不同土壤中生物降解薄膜的降解效果研究

郭蕊

以聚乳酸（PLA），聚对苯二甲酸-己二酸-丁二醇酯（PBAT）为基材，通过共混、吹膜、印刷等工艺制备可商品化使用的PLA/PBAT全生物降解薄膜，研究了自制全生物降解薄膜与多种商用可降解、不可降解薄膜的力学性能，以及在黏土、栽培土等不同土壤中的生物降解性能。结果表明：PLA/PBAT薄膜在土壤中的生物降解程度更高，降解效果十分明显，薄膜在掩埋6个月后完全崩解破碎。而且与自然环境黏土相比，全生物降解薄膜在花卉栽培土壤中降解效果更好。本研究为生物降解薄膜的商业使用和处理提供了指导。

前言

塑料污染是当今世界面临的一个严重的环境问题，研究者们认为，使用可生物降解塑料是解决塑料污染的可行方案之一。聚乳酸（PLA）和聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯（PBAT）是目前应用最为广泛的可生物降解材料，在微生物环境中可以被完全水解为CO2和H2O。有研究表明，在自然环境中，可生物降解材料的降解可大致分为两个过程：简单水解和酶催化降解。简单水解是水分子攻击聚酯分子中的酯键，使其分解为羧酸和醇的反应，主要受水解环境的温度、湿度、酸度以及聚合物本身的性质等因素影响;而聚酯的酶催化降解是指聚酯分子先水解为低聚物，然后相关微生物进入其组织物内，在微生物产生的特定酶的作用下，被分解为二氧化碳和水，此过程与天然聚合物的降解不同，属于间接方式降解。Rudnik和Briassoulis比较了生物降解材料在堆肥环境下和自然环境下的降解效果，结果表明，生物降解材料在堆肥环境和自然环境下都可以被有效降解。

本文选取了两种不同的土壤，比较它们对生物降解薄膜材料降解效果的影响，为开发适应不同货架期的全降解包装材料提供参考和指导，进一步促进环保包装材料的推广使用。

实验部分

1.试剂与仪器

聚乙烯（PE），牌号7042、2426K，购自苏州强辉塑化有限公司;PLA/PBAT降解母料，牌号FP-0325，购自吉林森瑞达高新科技有限公司。三层共挤吹膜机，FM3-1700型，由佛山市顺德区雄球塑料机械有限公司生产。热切制袋机，RFQ型，由瑞安市瑞机包装机械厂生产。微机控制电子万能试验机，E43.104型，由美特斯工业系统（中国）有限公司生产。

2.薄膜制备过程

称取4kg PLA/PBAT降解母料于真空干燥箱中60℃下干燥12小时，然后冷却至室温。冷却后的PLA/PBAT降解母料放置于吹膜机螺杆进料斗中制备三层生物降解薄膜。吹膜机螺杆温度控制在135℃～155℃。通过调节螺杆牵引速率，调节PLA/PBAT降解母料的进料速率，从而确定最佳的螺杆牵引速率，牵引速率控制在10～14m/min。吹膜实验前后需称取2kg PE塑料用来清洗吹膜机。

3.测试与表征

①力学性能测试：按照GB/T 1040.3-2006测试，首先将薄膜制备成哑铃形标准样条，然后分别在3个不同部位测试薄膜厚度，取平均值。设定拉伸标距为50mm，拉伸速率为20mm/min，每种薄膜分横向与纵向各取6个平行样进行检测，同时测试薄膜的黏合向拉断力。

②土壤掩埋试验：分别裁取6片10cm×10cm的自制PBAT/PLA生物降解薄膜（简称“YT薄膜”）、普通PE薄膜（简称“SF薄膜”）、市售PBAT/PLA/淀粉薄膜（简称“CN薄膜”）、市售PLA薄膜（简称“PLA薄膜”）、市售PBAT薄膜（简称“PBAT薄膜”），分别掩埋于自然粘土环境、装有栽培土的容器中，掩埋深度均为10cm，每隔两个月取样进行观察。

