膜的表面涂覆一层聚氨酯，再覆盖步骤（3）制得的红麻纸地膜，并压制复合，制得一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
实施例5
（1）将木质素加入亚硫酸钠的水溶液中，加入氧化剂，并调节pH值至13，加热进行反应，制得磺化木质素；氧化剂为硫酸铁；加热反应的温度为128℃，时间为3h；各原料的重量份为，木质素44重量份、亚硫酸钠4重量份、水50重量份、氧化剂2重量份；
（2）将淀粉微粒糊化，加入聚乙烯醇溶液中，加热到95℃搅拌至完全溶解，然后加入步骤（1）制得的磺化木质素、交联剂、增塑剂、聚丙烯酰胺、纳米碳酸钙、十二烷基苯磺酸钠，搅拌混合均匀，流延成膜并干燥，制得木质素-淀粉复合膜；聚乙烯醇溶液的质量浓度为18%；交联剂为乙二醛；增塑剂为三乙醇胺；各原料的重量份为，糊化淀粉微粒22重量份、聚乙烯醇溶液32重量份、交联剂2重量份、增塑剂2重量份、磺化木质素23重量份、聚丙烯酰胺10重量份、纳米碳酸钙7重量份、十二烷基苯磺酸钠2重量份；
（3）将红麻杆通过秸秆粉碎机制成红麻杆粉，然后与羧甲基纤维素、甘油、明胶、水混合，制成浆液，经过打浆、抄造，制得红麻纸地膜；各原料的重量份为，红麻杆粉35重量份、羧甲基纤维素11重量份、甘油7重量份、明胶7重量份、水40重量份；
（4）在步骤（2）制得的木质素-淀粉复合膜的表面涂覆一层聚氨酯，再覆盖步骤（3）制得的红麻纸地膜，并压制复合，制得一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
实施例6
（1）将木质素加入亚硫酸钠的水溶液中，加入氧化剂，并调节pH值至14，加热进行反应，制得磺化木质素；氧化剂为溴化铁；加热反应的温度为125℃，时间为3.5h；各原料的重量份为，木质素42重量份、亚硫酸钠4重量份、水52重量份、氧化剂2重量份；
（2）将淀粉微粒糊化，加入聚乙烯醇溶液中，加热到94℃搅拌至完全溶解，然后加入步骤（1）制得的磺化木质素、交联剂、增塑剂、聚丙烯酰胺、纳米碳酸钙、十二烷基苯磺酸钠，搅拌混合均匀，流延成膜并干燥，制得木质素-淀粉复合膜；聚乙烯醇溶液的质量浓度为18%；交联剂为丁二醛；增塑剂为乙二醇；各原料的重量份为，糊化淀粉微粒21重量份、聚乙烯醇溶液36重量份、交联剂2重量份、增塑剂1重量份、磺化木质素22重量份、聚丙烯酰胺10重量份、纳米碳酸钙7重量份、十二烷基苯磺酸钠1重量份；
（3）将红麻杆通过秸秆粉碎机制成红麻杆粉，然后与羧甲基纤维素、甘油、明胶、水混合，制成浆液，经过打浆、抄造，制得红麻纸地膜；各原料的重量份为，红麻杆粉34重量份、羧甲基纤维素10重量份、甘油6重量份、明胶6重量份、水44重量份；
（4）在步骤（2）制得的木质素-淀粉复合膜的表面涂覆一层聚氨酯，再覆盖步骤（3）制得的红麻纸地膜，并压制复合，制得一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
对比例1
制备过程中，未使用木质素，其他制备条件与实施例6一致。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
表1：
Figure DEST_PATH_IMAGE002

Claims (8)

1.一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜的制备方法，其特征在于，所述复合地膜制备的具体步骤如下：
（1）将木质素加入亚硫酸钠的水溶液中，加入氧化剂，并调节pH值至13~14，加热进行反应，制得磺化木质素；
（2）将淀粉微粒糊化，加入聚乙烯醇溶液中，加热到92~96℃搅拌至完全溶解，然后加入步骤（1）制得的磺化木质素、交联剂、增塑剂、聚丙烯酰胺、纳米碳酸钙、十二烷基苯磺酸钠，搅拌混合均匀，流延成膜并干燥，制得木质素-淀粉复合膜；所述聚乙烯醇溶液的质量浓度为15~20%；所述各原料的重量份为，糊化淀粉微粒20~22重量份、聚乙烯醇溶液28~43重量份、交联剂1~3重量份、增塑剂1~2重量份、磺化木质素20~24重量份、聚丙烯酰胺8~11重量份、纳米碳酸钙6~8重量份、十二烷基苯磺酸钠1~2重量份；
（3）将红麻杆通过秸秆粉碎机制成红麻杆粉，然后与羧甲基纤维素、甘油、明胶、水混合，制成浆液，经过打浆、抄造，制得红麻纸地膜；
（4）在步骤（2）制得的木质素-淀粉复合膜的表面涂覆一层聚氨酯，再覆盖步骤（3）制得的红麻纸地膜，并压制复合，制得一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜。
2.根据权利要求1所述一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述氧化剂为硫酸铁、溴化铁、氯化铁、硝酸铁中的至少一种。
3.根据权利要求1所述一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述加热反应的温度为120~130℃，时间为3~4h。
4.根据权利要求1所述一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述各原料的重量份为，木质素40~45重量份、亚硫酸钠3~5重量份、水48~56重量份、氧化剂1~2重量份。
5.根据权利要求1所述一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述交联剂为甲醛、乙二醛、丁二醛中的至少一种。
6.根据权利要求1所述一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述增塑剂为乙二醇、丙二醇、异丁醇、异戊二醇、三乙醇胺中的至少一种。
7.根据权利要求1所述一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述各原料的重量份为，红麻杆粉33~36重量份、羧甲基纤维素8~12重量份、甘油4~8重量份、明胶5~8重量份、水36~50重量份。
8.权利要求1~7任一项所述制备方法制备得到的一种保水环保木质素-淀粉-红麻复合地膜。
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