CN115302741B - 通过层叠复合提升阻水保温保墒及力学性能的可降解地膜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了通过层叠复合提升阻水保温保墒及力学性能的可降解地膜，本发明采用力学支撑材料、阻水材料及功能材料通过微纳层叠共挤吹膜技术制备提升阻水保温保墒及力学性能的可降解地膜，并通过保护层进行保护，提升阻水保温保墒及力学性能的可降解地膜的制备方法为物料真空干燥→物料塑化挤出→层数倍增→包络成环→吹胀成型→风环冷却→牵引辊牵引→薄膜收卷，此种微纳层叠薄膜是一种将十几到上千层的(增加保护范围)材料交替层叠复合在一起的膜材料。其独特的微纳米层结构、层状受限空间与丰富的二维层界面等特点，可以使得微纳层叠薄膜在阻隔、光学透明性及力学等方面表现出普通多层薄膜难以比拟的优势。

Description

通过层叠复合提升阻水保温保墒及力学性能的可降解地膜
技术领域
本发明属于生物降解地膜制备技术领域，涉及通过层叠复合提升阻水保温保墒及力学性能的可降解地膜。
背景技术
生物降解地膜因基材阻水性能较差导致其阻水保温保墒性能较差。提高生物降解地膜阻水性能，关键就是要降低其水蒸气透过率，主要有表面改性和基体改性这两种方法。表面改性是通过减少水分子在膜表面的溶剂度系数来降低水蒸汽透过率，分别有表面涂覆、表面层层自组装与气相沉积等方法。气相沉积等表面改性技术的优势是可显著提升地膜阻水性能，但其冗长的工艺不利于地膜加工成本的控制。基体改性则通过在薄膜内部构建水汽分子扩散障碍物，通过降低扩散系数降低薄膜的水蒸汽透过率，构建障碍物的方式包括聚集态结构(结晶)调控、填充无机纳米填料(如蒙脱土等)与高分子共混等。然而，基体改性技术工艺简单，易于实现，但对降解地膜阻水性能提升幅度有限，并且无法兼顾对力学性能的提升。由于农业领域的特殊性，对生物降解的使用性能与成本控制提出了更高的要求。因此，实现兼具高阻水保温与优异力学的生物降解地膜的制备，并实现其加工成本的控制，具有重要意义。
现有的单层地膜专利，如国内专利CN 114106302 A，就公开了一种二氧化碳基生物降解地膜及其制备方法。主要材料采用了PPC和PBAT。制备了黑色和无色相间的生物降解性地膜。其中，黑色膜中加有黑色母料(炭黑等)，可以为地膜提供力学强度；而无色膜的存在可以解决中间黑色滴灌带吸热导致生物降解地膜过早破裂问题，两边无色部分仍能够透过大量的太阳光，进而保证土壤温度。
现有的多层地膜，基本上都是两层或三层结构。比如国内专利CN 107933041A，公开了一种可播种的环保地膜。该地膜结构包括依次层叠的光降解薄膜层，相容层和增粘生物降解薄膜层三层结构。光降解薄膜层主要为光降解剂+聚乙烯树脂。聚乙烯薄膜可以保证地膜保湿增温效果以及具备较佳的耐用性。同时光降解剂的加入可以促进地膜的降解速率，在植物生长期间可以同时发生降解周期可控的降解。相容层为相容剂+聚乙烯树脂。主要是为了很好的连接其余两层，增加层结构之间的相容性。增粘生物降解薄膜层为增粘剂+脂肪族聚酯树脂。所用的脂肪族聚酯树脂都是PLA、PBS、PBAT等可生物降解材料，可以保证地膜的降解，对环境和土壤不会造成污染。增粘剂的使用是为了，使该层能够对种子进行有效粘附，通过地膜铺盖同时实现播种，不仅可以减少人工播种的劳动力，而且提高了种子排布的规整性，有利于植物的生长。该发明采用的还是聚乙烯层材料本身的性能来实现地膜的基础保湿增温效果，通过光降解剂的使用来促进该地膜聚乙烯层的降解。但聚烯烃塑料的光降解过程非常缓慢，并且分解速率和过程也难以控制。在受太阳辐射较少的地区，降解速度也较慢，其分解效果是不理想的。因其可用环境的限制和昂贵的使用成本，光降解塑料地膜并没有得到良好的推广及应用。
国内专利CN 113754995 A，公开了一种双层高阻隔性全生物降解地膜，该降解地膜为双层膜结构。采用全生物降解的原材料。第一层为聚乳酸+聚对二氧环己酮+高阻隔共聚物，其中，聚乳酸可对聚对二氧环己酮进行增强改性，高阻隔共聚物可提升其阻隔性能；第二层为聚碳酸亚丙酯+聚对二氧环己酮+保水剂，其中，聚碳酸亚丙酯可对其阻隔性能进行提升，保水剂可提升保墒性能。两层膜主料相同，具有良好的结合性。通过两层膜的结合，再次改善力学性能。第一层膜和第二层膜均结合热稳定剂和光稳定剂的使用，延长降解时间。
