CN112239565A - 一种可降解生物地膜及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可降解生物地膜，按照质量百分比计，包括以下组分且各组分含量为：高分子材料60～80％，聚氨基酸5～10％，小分子糖类5～10％，硅烷偶联剂4～8％以及粘合剂6～12％。本发明还公开了该生物地膜的生产工艺。本发明的生产工艺简单、条件温和，得到的可降解生物地膜，能够有效提高地膜的拉伸强度和韧性，提高可降解地膜的力学性能，增加地膜的耐用性。

Description

一种可降解生物地膜及其生产工艺
技术领域
本发明属于可降解材料技术领域，具体涉及一种可降解生物地膜及其生产工艺。
背景技术
农业地膜是农业种植过程中的一项成熟栽培技术，可保持土壤水分、提高水分利用率，缓解干旱半干旱地区土壤缺水问题，同时改善农作物生长环境，有利于作物生长发育，提高作物产量及农业效益，确保了农作物产量的提高，增加了农业生产效益。但是在育苗时一旦种子发芽出苗，要及时的揭掉地膜，否则，很容易高温烫伤种苗；而在作物成熟收获后农膜也就失去了作用，随之而来的就是农膜废弃物污染的问题，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。
而如今市面上常用的是以聚乙烯、聚丙烯等化学物质制成的农用地膜，除了具有保温、除草等功能外，还存在着耐用性差、强度不高、降解难度大时间久等问题。由于其很难降解，且不能回收二次使用，大量地膜碎片会残留在土壤中，不仅会破坏土壤结构，影响作物生长而导致减产，还会造成严重环境污染。这些地膜碎片可在土壤中形成阻隔层，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。
现有技术中则越来越关注在可降解的、对环境无害的地膜方面的研发。例如，申请号为CN202010319583.X的中国发明专利公开了一种营养型可降解地膜材料的制备方法：在配制的氢氧化钠/腐植酸/尿素体系溶液中溶解纤维素得到铸膜液，铸涂成膜后采用酸性水溶液作为凝固浴，相转化法制得纤维素/腐植酸膜；使用霞石粉、丙三醇对壳聚糖进行共混改性，然后将改性壳聚糖溶液涂覆于纤维素/腐植酸膜表面，经溶剂蒸发、碱性水溶液固化表层、洗涤、干燥后得到营养型可降解地膜材料。
又如，申请号为CN202010125243.3的中国发明专利公开了一种可降解地膜及其制备方法，按重量份计，包含聚乳酸60-100份、植物纤维混合物9-21份、粘合剂3-10份、改性液2-6份；其中，植物纤维混合物包括7-15份蔗渣纤维和2-6份的玉米秸秆纤维。改性液的制备方法包含以下步骤：a：将5-15份的硅烷偶联剂、10-20份的醇和60-100份的去离子水混合，得到硅烷水解液；b：向硅烷水解液中加入1-5份纳米二氧化硅，混合均匀得改性液。可降解地膜的制备方法包括：S1：将改性液加入聚乳酸中搅拌得混合液；S2：将植物纤维混合物和粘合剂加入混合液中，搅拌得混合浆，然后进行取浆抄膜得到可降解地膜。本发明的可降解地膜具有较好的拉伸强度和韧性。
目前，常用的可降解地膜大多数是以淀粉，纤维素，聚乳酸等为主要成分，通过添加合适的辅助剂得到的地膜，此类地膜虽然具有良好的降解性，但其韧性和牵拉强度不佳。本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种可降解生物地膜及其生产工艺，能够改进一般现有的地膜，使其性能更加优越。经过不断的研究、设计，并经反复试作及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
发明内容
