杀菌型水稻秸秆纤维基地膜制造工艺参数优化研究

陈海涛，陈双超，刘 爽



杀菌型水稻秸秆纤维基地膜制造工艺参数优化研究

陈海涛，陈双超，刘 爽

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

为提高农药有效利用率、减少农药使用量，对负载广谱杀菌剂多菌灵的杀菌型水稻秸秆纤维基地膜制造工艺参数组合进行了优化研究。应用四因素五水平二次正交旋转中心组合试验方法，以湿强剂、施胶剂、胶黏剂浓度和涂层厚度为影响因子，选择杀菌型水稻秸秆纤维基地膜的干抗张力、湿抗张力、透气度、降解周期、农药有效利用率为响应函数，实施了组合试验，结果表明：当工艺参数组合为湿强剂质量分数0.8%～0.9%、施胶剂质量分数0.5%～0.7%、胶黏剂浓度2.0%、涂布厚度20m时，杀菌型水稻秸秆纤维基地膜干抗张力≥35 N、湿抗张力≥15 N、透气度≤2m/（Pa·s）、降解周期≥60 d、农药有效利用率≥80%。研究结果表明该地膜不仅提高了秸秆纤维基地膜的各项性能指标且增加了秸秆纤维基地膜的杀菌功能，而且为广谱杀菌剂多菌灵增效减量和广谱杀菌型水稻秸秆纤维基地膜的研发提供了参考依据。

农药；膜；秸秆；杀菌；优化

0 引 言

目前，中国农业生产中农药使用比较大，施药方法不够科学，造成生产成本增加，农产品残留过剩、作物出现植物毒性、环境污染等问题[1-4]。针对上述问题，为了实现农业的绿色可持续发展，农业部制定了《到2020年农药使用量零增长行动方案》[5]。

农药控制释放技术是提高农药利用率，减少农药用量，减少污染的有效方法。目前通过与聚合物（或黏土）复合实现农药的控制释放[6]，主要剂型包括均一体、微胶囊、吸附型制剂、化学型缓释剂等。秸秆纤维基地膜是以农作物秸秆为原料制成的可完全降解型地膜，在覆盖栽培过程中具有增温、保墒、抑草、保肥、防止水土流失的功效[7-10]。如果以秸秆纤维基地膜为载体，将农药负载于其上，可利用膜下避光环境提高药剂的稳定性，并产生缓释的效果，延长持效期，提高药效，形成多功能全降解地膜。但目前相关研究鲜有报道[11-13]。

本研究拟采用涂布的方式，以壳聚糖为胶黏剂，将广谱型杀菌剂多菌灵负载于水稻秸秆纤维基地膜上，研究分析湿强剂、施胶剂、胶黏剂浓度和涂层厚度的变化对地膜力学性能及农药缓释性能的影响，探索杀菌型秸秆纤维基地膜的最佳制造工艺参数，为杀菌型秸秆纤维基地膜的开发提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与仪器设备

试验材料：秸秆纤维（2017年收获东农425水稻），未漂硫酸盐针叶木桨板；功能助剂：中性施胶剂（浓度15%）、湿强剂（浓度15%）；胶黏剂：壳聚糖（北京博奥拓达科技有限公司）；农药：多菌灵（江苏省江阴市福达农化有限公司，有效成分80%）；检验试剂：二氯甲烷、盐酸、氨水、甲醇、石油醚。以上试剂均为分析纯。

试验设备：ZT4-00瓦利打浆机（中通试验设备公司），ZJG-100打浆度测定仪、ZCX-A纸页成型设备、ZL-3006 摆锤式纸张抗张力测量仪器、纸张透气度测量仪器（月明试验装置有限公司），YB502电子秤（精度0.01 g，海康电子设备有限公司），DGG-9070AD恒温电热干燥箱（森信实验设备有限公司），T6新世纪紫外光分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司），MS-RL320实验室刮刀涂布机（睿林机械科技有限公司），数显测厚规（精度0.001 m，上海本杉仪器设备有限公司），电子恒温水浴箱（虞龙设备有限公司），SIGMA3-30k离心机（北京思达兴业仪器有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 因素水平

以木浆纤维为骨架、水稻秸秆纤维为填充，控制地膜定量60 g/m2、打浆度（35±1）°SR、多菌灵的载药量为0.083 g/m2。采用四因素五水平二次正交旋转中心组合试验方法，选择湿强剂、施胶剂、胶黏剂浓度和涂层厚度为影响因子，干抗张力、湿抗张力、透气度、降解周期、农药有效利用率为评价指标，因素水平编码表如表1所示，试验方案如表2。

表1 因素水平编码表

1.2.2 性能指标

将制备的膜片在18 ℃室温及30%～40%的相对湿度下静置24 h，参照GB/T12914-2008《纸与纸板抗张力的测定》测试干、湿抗张力；参照GB/T458-2008《纸与纸板透气度的测定》进行透气度换算，如公式（1）所示，每组试验重复10次取平均值。