国内专利CN 114149667 A，公开了一种棉花专用高耐候生物降解地膜，主要材料采用了含碳酸酯结构的生物降解聚氨酯、PPC和PBAT。进行三层共挤吹膜制备了含外层膜、中间层、底层膜三层结构的地膜。外层膜：含有染色剂、抗氧剂和保温剂的成分，在地膜表面直接阻止紫外线和氧气对地膜本身的破坏，从而有效的提高了地膜的抗紫外线等功能，也避免其成分加入底层膜和中间层膜时影响其他原料含量并无法有效产生作用的问题；中间层：添加了大量增加变形、耐热、耐候等基本性能的成分及占有最多含碳酸酯结构的生物降解聚氨酯含量的控制，保证地膜作为承载物的基本使用性能，并达到控制阻隔率来控制生物降解的时间，还有效防止地膜被拉断、撕裂和使用寿命低下等问题的出现；底层膜：利用耐刮助剂和防污助剂的成分，在地膜地面直接防御住土壤和植物的污染和刮擦对地膜本身的破坏，从而有效的提高了地膜的抗刮等性能，也避免其成分加入外层膜和中间层膜时影响其他原料含量并无法有效产生作用的问题。
国内专利CN 113752662 A，公开了一种具有阻隔结构的三层共挤生物降解地膜。第一层膜为PCL聚己内酯材质，且PCL聚己内酯的降解期为6-12个月，第一层膜在分解后并不会污染环境，可以增加生物降解地膜的使用期限，降低种植成本；第二层膜为聚乙烯醇薄膜材质，且聚乙烯醇薄膜材质的降解期为50-100天，乙烯醇薄膜材属于一种生物可降解高分子材料，聚乙烯醇薄膜的含水率可达30％-50％，在65％RH，25℃环境下的含湿率也可达4.5％，其气体阻隔性能强；第三层膜为聚酰胺共聚物材质，且聚酰胺共聚物是由脂肪族聚脂与尼龙通过胺脂交换反应而成。脂肪族聚脂在与尼龙通过胺脂交换后其透明性增大，强度与构成它的主体聚酸胺相近，但伸长率，柔韧性增加，方便在使用时不容易破损。层与层之间用纤维素材质的粘合剂进行粘结。
将力学性能优异的生物降解材料与阻隔性能优异的降解材料单纯只进行共混，只能得到二者性能的折中，对制备出来的地膜的提升效果不够明显。添加阻隔性能增强剂，提高阻隔性能的同时也对地膜的力学性能造成的不利影响，当前以PBAT为主体材料的生物降解地膜，都只是在部分阻水保温要求不高的农作物得到应用，其增产效果也不如传统PE地膜。
而相较于单层结构的薄膜，具有更高相连续度的层状结构能够最大限度发挥高阻隔聚合物的阻隔性能。此外，与双连续结构等相比，层结构更加规整，且容易获得，不易受到组分含量、粘度、界面张力等因素影响。目前高阻水降解材料如PPC等与力学性能优异的降解材料如PBAT等层状复合，构筑多层降解薄膜，可一定程度改善阻水与力学性能，但由于无法实现较高层数的制备，当前所能实现的多层结构多为2-3层的普通多层结构仍难以满足实际应用需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供了一种保持生物降解地膜原有降解性的同时，提高其力学性能与阻水性能的方法，制备出相应的生物降解地膜，采用力学支撑材料、阻水材料及功能材料通过微纳层叠共挤吹膜技术制备提升阻水保温保墒及力学性能的可降解地膜，并通过保护层进行保护，提升阻水保温保墒及力学性能的可降解地膜的制备方法为物料真空干燥→物料塑化挤出→层数倍增→包络成环→吹胀成型→风环冷却→牵引辊牵引→薄膜收卷，此种微纳层叠薄膜是一种将十几至上千层的材料交替层叠复合在一起的膜材料。其独特的微纳米层结构、层状受限空间与丰富的二维层界面等特点，可以使得微纳层叠薄膜在阻隔、光学透明性及力学等方面表现出普通多层薄膜难以比拟的优势。
为达到上述目的，采用的技术方案如下：
一种通过层叠复合提升阻水保温保墒及力学性能的可降解地膜，制备原料包括：
力学支撑层材料A、阻水层材料B、功能层材料C；
所述力学支撑层材料A选自聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯PBAT、聚乳酸PLA、聚己内酯PCL、聚丁二酸丁二醇酯PBS中的一种或者多种；
所述阻水层材料B选自二氧化碳-环氧丙烷共聚物PPC、聚羟基脂肪酸酯PHAs,聚乙醇酸PGA中的一种或者多种；