本发明的主要目的在于对现有技术中的缺点，提供一种可降解生物地膜及其生产工艺。本发明的可降解生物地膜具有降解速度快，对土壤无污染，且韧性和牵拉强度高的优点。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提供了一种可降解生物地膜，按照质量百分比计，包括以下组分且各组分含量为：高分子材料60～80％，聚氨基酸5～10％，小分子糖类5～10％，硅烷偶联剂4～8％以及粘合剂6～12％。
前述的可降解生物地膜，其中，按照质量百分比计，包括以下组分且各组分含量为：高分子材料70％，聚氨基酸8％，小分子糖类8％，硅烷偶联剂6％以及粘合剂8％。
前述的可降解生物地膜，其中，所述高分子材料包括热塑性淀粉、明胶、黄原胶或瓜尔胶。
前述的可降解生物地膜，其中，所述热塑性淀粉密度：1.2g/cm3，融熔指数：1-3g/10min(190℃/2.16kg)，可挥发物<0.3％。
前述的可降解生物地膜，其中，所述聚氨基酸的粘均分子量为100000～300000。
前述的可降解生物地膜，其中，所述聚氨基酸为聚(L-丙氨酸)和/或聚(L-赖氨酸)。
前述的可降解生物地膜，其中，所述小分子糖类为葡萄糖、果糖或蔗糖。
前述的可降解生物地膜，其中，所述硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧基乙氧基)硅烷的一种或多种。
前述的可降解生物地膜，其中，所述粘合剂为为硅酸钠或环氧树脂。
本发明的目的及解决其技术问题还通过采用以下技术方案来实现。
本发明提供了一种可降解生物地膜的生产工艺，包括以下步骤：
(1)将高分子材料溶于去离子水中得到其水溶液，然后置于高速剪切机中以4000～6000r/min的转速剪切5～10min，将得到的混合溶液经过复合酶催化反应30～60min，然后蒸馏去水，得到产物a；其中，复合酶为甘露聚糖酶、果胶酶、纤维素酶复合而成；
(2)将上述得到的产物a与聚氨基酸以及硅烷偶联剂在100～150℃下混合，得到初混料；
(3)向上述初混料中加入小分子糖类和粘合剂混合均匀后在180～200℃下挤出造粒，然后在150～180℃下吹塑成膜，即得到厚度为8μm的可降解生物地膜。
借由上述技术方案，本发明至少具有下列优点：本发明的可降解生物地膜以高分子材料诸如热塑性淀粉、明胶、黄原胶、瓜尔胶为主要成分，首先将其高速剪切分解，然后再经过酶的催化作用，分解成小分子物质，然后该物质与聚氨基酸在偶联剂的作用下耦合，最后与小分子糖类和粘合剂作用，通过挤出造粒，吹塑成膜，得到可降解生物地膜，该制备工艺简单，条件温和；得到的生物地膜不仅具有较高的拉伸强度、冲击强度和韧性，而且降解速度快，降解后可为土壤中微生物的生长所需提供碳源、氮源以及其他营养物质，能够促进微生物改善土壤结构，有助于促进植物生长。本发明的地膜对环境无污染，是一种绿色、无危害的产品。
综上所述，本发明特殊的可降解生物地膜具有良好的力学性能，且无污染。其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品和方法中未见有类似的设计公开发表或使用而确属创新，其不论在方法上或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的产品具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
取70份热塑性淀粉(密度：1.2g/cm3，融熔指数：1-3g/10min(190℃/2.16kg)，可挥发物<0.3％)溶于去离子水中得到其水溶液，然后置于高速剪切机中以5000r/min的转速剪切8min，将得到的混合溶液经过复合酶催化反应45min，然后蒸馏去水，将沉淀物置于烘箱中在40℃下烘干得到产物，然后与8份聚(L-丙氨酸)(粘均分子量为200000)以及6份乙烯基三乙氧基硅烷在120℃下混合均匀，得到初混料。向初混料中加入8份葡萄糖和8份硅酸钠混合均匀后在190℃下挤出造粒，然后在165℃下吹塑成膜，即得到厚度为8μm的可降解生物地膜。