式中为透气度，m/（Pa·s）；为一定时间内通过膜片的气体容积，mL；Δ为膜片两侧压差，kPa；为测定时间，s。

借鉴GB/T12914-2008《纸与纸板抗张力的测定》将36组试验样片布置于盆栽中，每组样片3次重复，在药膜覆盖并降解期间，选择可裁剪部分提取测试试样，进行残余干抗张力测定，可得干抗张力随着时间推移的变化趋势。根据降解周期的趋势，计算出干抗张力为0时的时间，即药膜的降解周期。

参照GB/T5009.188-2003《蔬菜、水果中甲基托布津、多菌灵的测定》测定多菌灵的标准曲线。采用紫外分光光度法[14]将36组样片每组重复3次布置于盆栽中，种植韭菜，测定在韭菜灰霉病期间土壤中多菌灵的累积量，进行土壤中多菌灵有效利用率的换算[15]（简称“农药有效利用率”），如公式（2）所示，每组重复10次取平均值。

应用Design-Expert6.0.10软件进行数据分析[16]。

表2 试验方案与结果

1.3 制膜工艺流程

水稻秸秆与针叶木浆板分别打浆→配浆添加湿强剂和施胶剂→抄膜→烘干成型→胶黏剂和多菌灵溶液混合后进行涂布→成型→性能指标测定。

1）打浆：先分别将水稻秸秆及针叶木浆按照GB/T24325-2009《纸浆瓦利（valley）打浆机法》疏解制备，测出其浓度以备配浆时使用[17-18]。

2）配浆：根据绝干浆定量，按比例混合水稻秸秆浆和针叶木浆，按比例添加湿强剂和施胶剂。

3）抄膜：参照GB/T24325-2009《纸浆瓦利（valley）打浆机法》进行压膜、烘干，完成膜片制造。

4）涂布：按照试验方案将多菌灵溶液与不同浓度的胶黏剂混合后，通过计量棒涂布于膜片表面，室温下静置成型[19]。

2 结果与讨论

2.1 试验结果

试验结果如表2所示。

2.2 回归模型

对试验结果进行分析，干抗张力1、湿抗张力2、透气度3、降解周期4、农药有效利用率5的二次项模型有意义（<0.000 1），在信度0.05下进行检验，剔除非显著项，得各目标函数回归模型如式（3）－（7）所示。

式中1为湿强剂，%；2为施胶剂，%；3为胶黏剂浓度，%；4为涂层厚度，m。

2.3 回归模型方差分析

对式（3）～（7）进行方差分析，结果如表3所示。

由表3可知，每个指标回归项值<0.05，说明回归方程极显著；拟合项的值>0.05，说明模型拟合好。

表3 回归模型方差分析

2.4 各因素对各项性能指标影响规律

2.4.1 涂布前后性能对比

对涂布前后水稻秸秆纤维基地膜进行电镜扫描，涂布前后地膜的微观形态如图1所示，可以明显看出，由于胶黏剂和农药的混合物装填在纤维间，减少了纤维间的孔隙度，提高了地膜表面平整度。基于预试验可知，干抗张力和湿抗张力随着涂布厚度和胶黏剂浓度的增加均有所增加，在涂层厚度为10～20m，胶黏剂浓度为1.0%～2.0%时，由于胶黏剂的黏附作用能够加强纤维间的作用力，干抗张力和湿抗张力明显增加，在涂层厚度为20～30m，胶黏剂浓度为2.0%～3.0%时，由于胶黏剂浓度越大，流动性越差，涂层厚度越大，涂层均匀度越差，使得干抗张力和湿抗张力增长趋势趋缓。

注：试验温度25 ℃，放大倍数400×，标尺100m。

Note: Images were obtained at 25 ℃, magnification 400×, the bar accounts for 100m.

图1 涂布前后地膜微观形态

Fig.1 Micromorphology of film before and after coating

2.4.2 干抗张力

1）干抗张力影响规律见图2，施胶剂质量分数和胶黏剂浓度对干抗张力的影响如图2a所示。在湿强剂质量分数0.8%，涂层厚度20m的条件下，干抗张力与施胶剂质量分数呈正相关，随着施胶剂质量分数的增大，干抗张力缓慢增大，这是由于施胶体系中，施胶组分和纤维之间的结合，分为稳定的强键结合和不稳定的弱键结合[20]，随着施胶剂质量分数的不断增大，形成稳定强键的数量不断增多，但由于施胶剂质量分数不高，所以干抗张力增加缓慢；随着胶黏剂浓度的增加，干抗张力快速增大，因为壳聚糖的含量逐渐增大，壳聚糖分子中存在着许多氨基的亲核基团[21]，可以在木素纤维大分子链上发生键合，胶黏剂浓度越大，干抗张力越大。