所述功能层材料C为聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯PBAT与耐老化剂、抗水解剂及抗紫外助剂组成；
当选择力学支撑层材料A与阻水层材料B制备可降解地膜1时：
利用微纳层叠共挤吹膜技术，将力学支撑材料A与阻水层材料B塑化后形成A/B后，经过n次重复层叠形成以A/B交替多层并且层数为2*2n层的微纳层叠地膜1，其中，n为大于等于1的整数；
当选择力学支撑层材料A、阻水层材料B及功能层材料C制备可降解地膜2时：
利用微纳层叠共挤吹膜技术，将力学支撑材料A、阻水层材料B及功能层材料C塑化后形成A/B/C后，经过n次重复层叠形成以A/B/C交替多层并且层数为3*2n层的微纳层叠地膜2，其中，n为大于等于1的整数。
进一步的，所述微纳层叠地膜1和2还包含有保护层；所述保护层为内保护层和外保护层，内保护层由保护层材料D或者保护层材料E组成；外保护层由保护层材料D或者保护层材料E组成；
所述保护层材料D为聚乳酸PLA与抗紫外助剂，热稳定剂，抗氧化剂组成；
所述保护层材料E为聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯PBAT，热稳定剂，抗氧化剂组成；
所述保护层塑化后通过共挤吹膜技术复合在微纳层叠地膜1和2的内外层，形成具备保护层的微纳层叠地膜。
进一步的，所述耐老化剂选自2，6-二叔丁基对甲酚。
进一步的，所述抗水解剂选自双(2,6-二异丙基苯基)碳二亚胺，所述抗紫外助剂选自4-羟基二苯甲酮。
进一步的，所述热稳定剂选自硬脂酸钙，抗氧化剂选自硫代二丙酸二月桂酯。
进一步的，所述可降解地膜制备方法包括如下步骤：
S1：组装设备：按照可降解地膜的物料数量，并联组装物料A、B挤出机或A、B、C挤出机，挤出机后连接汇流器，汇流器连接n个层倍增器，层倍增器后依次连接吹膜模头，冷却风环，牵引装置，收卷装置，设定各装置温度及转速条件，打开冷却风环、牵引装置及收卷装置，其中n大于等于1；
S2：分层准备：分别将相应原料粒料进行真空干燥,干燥后分别加入挤出机，挤出机塑化后进入汇流器，在汇流器中形成A/B或者A/B/C层叠物料，经过n个层倍增器后，形成以A/B交替多层并且层数为2*2n层的微纳层叠地膜材料或者形成以A/B/C交替多层并且层数为3*2n层的微纳层叠地膜材料，在经过吹膜模头及冷却风环，最终由牵引装置及收卷装置得到相应的微纳层叠地膜。
进一步的，所述含保护层的可降解地膜制备方法包括如下步骤：
S1：组装设备：按照可降解地膜的物料数量，并联组装物料A、B挤出机或A、B、C挤出机，挤出机后连接汇流器，汇流器连接n个层倍增器，层倍增器出口处上下位置并联连接2个保护层物料挤出机，2个保护层物料挤出机后依次连接吹膜模头，冷却风环，牵引装置，收卷装置，设定各装置温度及转速条件，打开冷却风环、牵引装置及收卷装置，其中n大于等于1；
S2：分层准备：分别将相应原料粒料进行真空干燥,干燥后分别加入挤出机，挤出机塑化后进入汇流器，在汇流器中形成A/B或者A/B/C层叠物料，经过n个层倍增器后，形成以A/B交替多层并且层数为2*2n层的微纳层叠地膜材料或者形成以A/B/C交替多层并且层数为3*2n层的微纳层叠地膜材料，然后2个保护层物料挤出机分别挤出保护层物料D与E，在层叠地膜材料上下层形成保护层，在经过吹膜模头及冷却风环，最终由牵引装置及收卷装置得到相应的具备保护层微纳层叠地膜。
进一步的，所述挤出机温度为90℃-180℃，转速为200r/min-500r/min；所述汇流器层、层倍增器、吹膜模头区温度为155℃-190℃。
进一步的，所述微纳层叠共挤吹膜技术中单个层倍增器工作原理为：
单个层倍增器可将汇流器中汇流的层状聚合物熔体垂直切割成两部分，其中一部分流入向上的鱼尾形流道实现横向展宽纵向减薄，另一部分流入向下的鱼尾形流道实现横向展宽纵向减薄，展宽减薄后的两部分熔体在重新叠合，流动并蔓延到底部通道，通过切割-展宽/减薄-叠合原理，实现层数倍增。
进一步的，所述微纳层叠共挤吹膜技术中吹膜模头工作原理为：
吹膜模头将层倍增器产生的截面为矩形的多层熔体流，包络成环状多层熔体流，在出口处形成壁厚均匀的多层环状熔胚，并可通入压缩气体，将多层环状熔胚吹胀层多层膜泡。