实施例2
取60份瓜尔胶溶于去离子水中得到其水溶液，然后置于高速剪切机中以6000r/min的转速剪切5min，将得到的混合溶液经过复合酶催化反应60min，然后蒸馏去水，将沉淀物置于烘箱中在50℃下烘干得到产物，然后与10份聚(L-赖氨酸)(粘均分子量为200000)以及8份乙烯基三乙氧基硅烷在120℃下混合均匀，得到初混料。向初混料中加入10份葡萄糖和12份硅酸钠混合均匀后在190℃下挤出造粒，然后在165℃下吹塑成膜，即得到厚度为8μm的可降解生物地膜。
实施例3
取80份热塑性淀粉(密度：1.2g/cm3，融熔指数：1-3g/10min(190℃/2.16kg)，可挥发物<0.3％)溶于去离子水中得到其水溶液，然后置于高速剪切机中以5000r/min的转速剪切10min，将得到的混合溶液经过复合酶催化反应30min，然后蒸馏去水，将沉淀物置于烘箱中在40℃下烘干得到产物，然后与5份聚(L-赖氨酸)(粘均分子量为100000)以及4份乙烯基三乙氧基硅烷在120℃下混合均匀，得到初混料。向初混料中加入5份蔗糖和6份硅酸钠混合均匀后在190℃下挤出造粒，然后在165℃下吹塑成膜，即得到厚度为8μm的可降解生物地膜。
实施例4
取70份明胶溶于去离子水中得到其水溶液，然后置于高速剪切机中以5000r/min的转速剪切8min，将得到的混合溶液经过复合酶催化反应45min，然后蒸馏去水，将沉淀物置于烘箱中在50℃下烘干得到产物，然后与8份聚(L-赖氨酸)(粘均分子量为300000)以及6份乙烯基三乙氧基硅烷在150℃下混合均匀，得到初混料。向初混料中加入10份蔗糖和6份粘合剂混合均匀后在200℃下挤出造粒，然后在150℃下吹塑成膜，即得到厚度为8μm的可降解生物地膜。
实施例5
取70份黄原胶溶于去离子水中得到其水溶液，然后置于高速剪切机中以5000r/min的转速剪切8min，将得到的混合溶液经过复合酶催化反应45min，然后蒸馏去水，将沉淀物置于烘箱中在40℃下烘干得到产物，然后与5份聚(L-丙氨酸)(粘均分子量为300000)以及8份乙烯基三乙氧基硅烷在150℃下混合均匀，得到初混料。向初混料中加入5份蔗糖和12份环氧树脂混合均匀后在180℃下挤出造粒，然后在180℃下吹塑成膜，即得到厚度为8μm的可降解生物地膜。
实施例6
取70份黄原胶溶于去离子水中得到其水溶液，然后置于高速剪切机中以5000r/min的转速剪切8min，将得到的混合溶液经过复合酶催化反应45min，然后蒸馏去水，将沉淀物置于烘箱中在50℃下烘干得到产物，然后与6份聚(L-丙氨酸)(粘均分子量为200000)以及6份乙烯基三甲氧基硅烷在120℃下混合均匀，得到初混料。向初混料中加入9份蔗糖和9份环氧树脂混合均匀后在180℃下挤出造粒，然后在170℃下吹塑成膜，即得到厚度为8μm的可降解生物地膜。
实施例7
取70份热塑性淀粉(密度：1.2g/cm3，融熔指数：1-3g/10min(190℃/2.16kg)，可挥发物<0.3％)溶于去离子水中得到其水溶液，然后置于高速剪切机中以5000r/min的转速剪切8min，将得到的混合溶液经过复合酶催化反应45min，然后蒸馏去水，将沉淀物置于烘箱中在40℃下烘干得到产物，然后与7份聚(L-丙氨酸)(粘均分子量为200000)以及8份乙烯基三甲氧基硅烷在120℃下混合均匀，得到初混料。向初混料中加入8份葡萄糖和7份环氧树脂混合均匀后在190℃下挤出造粒，然后在165℃下吹塑成膜，即得到厚度为8μm的可降解生物地膜。
对比实施例1