由图2a可知，胶黏剂浓度对干抗张力的影响程度大于施胶剂质量分数，最大值出现在施胶剂质量分数0.7%、胶黏剂浓度3.0%。

2）胶黏剂浓度和涂层厚度对干抗张力的影响如图2b所示。在湿强剂质量分数0.8%，施胶剂质量分数0.5%的条件下，干抗张力随着胶黏剂浓度的增加呈现明显上升趋势，因为木浆中含有的木素酚-OH[22]，能与壳聚糖所含的-NH2形成离子键，从而有效提升干抗张力，胶黏剂浓度越大，形成的离子键越多，干抗张力越大；随着涂层厚度的增加，胶黏剂质量增大，与纤维间形成的作用力增大，且胶黏剂质量越大黏度越大[23-24]，纤维间互相粘连，使得干抗张力迅速增大。

由图2b可知，胶黏剂浓度对干抗张力的影响程度大于涂层厚度，最大值出现在胶黏剂浓度3.0%、涂层厚度30m。

注：图2a中湿强剂质量分数0.8%，涂层厚度20m；图2b中湿强剂质量分数0.8%，施胶剂质量分数0.5%。

Note: In figure 2a wet strength agent0.8%, coating thickness 20m；in figure 2b wet strength agent 0.8%, sizing agent 0.5%.

图2 施胶剂质量分数和胶黏剂浓度和胶黏剂浓度和涂层厚度对干抗张力的影响

Fig.2 Effects of sizing agent and adhesive concentration and adhesive concentration and coating thickness on dry tensile strength

2.4.3 湿抗张力

1）湿抗张力影响规律见图3，湿强剂质量分数和涂层厚度对湿抗张力的影响如图3a所示。在施胶剂质量分数0.5%，胶黏剂浓度2.0%的条件下，随着湿强剂质量分数的增大，湿抗张力逐渐增大，因为湿强剂所带的阳离子电荷与纤维表面的负电荷通过库仑力相吸引，编织在纤维分子长直链的四周[25]，降低液体对地膜纤维的润湿作用，使湿抗张力增加；随着涂层厚度的增加，湿抗张力迅速增大，因为涂布在地膜表面的胶黏剂具有一定黏度，在湿润状态下能够更好的吸附在纤维表面和间隙中，对纤维之间进行黏连，减少液体侵入纤维间，涂层厚度越大，液体越难侵入纤维间，湿抗张力越大。

由图3a可知，涂层厚度对湿抗张力的影响程度大于湿强剂质量分数，最大值出现在湿强剂质量分数1.2%、涂布厚度30m。

注：图3a中施胶剂质量分数0.5%，胶黏剂浓度2.0%；图3b中湿强剂质量分数0.8%，涂层厚度20m。

Note: In figure 3a sizing agent 0.5%, adhesive concentration 2.0%; in figure 3b wet strength agent 0.8%, coating thickness 20m.

图3 湿强剂质量分数和涂层厚度和施胶剂质量分数和涂层厚度对湿抗张力的影响

Fig.3 Effects of wet strength agent and coating thickness and sizing agent and coating thickness on wet tensile strength

2）施胶剂质量分数和涂层厚度对湿抗张力的影响如图3b所示。在湿强剂质量分数0.8%，胶黏剂浓度2.0%的条件下，湿抗张力与湿强剂质量分数呈正相关，因为湿强剂的添加不仅保护了原有纤维间的结合，还能产生亚甲基醚键，这种新的抗水结合键限制了浆料的吸湿润胀[26]，使湿抗张力增加；湿抗张力随着涂层厚度的增大而呈快速上升的趋势，因为涂层厚度增大，使胶黏剂的质量增加，胶黏剂作用能有效减少液体对纤维的润湿作用，所以涂层厚度增大使湿抗张力迅速增大。

由图3b可知，涂层厚度对湿抗张力的影响程度大于施胶剂质量分数，最大值出现在施胶剂质量分数0.7%、涂层厚度30m。

2.4.4 透气度

1）透气度影响规律见图4，湿强剂质量分数和胶黏剂浓度对透气度的影响如图4a所示。在施胶剂质量分数80%，涂层厚度20m的条件下，湿强剂质量分数较高时，透气度随着胶黏剂浓度的增大而大幅度降低，湿强剂质量分数较低时，透气度随着胶黏剂浓度的增加呈缓慢降低趋势。因为湿强剂带有阳离子，对于带有阴离子的胶料和细小纤维有强烈的吸附作用，秸秆纤维细小且杂细胞较多，表面裸露的氨基基团能更均匀的与阳离子吸附成膜[27]，胶黏剂主要成分为壳聚糖，涂布在地膜表面会形成一层光滑透明、均匀、质密、无色略带光泽的膜[28]，隔断空气，从而降低透气度，随着湿强剂含量增加，阳离子增多，吸附作用增强，透气度下降明显。