有益效果：
本发明的有益效果体现在：
1、微纳层叠薄膜是一种将十几至上千层的材料交替层叠复合在一起的膜材料。其独特的微纳米层结构、层状受限空间与丰富的二维层界面等特点，可以使得微纳层叠薄膜在阻隔、光学透明性及力学等方面表现出普通多层薄膜(层数≤13)难以比拟的优势；
2、当地膜中各组分沿受力方向以层状平行排布时，其力学性能对整个复合体系的贡献将达到最大。层状排布不仅可以赋予材料高力学强度，还可大幅提高材料的力学韧性。交替层状结构中平行排布的层界面也被认为是对气体或液体小分子高效阻隔的关键。高层数体系丰富的界面增加了气体小分子的扩散路径；
3、将高阻水材料以层数高达上千、层厚低至数十纳米的“微纳米层结构”分布在微纳层叠薄膜中，通过对水汽分子的“数上千次阻碍”提升复合薄膜的阻水性能。与普通多层结构相比，微纳层叠结构可通过阻隔效率更高的“微纳层叠分布”机制提升阻隔性能，是构筑高阻隔薄膜材料的理想模型；
4、将力学性能不同的聚合物复合为多层薄膜，可实现力学性能叠加。而在微纳层叠薄膜中，其层结构产生力学协同增强效应，产生“1+1＞2”的效果，综合表现出更加优异的撕裂强度、抗穿刺性能及断裂韧性等；
5、利用微纳层叠分布提升阻隔效率，通过层状受限结晶实现材料阻隔自增强，赋予复合地膜突出的阻水性能；借助微纳层叠结构优势充分发挥材料的力学支撑层材“弱而韧”及水蒸气阻隔层材料的“强而脆”的力学特征，赋予复合地膜优异的撕裂强度等力学性能。
6、微纳层叠薄膜中的单层厚度可低至数十纳米，远小于可见光的波长范围(380-780nm)，且层界面平行排列，允许可见光直接穿过，因而，微纳层叠薄膜具有突出的光学透明性。所以将微纳层叠结构引入到降解地膜中，可以实现降解地膜阻水性能较大幅度提升的同时兼顾对力学性能的提升，并且还能使其制备出的地膜具有较高的透明性，优势十分明显。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例制备以A/B交替多层并且层数为2*2n层的微纳层叠地膜过程示意图；
图2为本申请实施例制备以A/B/C交替多层并且层数为3*2n层的微纳层叠地膜过程示意图；
图3为本申请实施例制备以A/B交替多层、以D为外保护层，E为内保护层，并且层数为2*2n+2层的微纳层叠地膜过程示意图；
图4为本申请实施例制备以A/B/C交替多层、以D为外保护层，E为内保护层，并且层数为3*2n+2层的微纳层叠地膜过程示意图；
图5为本申请实施例中微纳层叠共挤吹膜技术及其层倍增器工作原理图(以A/B交替层2层为例)；
图6为本申请实施例制备以A/B交替多层并且层数为2*2n层的微纳层叠地膜流程图；
图7为本申请实施例制备以A/B/C交替多层并且层数为3*2n层的微纳层叠地膜流程图；
图8为本申请实施例制备以A/B交替多层、以D为外保护层，E为内保护层，并且层数为2*2n+2层的微纳层叠地膜流程图；
图9为本申请实施例制备以A/B/C交替多层、以D为外保护层，E为内保护层，并且层数为3*2n+2层的微纳层叠地膜流程图；
图10为本申请实施例1中制备的32、128与512层PBAT/PPC微纳层叠地膜电镜图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
按照图5所示，层倍增器工作原理图，完成实施例中材料制备。
实施例1
按照图1和图6所述，一种微纳多层生物可降解地膜，包括以下原料：
力学支撑层材料A：聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯(PBAT)物料；
阻水层材料B：二氧化碳-环氧丙烷共聚物(PPC)物料。
按照图6的流程图，制备微纳多层生物可降解地膜，包括以下步骤：
将PPC和PBAT物料放于鼓风干燥烘箱中干燥。
用图6所示流程图进行制备，在两台挤出机的汇流器处分别串联接入2、4、6、8个层倍增器，然后在层倍增器后依次接好吹膜口模，冷却风环，牵引装置。串联2、4、6、8个层倍增器可以实现吹制的薄膜具备8、32、128、512层的多层结构。