取70份热塑性淀粉(密度：1.2g/cm3，融熔指数：1-3g/10min(190℃/2.16kg)，可挥发物<0.3％)与8份聚(L-丙氨酸)(粘均分子量为200000)以及6份乙烯基三乙氧基硅烷在120℃下混合均匀，得到初混料。向初混料中加入8份葡萄糖和8份硅酸钠混合均匀后在190℃下挤出造粒，然后在165℃下吹塑成膜，即得到厚度为8μm的可降解生物地膜。
试验例1可降解生物地膜力学性能测试
对实施例1-7、对比实施例1中的可降解生物地膜性能采用如下方法进行测试。
根据GB/T1040.3-2006《塑料拉伸性能的测定》和GB/T35795-2017《全生物降解农用地膜覆盖薄膜》对地膜拉伸强度和拉伸断裂率进行力学性能测试，结果见表1。
表1 可降解生物地膜力学性能检测数据
Figure BDA0002727848110000061
Figure BDA0002727848110000071
由表1的结果可以看出，本发明的可降解生物地膜的拉伸强度和拉伸断裂率均优于国家标准，符合国家标准的要求。另外，实施例1-7中性能最优的实施例1的可降解生物地膜；与对比实施例1相比，通过剪切和酶催化作用将高分子材料进行处理后再与其他物质制成的地膜其性能明显优于不经过处理直接与其他物质制成的地膜，由此可见，经过处理后的高分子物质能够明显提高地膜的拉伸强度和拉伸断裂率，从而使得地膜具有优异的韧性。另外，本发明的地膜其原料组成均为可降解材料，在降解后能够为土壤中的微生物提供碳源和氮源等物质，能够促进微生物改善土壤环境，促进植物生长。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种可降解生物地膜，按照质量百分比计，包括以下组分且各组分含量为：高分子材料60～80％，聚氨基酸5～10％，小分子糖类5～10％，硅烷偶联剂4～8％以及粘合剂6～12％。
2.根据权利要求1所述的可降解生物地膜，其中，按照质量百分比计，包括以下组分且各组分含量为：高分子材料70％，聚氨基酸8％，小分子糖类8％，硅烷偶联剂6％以及粘合剂8％。
3.根据权利要求1所述的可降解生物地膜，其中，所述高分子材料包括热塑性淀粉、明胶、黄原胶或瓜尔胶。
4.根据权利要求3所述的可降解生物地膜，其中，所述热塑性淀粉密度：1.2g/cm3，融熔指数：1-3g/10min(190℃/2.16kg)，可挥发物<0.3％。
5.根据权利要求1所述的可降解生物地膜，其中，所述聚氨基酸的粘均分子量为100000～300000。
6.根据权利要求1所述的可降解生物地膜，其中，所述聚氨基酸为聚(L-丙氨酸)和/或聚(L-赖氨酸)。
7.根据权利要求1所述的可降解生物地膜，其中，所述小分子糖类为葡萄糖、果糖或蔗糖。
8.根据权利要求1所述的可降解生物地膜，其中，所述硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧基乙氧基)硅烷的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的可降解生物地膜，其中，所述粘合剂为硅酸钠或环氧树脂。
10.一种可降解生物地膜的生产工艺，包括以下步骤：
(1)将高分子材料溶于去离子水中得到其水溶液，然后置于高速剪切机中以4000～6000r/min的转速剪切5～10min，将得到的混合溶液经过复合酶催化反应30～60min，然后蒸馏去水，得到产物a；其中，复合酶为甘露聚糖酶、果胶酶、纤维素酶复合而成；
(2)将上述得到的产物a与聚氨基酸以及硅烷偶联剂在100～150℃下混合，得到初混料；
(3)向上述初混料中加入小分子糖类和粘合剂混合均匀后在180～200℃下挤出造粒，然后在150～180℃下吹塑成膜，即得到厚度为8μm的可降解生物地膜。
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