由图4a可知，胶黏剂浓度对透气度的影响程度大于湿强剂质量分数，最小值出现在胶黏剂浓度3.0%、湿强剂质量分数1.2%。

2）施胶剂质量分数和涂层厚度对透气度的影响如图4b所示。在湿强剂质量分数0.8%，胶黏剂浓度2.0%的条件下，透气度随着施胶剂的增加而缓慢下降，因为施胶剂中具有能够直接和纤维素羟基反应的官能团，朝向纤维的反应性官能团与纤维素的羟基发生反应形成共价键，从而固着在纤维表面上，完成施胶过程[29]，从而减小透气度。透气度随着涂层厚度的增加亦呈整体下降趋势，当涂层厚度趋于30m时，透气度趋于稳定状态，不再减小，因为胶黏剂填充在纤维间隙中，形成了一层保护膜，涂布厚度越大，纤维缝隙越小，从而降低了透气度，当纤维缝隙被全部填满时，变化趋于平稳。

由图4b可知，涂层厚度对透气度的影响程度大于施胶剂质量分数，最小值出现在施胶剂质量分数0.7%、涂层厚度30m。

注：图4a中施胶剂质量分数0.5%，涂层厚度20m；图4b中湿强剂质量分数0.8%，胶黏剂浓度2.0%。

Note: In figure 4a sizing agent 0.5%, coating thickness 20m; in figure 4b wet strength agent 0.8%, adhesive concentrati0 2.0%.

图4 湿强剂质量分数和胶黏剂浓度和施胶剂质量分数和涂层厚度对透气度的影响

Fig.4 Effects of wet strength agent and adhesive concentration and sizing agent and coating thickness on air permeability

2.4.5 降解周期

1）降解周期影响规律见图5，湿强剂质量分数和涂层厚度对降解周期的影响如图5a所示。在施胶剂质量分数0.5%，胶黏剂浓度2.0%的条件下，降解周期与湿强剂质量分数呈正相关关系，因为在地膜成型时，由于相容性，使得共混物各组分彼此相互容纳，形成了宏观均匀材料[30]，湿强剂质量分数越大，与秸秆纤维发生的作用越大，形成的材料均匀性越好，彼此间产生的作用力越大，降解所需时间越长，降解周期与涂层厚度亦呈正相关关系，胶黏剂能够填充纤维间隙，使得纤维之间相互黏连，涂层越厚，填充后的纤维间黏连越紧密，纤维表面平整度越好，降解所需时间越长。

由图5a可知，涂布厚度对降解周期的影响程度大于湿强剂质量分数，最大值出现在涂布厚度30m、湿强剂质量分数1.2%。

2）施胶剂质量分数和涂层厚度对降解周期的影响如图5b所示。在湿强剂质量分数0.8%，胶黏剂浓度2.0%的条件下，降解周期随着涂层厚度的增大而逐渐增大，而且随着施胶剂质量分数增大，降解周期增大明显，因为在涂布过程中，涂层厚度越大，纤维表面胶黏剂质量越大，与纤维间的作用力越大，破坏这种作用力所需要的时间越长，而随着施胶剂质量分数的增加，纸张抄造过程中施胶剂的助留率增加[31-36]，大量施胶剂能与纤维间形成更稳固的吸附力，破坏这种力需要时间越长，降解周期越大。

由图5b可知，涂层厚度对降解周期的影响程度大于施胶剂质量分数，最大值出现在施胶剂质量分数0.7%、涂层厚度30m。

注：图5a中施胶剂质量分数0.5%，胶黏剂浓度2.0%；图5b中湿强剂质量分数0.8%, 胶黏剂浓度2.0%。

Note: In figure 5a sizing agent 0.5%, adhesive concentration 2.0%; in figure 5b wet strength agent 0.8%, adhesive concentration 2.0%.

图5 湿强剂质量分数和涂层厚度和施胶剂质量分数和涂层厚度对降解周期的影响

Fig.5 Effects of wet strength agent and coating thickness and sizing agent and coating thickness on degradation cycle

2.4.6 农药有效利用率

1）农药有效利用率影响规律见图6，湿强剂质量分数和施胶剂质量分数对农药有效利用率的影响如图6a所示。在胶黏剂浓度2.0%，涂层厚度20m的条件下，农药的有效利用率随着湿强剂质量分数的增加而减小，因为纤维表面的胶黏剂成弱阳性，湿强剂带有阳离子电荷，纤维表面带负电荷，它们通过库仑力彼此吸引，附着在纤维表面，形成一层膜[37]，阻碍了农药分子的扩散作用，湿强剂质量分数越大，与胶黏剂的作用越大，使得阻碍作用越大。农药有效利用率随着施胶剂质量分数的增加而增加，因为施胶剂和胶黏剂都呈弱阳性，使得胶黏剂中的农药分子能顺利扩散出去，且施胶剂质量分数越大，扩散作用越明显，农药有效利用率越大。