挤出机#1料筒一区、二区、三区、四区以及汇流器前端区温度设置分别为：125℃、170℃、170℃、170℃、180℃，转速为300r/min；挤出机#2料筒一区、二区、三区、四区以及汇流器前端区温度设置分别为：90℃、130℃、165℃、165℃、165℃，转速为300r/min；汇流器区、层倍增器区、模头一区、模头二区温度设置分别为：180℃、165℃、165℃、155℃。
向挤出机#1和#2中分别加入事先烘好的聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯(PBAT)以及二氧化碳-环氧丙烷共聚物(PPC)物料，进行吹膜。吹制出的薄膜即为具备32、128、512层结构的多层生物可降解薄膜，如图10所示。
实施例2
按照图2和图7所述，一种微纳多层生物可降解地膜，包括以下原料：
力学支撑层材料A：聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯(PBAT)物料50份、聚乳酸(PLA)物料50份；
阻水层材料B：二氧化碳-环氧丙烷共聚物(PPC)物料；
功能层C：聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯(PBAT)物料100份，耐老化剂2，6-二叔丁基对甲酚0.2份，抗水解剂双(2,6-二异丙基苯基)碳二亚胺0.2份，抗紫外助剂4-羟基二苯甲酮0.4份。
按照图7所述制备微纳多层生物可降解地膜，包括以下步骤：
将物料放于鼓风干燥烘箱中干燥。
用图7所示流程图进行制备，在挤出机#1、#2以及#3的汇流器处串接4个层倍增器，然后在层倍增器后依次接好吹膜口模，冷却风环，牵引装置。串接4个层倍增器可以实现吹制的薄膜具备48层的多层结构。
挤出机#1料筒一区、二区、三区、四区以及汇流器前端区温度设置分别为：135℃、180℃、180℃、180℃、190℃，转速为200r/min；挤出机#2料筒一区、二区、三区、四区以及汇流器前端区温度设置分别为：90℃、130℃、165℃、165℃、165℃，转速为200r/min；挤出机#3料筒一区、二区、三区、四区以及汇流器前端区温度设置分别为：125℃、170℃、170℃、170℃、180℃，转速为200r/min；汇流器区、层倍增器区、模头一区、模头二区温度设置分别为：190℃、175℃、175℃、165℃。
向挤出机#1中加入烘好的聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯(PBAT)与聚乳酸(PLA)共混物物料；向挤出机#2中加入烘好的二氧化碳-环氧丙烷共聚物(PPC)物料；向挤出机#3中加入含有耐老化剂，抗水解剂以及抗紫外助剂的聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯(PBAT)物料进行吹膜。吹制出的薄膜即为具备48层结构的多层生物可降解薄膜。
实施例3
按照图3和图8所述，一种微纳多层生物可降解地膜，包括以下原料：
力学支撑层材料A：聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯(PBAT)物料50份、聚乳酸(PLA)物料50份；
阻水层材料B：二氧化碳-环氧丙烷共聚物(PPC)物料；
外保护层材料D：聚乳酸(PLA)物料100份，抗紫外助剂4-羟基二苯甲酮0.4份，热稳定剂硬脂酸钙0.2份，抗氧化剂硫代二丙酸二月桂酯0.2份
内保护层材料E：聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯(PBAT)物料100份，热稳定剂硬脂酸钙0.2份，抗氧化剂硫代二丙酸二月桂酯0.2份
按照图8所述，微纳多层生物可降解地膜，包括以下步骤：
将物料放于鼓风干燥烘箱中干燥。
按照图8所示流程图进行制备，在挤出机#1和#2的汇流器处并联接入4个层倍增器，然后在层倍增器出口处与挤出机#3以及挤出机#4连接，再其后依次接好吹膜口模，冷却风环，牵引装置。原理上来说接入的4个层倍增器可以实现吹制的薄膜具备34层的多层结构。