结果与讨论

1.土壤掩埋试验前各种薄膜力学性能的对比

最大拉伸应力和最大拉伸应变（又称“拉伸强度”和“断裂伸长率”）往往是薄膜类包装材料最重要的力学性能和质量评价指标之一。图1为土壤掩埋试验前各种薄膜力学性能的对比图。从图1可以看出，YT薄膜的平均最大拉伸应力为13.4MPa，平均最大拉伸应变为242%;SF薄膜的平均最大拉伸应力为9.4MPa，平均最大拉伸应变为425%;CN薄膜的平均最大拉伸应力为12.2MPa，平均最大拉伸应变为341%;PLA薄膜的平均最大拉伸应力为66.3MPa，平均最大拉伸应变为4.7%;PBAT薄膜的平均最大拉伸应力为12.1MPa，平均最大拉伸应变为334%。拉伸强度由大到小依次为：PLA>YT>CN>PBAT>SF，断裂伸长率由大到小依次为：SF>CN>PBAT>YT>PLA。从结果可以看出，可降解薄膜的拉伸强度均大于普通PE薄膜，断裂伸长率则均小于普通PE薄膜，说明可降解薄膜主要特点在于强度较好，韧性相对欠缺。对比各类材质的可降解薄膜，PLA薄膜的拉伸强度最高，达66.3MPa，远高于YT薄膜（PBAT/PLA共混）、CN薄膜（PBAT/PLA/淀粉共混）和PBAT薄膜，但断裂伸长率却最低，仅为4.7%，也远低于其他材质的生物降解薄膜。由此可知，在可降解薄膜中，PLA成分主要赋予薄膜刚性，PBAT成分主要赋予薄膜韧性。

2.栽培土掩埋试验中各种薄膜的形貌对比

图2为栽培土环境下掩埋的各种薄膜的外观形貌变化。从图2（a）可以看出，随着掩埋时间的增加，以PE材料制作的SF薄膜，在6個月周后外观无明显变化，样品完整无缺;以PBAT/PLA/淀粉制作的CN薄膜，掩埋后两个月后表面有大小不一的黑色菌斑，但掩埋时间增加，从外面形貌上没有明显变化;然而，以PBAT/PLA材料制作的YT薄膜，无论印刷与否，经过两个月降解，样品已经出现收缩、崩解的现象，并且随着掩埋时间的增加，崩解程度越高;到掩埋6个月时，样品已经成为直径小于5mm的碎片。从图2（b）可以看出，PLA薄膜和PBAT薄膜在掩埋两个月后均出现小范围的破裂，并且随着掩埋时间的增加破裂程度逐渐增大，但碎片普遍较大，降解效果不如YT薄膜。

3.PBAT/PLA生物降解薄膜在自然黏土和栽培土中的降解效果对比

图3为PBAT/PLA生物降解薄膜在自然黏土和栽培土中的降解效果对比。从图3可以看出，与栽培土中的快速破裂降解不同，在自然环境下的黏土中，YT薄膜的外观变化也不太明显，在掩埋6个月后，只有局部的收缩，没有出现明显的菌斑、裂纹或者破碎。这可能与黏土中微生物含量较少、相对湿度较低，以及没有受到阳光直射有关。因为在阳光紫外线的照射下，空气中的氧气会分解产生自由基，自由基作用于材料分子链的化学键，会导致分子侧链被氧化断链、大分子网络结构逐步水解为低聚物，再被微生物进一步分解成二氧化碳和水。黏土中缺乏阳光照射，自由基含量较低，同时缺乏充足的水分，较难产生第一步高聚物水解为低聚物的反应，导致降解速率和效果受影响。

结论

在可降解薄膜中，PLA成分主要赋予薄膜刚性，PBAT成分主要赋予薄膜韧性。PLA/PBAT薄膜在土壤中的生物降解程度更高，降解效果十分明显，在掩埋6个月后完全崩解破碎。相比之下，PE薄膜和市售PBAT/PLA/淀粉薄膜在土壤掩埋下没有明显变化。而且，与自然环境黏土相比，全生物降解薄膜在花卉栽培土壤中降解效果更好。综上所述，在实际处理全降解包装废弃物时用于产品包装时，应根据微生物、湿度、光照等条件，选择合理的降解处理方式。

作者单位：深圳市裕同包装科技股份有限公司

责任编辑：李倩 liqian@cprint.cn