由图6a可知，湿强剂质量分数对农药有效利用率的影响程度大于施胶剂质量分数，最大值出现在湿强剂质量分数0.4%、施胶剂质量分数0.7%。

2）湿强剂质量分数和胶黏剂浓度对农药有效利用率的影响如图6b所示。在施胶剂质量分数0.5%，涂布厚度20m的条件下，随着湿强剂质量分数增多，农药有效利用率成缓慢下降趋势。因为湿强剂带有的阳离子能与胶黏剂相互作用，对纤维缝隙进行填充，形成阻碍农药扩散的薄膜，但由于质量分数不大，作用不强烈，下降趋势缓慢。胶黏剂浓度与农药有效利用率先呈缓慢增加后缓慢减小趋于稳定的趋势，在胶黏剂浓度2.0%时，达到利用率最大值，因为胶黏剂在低浓度时，黏度不大，对农药的黏附作用较小，使得农药的溶解和扩散作用受到阻碍较小，随着浓度的逐渐增大，黏度变大，对农药的吸附作用变大，使得农药的缓释作用受到阻碍，利用率变小，由于农药总质量较小，所以农药有效利用率变化不明显。

由图6b可知，湿强剂质量分数对农药有效利用率的影响程度大于胶黏剂浓度，最大值出现在湿强剂质量分数0.4%、胶黏剂浓度2.0%。

注：图6a中胶黏剂浓度2.0%，涂层厚度20m；图6b中施胶剂质量分数0.5%，涂层厚度20m。

Note: In figure 6a adhesive concentration 2.0%, coating thickness 20m; in figure 6b sizing agent0.5%, coating thickness 20m.

图6 湿强剂质量分数和施胶剂质量分数和湿强剂质量分数和胶黏剂浓度对农药有效利用率的影响

Fig.6 Effects of wet strength agent and sizing agent and wet strength agent and adhesive concentration on effective use of pesticides

2.5 优化分析

为满足水稻秸秆纤维基地膜覆盖杀菌栽培的技术要求，优化原则为：干抗张力≥35 N、湿抗张力≥15 N、透气度≤2m/（Pa·s）、降解周期≥60 d、农药有效利用率≥80%，并且节省资源、降低成本，优化分析结果如图7所示。

由图7可知，工艺参数优化组合为：当胶黏剂浓度2.0%、涂布厚度20m时，湿强剂质量分数0.8%～0.9%、施胶剂质量分数0.5%～0.7%。

注：胶黏剂浓度2.0%，涂层厚度20m。

Note: Adhesive concentration 2.0%, coating thickness 20m.

图7 杀菌型水稻秸秆纤维基地膜工艺参数优化结果

Fig.7 Optimization technology parameters of sterilization straw fiber mulch

3 验证试验

按最优工艺参数组合制备定量60 g/m2、湿强剂质量分数0.8%、施胶剂质量分数0.5%、胶黏剂浓度2.0%、涂层厚度20m的杀菌型秸秆纤维基地膜试样（简称药膜样片）。测试各项性能指标取平均值，并与原质秸秆纤维基地膜（简称原膜样片，不涂布胶黏剂，膜下喷洒等量农药）和裸地（喷洒等量农药）作性能对比试验，结果如表4所示。

表4 比较试验结果

由表中数据可得：药膜的干抗张力为36.1 N、湿抗张力为15.9 N、透气度为2.1m/（Pa·s）、降解周期75 d、农药有效利用率为83%，均达到地膜田间铺设实用性能要求，表明优化结果正确可信。对比可得，药膜的农药有效利用率比原膜直接喷洒农药有效利用率提高了8个百分点，比裸地直接喷洒农药有效利用率提高了43个百分点。

4 结 论

1）各因素对干抗张力影响贡献率大小排序为：胶黏剂浓度、施胶剂质量分数、涂层厚度、湿强剂质量分数；对湿抗张力影响贡献率大小排序为：涂层厚度、湿强剂质量分数、施胶剂质量分数、胶黏剂浓度；对透气度影响贡献率大小排序为：施胶剂质量分数、涂层厚度、胶黏剂浓度、湿强剂质量分数；对降解周期影响贡献率大小排序为：湿强剂质量分数、涂层厚度、胶黏剂浓度、施胶剂质量分数；对农药有效利用率影响贡献率大小排序为：湿强剂质量分数、胶黏剂浓度、涂层厚度、施胶剂质量分数。

2）工艺参数优化组合为湿强剂质量分数0.8%～0.9%、施胶剂质量分数0.5%～0.7%、胶黏剂浓度2.0%、涂布厚度20m，此时，杀菌型水稻秸秆纤维基地膜干抗张力≥35 N、湿抗张力≥15 N、透气度≤2m/Pa·s、降解周期≥60 d、农药有效利用率≥80%。按此工艺参数制造的杀菌型水稻秸秆纤维基地膜可满足地膜田间铺设实用性能要求，相较于秸秆纤维基地膜，该地膜不仅创新性的增加了地膜的杀菌功能，而且地膜的各项性能指标均有提高，其中显著提高了农药有效利用率，为广谱杀菌型水稻秸秆纤维基地膜的研发奠定了基础。

[1] Regueiro J, López-Fernádez O, Rial-Otero R, et al. A review on the fermentation of foods and the residues of pesticides-biotransformation of pesticides and effects on fermentation and food quality[J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition,2014, 55(6): 839－863.

