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农用地膜是什么材料

文章出处:http://www.shuotaifilm.com/ 作者:地膜厂家 人气:

  农用地膜与种子、农药、化肥并称为四大农业生产资料,农用地膜材料的发展先后经历了稻草、纸基复合材料和高分子材料三个阶段,目前主要采用聚乙烯(PE)。1948年,肯塔基大学的E.M.Emmert教授最早将PE用作温室薄膜材料,随后PE地膜开始应用于蔬菜种植。1960年,P.E.Waggoner等通过对比不同材料地膜的农田实验结果,指出PE是最有效的地膜生产材料。然而,PE地膜在自然条件下极难降解,又很难回收再次使用,目前的处理手段主要是掩埋或焚烧供能。这不仅造成石油等非可再生资源的大量浪费,也给生态环境带来巨大压力,成为当前制约农业绿色发展的突出环境问题之一。

  近年来,随着新材料合成技术的不断发展,生物降解地膜的开发受到学术界和工业界的广泛关注。生物降解地膜是指在自然环境下被土壤中的微生物作用降解生成无毒小分子(CO2和H2O),对生态环境不造成危害的一类塑料地膜。已有研究表明,生物降解地膜具有与传统PE地膜相近的增温保墒、抑制杂草等功能,并且能够彻底解决地膜使用后的残留问题,因此有望替代PE地膜广泛应用于农作物种植领域。

  目前,生物降解高分子材料的来源主要有以下两类:(1)天然生物降解高分子材料来源于自然界,能够自然分解且产物无毒,常见的有淀粉、纤维素、甲壳质等。(2)人工合成生物降解材料,将具有降解性能的酯基结构单元引入脂肪族和芳香族聚酯类材料中,以实现其在自然界中被微生物分解的目的,常见的有聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚羟基丁酸酯(PHB) 和聚( 己二酸丁二酯-co-对苯二甲酸丁二酯)(PBAT) 等。但并不是所有的生物降解高分子材料都适用于生产农用地膜,鉴于对农用地膜材料力学性能、加工性能、热性能、降解周期和生产成本等综合因素的考虑,主要综述了淀粉、PLA和PBAT基生物降解地膜的研究现状及存在问题,并对生物降解地膜在农业领域的应用前景进行展望。

  淀粉基生物降解地膜

  淀粉虽然来源丰富、价格低廉,但由于分子间存在强的氢键作用而表现出差的热塑性、力学性能和强的吸湿性,因此需要与其它高分子材料共混以改善其加工性能和力学性能。

  全淀粉降解地膜具有力学性能和耐水性较差的缺点,同时由于降解速率过快,很难真正保护农作物的生长。而综合性能优良的改性淀粉基地膜目前不能实现100%的生物降解,残余的PE等非生物降解成分会对土壤造成污染。因此,淀粉基地膜未来的研究重点是确保其完全生物降解的前提下,进一步改善力学性能和加工性能,同时合理延长降解周期,以满足农作物的生长需求。

  PLA基生物降解地膜

  PLA基地膜普遍存在脆性大、柔性差的问题,因此需对其进行增韧改性。常用的增韧改性物质包括小分子增塑剂、无机纳米粒子和柔性高分子。

  将PLA与PHB,PCL等柔性可降解聚酯共混,在提高PLA基地膜韧性的同时,还能确保PLA基地膜在自然条件下完全降解。但是相比于淀粉基生物降解地膜,PLA的降解过程更为复杂,通常情况下PLA先水解生成低分子量的低聚物,然后水解产物再被微生物分解成为CO2 和H2O。因此,今后在降低PLA生产成本、提高PLA薄膜韧性的同时,还需要调控PLA基生物降解地膜的降解速率,以满足不同区域、不同生长周期农作物的覆膜栽培需求。

  PBAT基生物降解地膜

  PBAT是一种新型可降解芳香族共聚酯,其重复结构单元由对苯二甲酸丁二醇酯刚性链段(BT) 和己二酸丁二醇酯柔性链段(BA) 组成,因此PBAT既具有脂肪族聚酯良好的生物可降解性和柔韧性,又具有芳香族聚酯良好的力学性能和耐热性。更重要的是,PBAT可采用传统的PE薄膜加工设备进行吹膜成型,非常适合生成薄膜类制品,是目前研究最为热门的生物降解地膜材料。

  不过由于PBAT自身过于柔韧,制成薄膜制品的刚性、挺度较低,同时价格昂贵,使其在农业领域的应用受限。淀粉和PLA具有高的刚性和相对较低的生产成本,两者对于PBAT而言都是理想的增强改性材料。

  对于PLA增强PBAT而言,由于PBAT和PLA的溶度参数相差较大,若将两者直接共混容易发生相分离,需添加界面增容剂改善两者的界面结合。例如,环氧类化合物Joncryl ADR可以借助自身的环氧类官能团分别与PBAT,PLA中的羟基、羧基反应生成酯键,增加分子链长度,显著改善PLA与PBAT的界面相容性,从而提高PBAT/PLA共混物薄膜的熔体强度、力学性能和热稳定性。除此之外,过氧化二异丙苯(DCP),甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA),2,2-(1,3-亚苯基)-二噁唑啉(BOZ) 和金属酯类催化剂也可用于PBAT/PLA共混物的增容改性。

  虽然PBAT基生物降解地膜的综合性能足以媲美传统的PE地膜,也能实现完全生物降解,但是目前PBAT基生物降解地膜的市场价格是PE地膜的3~5 倍,因此还未在农业生产领域获得大规模的推广应用。

  结语

  为解决传统PE地膜在自然条件下无法降解而造成的“白色污染”问题,我国在2019年颁布实施的《中华人民共和国土壤污染防治法》中明确提出“国家鼓励和支持农业生产者使用生物可降解农用薄膜”。大量研究表明,PBAT基生物降解地膜具有优异的力学性能、加工性能,以及与PE地膜相近的保温增产效果,是目前公认替代PE生产农用地膜的最佳生物降解高分子材料。现阶段,PBAT基生物降解地膜的厚度为40~50 μm,而产业化PE地膜的厚度仅为10 μm左右,如果能够合理降低薄膜厚度,就能明显降低PBAT基生物降解地膜的生产成本。不过,薄膜的厚度越薄,对制膜工艺的要求就越苛刻,也对高分子材料的熔体强度和膜泡稳定性提出更高要求,这将是今后PBAT基生物降解地膜的研究重点和难点。


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