挤出机#1料筒一区、二区、三区、四区以及汇流器前端区温度设置分别为：135℃、180℃、180℃、180℃、190℃，转速为300r/min；挤出机#2料筒一区、二区、三区、四区以及汇流器前端区温度设置分别为：90℃、130℃、165℃、165℃、165℃，转速为300r/min；挤出机#3料筒一区、二区、三区、四区温度设置为：145℃、180℃、180℃、180℃，转速为300r/min；挤出机#4料筒一区、二区、三区、四区温度设置为：125℃、170℃、170℃、170℃，转速为300r/min；汇流器区、层倍增器区、模头一区、模头二区温度设置分别为：190℃、175℃、175℃、165℃。
向挤出机#1中加入烘好的聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯(PBAT)与聚乳酸(PLA)共混物物料；向挤出机#2中加入烘好的二氧化碳-环氧丙烷共聚物(PPC)物料；向挤出机#3中加入含有抗紫外助剂，热稳定剂以及抗氧化剂的聚乳酸(PLA)物料；向挤出机#4中加入含有热稳定剂和抗氧化剂的聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯(PBAT)物料，进行吹膜。吹制出的薄膜即为具备34层结构的多层生物可降解薄膜。
实施例4
按照图4和图9所述，一种微纳多层生物可降解地膜，包括以下原料：
力学支撑层材料A：聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯(PBAT)物料50份、聚乳酸(PLA)物料50份；
阻水层材料B：二氧化碳-环氧丙烷共聚物(PPC)物料50份、聚乙醇酸(PGA)物料50份；
功能层材料C：聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯(PBAT)物料100份，耐老化剂2，6-二叔丁基对甲酚0.2份，抗水解剂双(2,6-二异丙基苯基)碳二亚胺0.2份，抗紫外助剂4-羟基二苯甲酮0.4份
外保护层材料D：聚乳酸(PLA)物料100份，抗紫外助剂4-羟基二苯甲酮0.4份，热稳定剂硬脂酸钙0.2份，抗氧化剂硫代二丙酸二月桂酯0.2份
内保护层材料E：聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯(PBAT)物料100份，热稳定剂硬脂酸钙0.2份，抗氧化剂硫代二丙酸二月桂酯0.2份
按照图9所述，微纳多层生物可降解地膜，包括以下步骤：
将物料放于鼓风干燥烘箱中干燥。
按照图9所示流程图进行制备，在挤出机#1、#2以及#3的汇流器处并联接入4层倍增器，然后在层倍增器出口处与挤出机#4以及挤出机#5连接，再其后依次接好吹膜口模，冷却风环，牵引装置。接入4层倍增器可以实现吹制的薄膜具备50层的多层结构。
挤出机#1料筒一区、二区、三区、四区以及汇流器前端区温度设置分别为：135℃、180℃、180℃、180℃、190℃，转速为200r/min；挤出机#2料筒一区、二区、三区、四区以及汇流器前端区温度设置分别为：90℃、130℃、165℃、165℃、165℃，转速为200r/min；挤出机#3料筒一区、二区、三区、四区以及汇流器前端区温度设置分别为：125℃、170℃、170℃、170℃、180℃，转速为200r/min；挤出机#4料筒一区、二区、三区、四区温度设置为：145℃、180℃、180℃、180℃，转速为300r/min；挤出机#5料筒一区、二区、三区、四区温度设置为：125℃、170℃、170℃、170℃，转速为300r/min；汇流器区、层倍增器区、模头一区、模头二区温度设置分别为：190℃、175℃、175℃、165℃。
向挤出机#1中加入烘好的聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯(PBAT)与聚乳酸(PLA)共混物物料；向挤出机#2中加入烘好的二氧化碳-环氧丙烷共聚物(PPC)物料与聚乙醇酸(PGA)物料共混物物料；向挤出机#3中加入含有耐老化剂，抗水解剂以及抗紫外助剂的聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯(PBAT)物料；向挤出机#4中加入含有抗紫外助剂，热稳定剂以及抗氧化剂的聚乳酸(PLA)物料；向挤出机#5中加入含有热稳定剂和抗氧化剂的聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯(PBAT)物料，进行吹膜。吹制出的薄膜即为具备50层结构的多层生物可降解薄膜。