[2] 冯建国，吴学民. 国内农药剂型加工行业的现状及展望[J].农药科学与管理，2016，37(1)：26－31.

Feng Jianguo, Wu Xuemin. Status and prospects of pesticide formulation processing industry in China[J]. Pesticide Science and Administration, 2016, 37(1): 26－31. (in Chinese with English abstract)

[3] Singh B, Sharma D K, Gupta A. In vitro release dynamics of thiram fungicide from starch and poly (methacrylic acid)- based hydrogels[J]. Journal of Hazardous Materials, 2008, 154(1/2/3): 278－286.

[4] Sun C, Shu K,Wang W, et al. Encapsulation and controlled release of hydrophilic pesticide in shell cross-linked nanocapsules containing aqueous core[J]. International Journal of Pharmaceutics, 2014, 463(1): 108－114.

[5] 《到2020年农药使用量零增长行动方案》[EB/OL]. 2015-02-17, http://jiuban.moa.gov.cn/zwllm/tzgg/tz/201503/ t20150318_4444765.htm.

[6] 台立民，刘冬雪. 化学型农药缓释剂[J]. 农药，2000，39(6)：5－13.

Tai Limin, Liu Dongxue. Application of polymers in controlled-release technology of pesticides[J]. Pesticides, 2000, 39(6): 5－13. (in Chinese with English abstract)

[7] 严昌荣，刘恩科，舒帆，等. 我国地膜覆盖和残留污染特点与防控技术[J]. 农业资源与环境学报，2014(2)：95－102.

Yang Changrong, Liu Enke, Shu Fan, et al. Review of agricultural plastic mulching and its residual pollution and prevention measures in China[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2014(2): 95－102. (in Chinese with English abstract)

[8] 张颖，陈海涛，韩永俊，等. 稻草纤维基地膜覆盖栽培哈椒试验研究[J]. 东北农业大学学报，2014，45(11)：95－100.

Zhang Ying, Chen Haitao, Han Yongjun, et al. Study on the stalk fiber films mulching cultivation green pepper[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2014, 45(11): 95－100. (in Chinese with English abstract)

[9] 韩永俊，陈海涛，刘丽雪，等. 水稻秸秆纤维基地膜制造工艺参数优化[J]. 农业工程学报，2011，27(3)：242－247.

Han Yongjun, Chen Haitao, Liu Lixue, et al. Optimization of technical parameters for making mulch from rice straw fiber[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(3): 242－247.(in Chinese with English abstract)

[10] 汪兴汉，章志强. 不同颜色地膜对光谱的透射反射与吸收性能[J]. 江苏农业科学，1986，4(20)：31－33.

Wang Xinghan, Zhang Zhiqiang. Effects of different color film on the transmittance, reflectance and absorptivity of the spectrum[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 1986, 4(20): 31－33. (in Chinese with English abstract)

[11] 周大纲. 我国农膜行业的现状及其发展对策（2015年）[J]. 塑料助剂，2015(6)：13－15+41.

Zhou Dagang. Status quo of Agro-film industry (2015) of China and countermeasure for its development[J]. Plastic Additives, 2015(6): 13－15+41. (in Chinese with English abstract)

[12] 曹志强，刘敏. 我国农膜行业“十二·五”现状及“十三·五”发展规划[J]. 中国塑料，2016(8)：1－10.

Cao Zhiqiang, Liu Min. Situation of agricultural films during the 12th Five-year plan period and their development prospect during the 13th Five-year plan period in China[J]. China Plastics, 2016(8): 1－10. (in Chinese with English abstract)

[13] 郭帅. 农药缓释微胶囊纸基地膜的制备及性能研究[D].无锡：江南大学，2015.

Guo Shuai. Preparation and Properties of the Pesticide Micro Capsule Paper-Based Film[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[14] 李军，顾亚南，李冠华. 高效液相色谱法同时快速测定土壤中多菌灵、灭多威和克百威的残留[J]. 环境研究与监测，2018，31(3) :31-33

Li Jun, Gu Yanan, Li Guanhua. Simultaneous determination of carbendazim, methomyland carbofuran residues in soil by high performance liquid chromatography[J]. Environmental Research and Monitoring, 2018, 31(3) :31-33. (in Chinese with English abstract)

[15] 袁会珠，杨代斌，闫晓静，等. 农药有效利用率与喷雾技术优化[J]. 植物保护，2011，37(5)：14－20.

Yuan Huizhu, Yang Daibin, Yan Xiaojing, et al. Pesticide efficiency and the way to optimize the spray application[J]. Plant Protection, 2011, 37(5): 14－20. (in Chinese with English abstract)

[16] 徐仲儒. 试验回归设计[M]. 哈尔滨：黑龙江科技出版社，1998.

[17] 石淑兰，何福望. 制浆造纸分析与检测[M]. 北京：中国轻工业出版社，2004：13－84.

[18] 刘环宇，陈海涛，闵诗尧，等. 基于PSO-SVR的植物纤维地膜抗张力预测研究[J]. 农业机械学报，2017，48(4)：118－124.

Liu Huanyu, Chen Haitao, Min Shiyao, et al. Tensile strength prediction for plant fiber mulch based on PSO-SVR[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(4): 118－124. (in Chinese with English abstract)

[19] 李才昌. 精密涂布技术及其应用[J]. 绿色包装，2017（11）：3.

Li Caichang. Precision coating technology and its application[J]. Green Packaging, 2017(11): 3. (in Chinese with English abstract)

[20] Gess J M, Lund R C. Strong-bond/weak-bond theory of sizing[J]. Tappi Journal, 1991, 74(1): 111.

[21] 王艺旋，杨志伟，单天娇. 壳聚糖及其衍生物在造纸中的应用研究进展[J]. 造纸装备及材料，2016(3)：25－29.

Wang Yixuan, Yang Zhiwei, Shan Tianjiao. Study progress on application of chitosan and its derivatives on paper industry[J]. Papermaking Equipment and Materials, 2016(3): 25－29. (in Chinese with English abstract)

[22] 谭芙蓉，吴波，代立春，等. 纤维素类草本能源植物的研究现状[J].应用与环境生物学报，2014，20(1)：162－168.

Tan Furong, Wu Bo, Dai Lichun, et al. Research and prospect of cellulosic herbaceous energy plant[J]. Journal of Applied and Environmental Biology, 2014, 20(1): 162－168. (in Chinese with English abstract)

[23] Tsaih M L, Chen R H. Effect of ionic strength and pH on the diffusion coefficients and conformation of chitosans molecule insolution[J]. J Appl Polym Sci, 2015, 73(10): 2041－2051.

[24] EI-hefian E A, Yahaya A H. Rheological study of chitosan and itsbends: An overview[J]. Maeji Int J Sci Technol, 2010, 4(2): 210.

[25] 孙浩，徐清凉，朱勋辉. 浅谈造纸工业常用湿强剂[J]. 造纸装备及材料，2017，46(2)：15－16.

Sun Hao, Xu Qingliang, Zhu Xunhui. Wet strength agent commonly used in paper industry[J]. Papermaking Equipment and Material, 2017, 46(2): 15－16. (in Chinese with English abstract)

[26] 陈海涛，明向兰，刘爽，等. 废旧棉与水稻秸秆纤维基混合地膜制造工艺参数优化[J]. 农业工程学报，2015，31(13)：292－300.

Chen Haitao, Ming Xianglan, Liu Shuang, et al. Optimization of technical parameters for making mulch from waste cotton and rice straw fiber[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(13): 292－300. (in Chinese with English abstract)

[27] 詹怀宇，李志强，蔡再生. 纤维化学与物理[M]. 北京：科学出版社，2005：111－114.

[28] 林宝凤. 壳聚糖成膜剂特性的研究[J]. 食品发酵与工程，1998(1)：6－17

Lin Baofeng. Study on coating character of chitosan[J]. Food and Fermentation Industries, 1998(1): 6－17. (in Chinese with English abstract)

[29] 刘温霞，邱化玉. 造纸湿部化学[M]. 北京：化学工业出版社，2006.

[30] 张景俊. 不同可降解地膜的降解特性及其覆盖下的水-热-盐-氮变化特征研究[D]. 呼和浩特：内蒙古农业大学，2017.

Zhang Jingjun. The Study of Degradation of Different Biodegradable Film and Effects of it on Variation Characteristics of Soil Water, Temperature, Salinity and Nitrogen[D]. Hohhot: Inner Mongolia Agricultural University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[31] Lindström T, Söderberg G. On the mechanism of sizing with alkyl ketene dimers part 3: The role of pH, electrolytes, retention aids, extractives, Ca-lignosulphonates and mode of addition on alkylketene dimer retention[J]. Nordic Pulp and Paper Research Journal, 1986, 1(2): 31.

[32] Isogai A. Effect of cationic polymer addition on retention of alkylketene dimer[J]. Pulp Paper Science, 1997, 23(6): 276.

[33] Champ S, Ettl R. The dynamics of alkylketene dimer (AKD) retention[J]. Pulp Paper Science, 2004, 30(12): 322.