实验分析：
实验组1：本发明实施例1所制备的微纳多层生物可降解地膜，形成实验组1，分别制备具有PBAT与PPC交替排布的8、32、128、512层地膜，膜厚均为10um；
对照组1：其他步骤与实施例1步骤一致，区别在于挤出机只使用PBAT与PPC共混料(PBAT与PPC的比列与实施例1所制备的复合层叠地膜中PBAT与PPC比例相同)，形成只具备单层结构PBAT/PPC共混地膜对照组1。
对照组2：其他步骤与实施例1步骤一致，区别在于挤出机只使用PBAT一种物料，制备具备单层结构PBAT地膜对照组2，。
实验结果如表1
表1所制备的层叠地膜、共混地膜、单层地膜的性能(层厚为10um)
Figure GDA0004191706460000151
通过上述实施例，可以得到：
本发明所提供的一种微纳多层共挤出生物可降解地膜及其制备方法，由该方法制备的微纳多层生物可降解地膜具有较好的水蒸气阻隔性能与优异的力学性能，在生物可降解地膜领域具备着独特的优势和应用前景。
另外的，将制备出的实施例1和薄膜选取部分进行脆断，通过电镜观察了其层结构，如图10所示，从图10中可以看到层数可达512层，单层厚度低至20纳米，层结构比较清晰，进一步佐证了该发明可以成功制备出微纳多层结构的薄膜。
综上所述，本发明提供了通过层叠复合提升阻水保温保墒及力学性能的可降解地膜，本发明采用力学支撑材料、阻水材料及功能材料通过微纳层叠共挤吹膜技术制备提升阻水保温保墒及力学性能的可降解地膜，并通过保护层进行保护，提升阻水保温保墒及力学性能的可降解地膜的制备方法为物料真空干燥→物料塑化挤出→层数倍增→包络成环→吹胀成型→风环冷却→牵引辊牵引→薄膜收卷，此种微纳层叠薄膜是一种将十几至上千层的材料交替层叠复合在一起的膜材料。其独特的纳米层结构、层状受限空间与丰富的二维层界面等特点，可以使得微纳层叠薄膜在阻隔、光学透明性及力学等方面表现出普通多层薄膜难以比拟的优势。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，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技术内容作出些变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 (4)

1.通过层叠复合提升阻水保温保墒及力学性能的可降解地膜，其特征在于，所述可降解地膜的制备原料包括：
力学支撑层材料A、阻水层材料B、功能层材料C；
所述力学支撑层材料A选自聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯PBAT、聚乳酸PLA、聚己内酯PCL、聚丁二酸丁二醇酯PBS中的一种或者多种；
所述阻水层材料B选自二氧化碳-环氧丙烷共聚物PPC、聚羟基脂肪酸酯PHAs、聚乙醇酸PGA中的一种或者多种；
所述功能层材料C为聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯PBAT与耐老化剂、抗水解剂及抗紫外助剂组成；
当选择力学支撑层材料A与阻水层材料B制备可降解地膜一时：
利用微纳层叠共挤吹膜技术，将力学支撑材料A与阻水层材料B塑化后形成A/B后，经过n次重复层叠形成以A/B交替多层并且层数为2*2n层的可降解地膜一，其中，n为大于等于1的整数；
当选择力学支撑层材料A、阻水层材料B及功能层材料C制备可降解地膜二时：
利用微纳层叠共挤吹膜技术，将力学支撑材料A、阻水层材料B及功能层材料C塑化后形成A/B/C后，经过n次重复层叠形成以A/B/C交替多层并且层数为3*2n层的可降解地膜二，其中，n为大于等于1的整数；
所述可降解地膜一和可降解地膜二还包含有保护层；所述保护层为内保护层和外保护层，内保护层由保护层材料D或者保护层材料E组成；外保护层由保护层材料D或者保护层材料E组成；