[34] Johansson J, Lindström T. A study on AKD-size retention, reaction and sizing efficiency Part 1: The effects of pulp bleaching on AKD-sizing[J]. Nordic Pulp and Paper Research Journal, 2004, 19(3): 330.

[35] Johansson J, Lindström T. A study on AKD-size retention, reaction and sizing efficiency Part 2: The effects of electrolytes, retention aids, shear forces and mode of addition on AKD-sizing using anionic and cationic AKD-dispersions[J]. Nordic Pulp and Paper Research Journal, 2004, 19(3): 336.

[36] Ravnjak D, Plazl I, Moze A. Kinetics of colloidal alkylketene dimer particle deposition on pulp fibers[J]. Colloid and Polymer Science, 2007, 285(8): 907－914.

[37] 陈海涛，竹筱歆，刘爽. 水稻秸秆纤维基绿色地膜制造工艺参数优化 [J]. 农业工程学报，2018，34(7)：271－279.

Chen Haitao, Zhu Xiaoxin, Liu Shuang. Optimization of technical parameters for rice straw fiber-based mulch[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 271－279. (in Chinese with English abstract)

Optimization of manufacturing parameters for sterilizing functional straw fiber mulch

Chen Haitao, Chen Shuangchao, Liu Shuang

(150030,)

At present, amount of pesticides used in agricultural production in China is relatively large, and the application method is not scientific enough, which brings about problems such as increased agricultural production costs, excessive pesticide residue in agricultural products, and environmental pollution. Pesticide controlled release technology is an effective method to improve pesticides utilization efficiency, reduce the amount of pesticides use, and reduce environmental pollution. The straw fiber based film is a fully degradable mulch film made from crop straw as raw material. It has the functions of increasing soil temperature, preserving soil moisture, inhibiting grass, protecting fertilizer and controlling soil erosion during the cultivation process. If the straw fiber based film is used as a carrier to load the pesticide and form the sterilizing functional mulch, the stability and effective period of the pesticides can be improved because the straw fiber base film is protected from light. In this study broad-spectrum fungicide carbendazim was mixed with chitosan, which work as adhesive, at normal temperature and coated on the rice straw fiber film. To improve the sustained release effect and the effective utilization rate of carbendazim pesticide, the manufacturing parameters of the sterilizing functional mulch were optimized by applying the four factors and five levels quadratic regression orthogonal rotation center combined experimental method. Using the wood pulp fibers to build skeleton and adding rice straw fiber as the main filling material, through pre-experiment and reference, the wet strength agent, sizing agent, adhesive concentration and the coating thickness were selected as influencing factors, and the dry tensile strength, wet tensile strength, air permeability, degradation cycle, and effective utilization rate of pesticides were selected as the performance evaluation indexes. Under the performance evaluation indexes of the dry tensile strength ≥ 35 N, the wet tensile strength ≥ 15 N, the air permeability ≤ 2m/Pa·s, the degradation cycle ≥ 60 d, the effective utilization rate of pesticide ≥ 80%. The optimized factors range is determined as follow: wet strength agent addition of 0.8% to 0.9%, sizing agent addition of 0.5% to 0.7%, adhesive concentration of 2.0%, and coating thickness of 20m. The results showed that the adhesive concentration and coating thickness could change the morphology of the straw fiber based film and affect inter-fiber force, thereby change the dry tensile strength, the wet tensile strength, the air permeability, and the degradation cycle of the straw fiber base film. Compared to straw fiber based film, the sterilizing functional straw fiber mulch not only improved the dry tensile strength and the wet tensile strength, but also reduced the air permeability and prolonged the degradation cycle. And the most important thing was the sterilizing functional straw fiber increased a new function which could sterilize innovatively. And the sterilizing functional straw fiber mulch provides a functional trend for the straw fiber mulch and provides a reference to improve pesticides utilization efficiency and reduce the amount of pesticides use of broad-spectrum fungicide carbendazim. Our study also provides a reference for the research and development of broad-spectrum sterilizing functional straw fiber mulch.

pesticide; films; straw; sterilization; optimization

2019-01-30

2019-04-01

“十三五”国家重点研发计划资助（2018YFD0201000）；黑龙江省普通本科高等学校青年创新人才培养计划（UNPYSCT-2016130）；山东省烟草专卖局（公司）2018年面上科技项目

陈海涛，教授，博士生导师，主要从事生物质材料技术装备和旱作农业装备技术方向的研究。Email：htchen@neau. edu. cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.035

S216

A

1002-6819(2019)-11-0306-09

陈海涛，陈双超，刘 爽. 杀菌型水稻秸秆纤维基地膜制造工艺参数优化研究[J]. 农业工程学报，2019，35(11)：306－314. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.035 http://www.tcsae.org

Chen Haitao, Chen Shuangchao, Liu Shuang. Optimization of manufacturing parameters for sterilizing functional straw fiber mulch[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 306－314. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.035 http://www.tcsae.org