所述保护层材料D为聚乳酸PLA与抗紫外助剂、热稳定剂、抗氧化剂组成；
所述保护层材料E为聚对苯二甲酸乙二酸-丁二酯PBAT、热稳定剂、抗氧化剂组成；
所述保护层塑化后通过共挤吹膜技术复合在可降解地膜一和可降解地膜二的内外层，形成具备保护层的可降解地膜；
所述耐老化剂选自2，6-二叔丁基对甲酚；
所述抗水解剂选自双(2,6-二异丙基苯基)碳二亚胺，所述抗紫外助剂选自4-羟基二苯甲酮；
所述热稳定剂选自硬脂酸钙，抗氧化剂选自硫代二丙酸二月桂酯。
2.如权利要求1所述的通过层叠复合提升阻水保温保墒及力学性能的可降解地膜，其特征在于，所述可降解地膜制备方法包括如下步骤：
S1：组装设备：按照可降解地膜的物料数量，并联组装物料A、B挤出机或A、B、C挤出机，挤出机后连接汇流器，汇流器连接n个层倍增器，层倍增器后依次连接吹膜模头、冷却风环、牵引装置、收卷装置、设定各装置温度及转速条件、打开冷却风环、牵引装置及收卷装置，其中n大于等于1；
S2：分层准备：分别将相应原料粒料进行真空干燥,干燥后分别加入挤出机，挤出机塑化后进入汇流器，在汇流器中形成A/B或者A/B/C层叠物料，经过n个层倍增器后，形成以A/B交替多层并且层数为2*2n层的微纳层叠地膜材料或者形成以A/B/C交替多层并且层数为3*2n层的微纳层叠地膜材料，在经过吹膜模头及冷却风环，最终由牵引装置及收卷装置得到相应的微纳层叠地膜；
所述微纳层叠共挤吹膜技术中单个层倍增器工作原理为：
单个层倍增器可将汇流器中汇流的层状聚合物熔体垂直切割成两部分，其中一部分流入向上的鱼尾形流道实现横向展宽纵向减薄，另一部分流入向下的鱼尾形流道实现横向展宽纵向减薄，展宽减薄后的两部分熔体在重新叠合，流动并蔓延到底部通道，通过切割-展宽/减薄-叠合原理，实现层数倍增；
所述微纳层叠共挤吹膜技术中吹膜模头工作原理为：
吹膜模头将层倍增器产生的截面为矩形的多层熔体流，包络成环状多层熔体流，在出口处形成壁厚均匀的多层环状熔胚，并可通入压缩气体，将多层环状熔胚吹胀层多层膜泡。
3.如权利要求1所述的通过层叠复合提升阻水保温保墒及力学性能的可降解地膜，其特征在于，所述可降解地膜制备方法包括如下步骤：
S1：组装设备：按照可降解地膜的物料数量，并联组装物料A、B挤出机或A、B、C挤出机，挤出机后连接汇流器，汇流器连接n个层倍增器，层倍增器出口处上下位置并联连接2个保护层物料挤出机，2个保护层物料挤出机后依次连接吹膜模头、冷却风环、牵引装置、收卷装置、设定各装置温度及转速条件、打开冷却风环、牵引装置及收卷装置，其中n大于等于1；
S2：分层准备：分别将相应原料粒料进行真空干燥,干燥后分别加入挤出机，挤出机塑化后进入汇流器，在汇流器中形成A/B或者A/B/C层叠物料，经过n个层倍增器后，形成以A/B交替多层并且层数为2*2n层的微纳层叠地膜材料或者形成以A/B/C交替多层并且层数为3*2n层的微纳层叠地膜材料，然后2个保护层物料挤出机分别挤出保护层物料D与E，在层叠地膜材料上下层形成保护层，在经过吹膜模头及冷却风环，最终由牵引装置及收卷装置得到相应的具备保护层微纳层叠地膜；
所述微纳层叠共挤吹膜技术中单个层倍增器工作原理为：
单个层倍增器可将汇流器中汇流的层状聚合物熔体垂直切割成两部分，其中一部分流入向上的鱼尾形流道实现横向展宽纵向减薄，另一部分流入向下的鱼尾形流道实现横向展宽纵向减薄，展宽减薄后的两部分熔体在重新叠合，流动并蔓延到底部通道，通过切割-展宽/减薄-叠合原理，实现层数倍增；
所述微纳层叠共挤吹膜技术中吹膜模头工作原理为：
吹膜模头将层倍增器产生的截面为矩形的多层熔体流，包络成环状多层熔体流，在出口处形成壁厚均匀的多层环状熔胚，并可通入压缩气体，将多层环状熔胚吹胀层多层膜泡。
4.如权利要求2-3所述的通过层叠复合提升阻水保温保墒及力学性能的可降解地膜，其特征在于，所述挤出机温度为90℃-180℃，转速为200r/min-500r/min；所述汇流器、层倍增器、吹膜模头区温度为155℃-190℃。
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