马铃薯淀粉基可降解地膜制备与性能研究

李金海，许远伟，赵 军*，邓为难 ，鲁丕丽

(1. 贵州民族大学 材料科学与工程学院，贵州 贵阳 550025；2. 贵州工程应用技术学院 化学工程学院，贵州 毕节 551700)

地膜因具有保温、保墒等作用而在现当代农业中被广泛应用。覆膜栽培技术的推广使用，农作物的产量得到了大幅度地提高，农业经济效益也得到了极大促进和发展[1-2]。但是，由于传统地膜多为聚乙烯(polyethylene)或聚氯乙烯(polyvinyl chloride)等高分子化合物，其性质十分稳定，在使用后很难以被自然降解[3-4]。这些地膜在使用后，在土壤中产生了大量的残膜而引发耕地“白色污染”[5-7]。随着地膜使用量的不断增加，日积月累，土壤中的地膜残余量越来越大。大量残膜使得土壤变得板结、土壤通透性降低、水份和养分运输受阻，作物的生长和发育受到阻碍，随之导致农作物减产歉收[8]。为促进农业生产的可持续发展，开发替代传统塑料地膜的环境友好型可降解地膜以消除农用残膜导致的“白色污染”已成为重要课题。

为此，本研究结合区域资源禀赋特点，选用资源丰富、成本低廉、环境友好的马铃薯淀粉为基质原料，开展了马铃薯淀粉基可降解地膜材料的制备研究。之所以选择马铃薯淀粉为成膜基质，是因为贵州作为马铃薯的主产区，具有种植面积广、产量大等特点[9-12]。同时，与传统的聚合物地膜相比，以淀粉为主要原料生产的可降解地膜具有环境友好、成本低廉等特点。这类膜材在降解过程所产生的二氧化碳和水可为作物生长提供养分，既实现残膜资源化利用又有效化解了残膜导致的“白色污染”问题。

1 试验原料与方法

1.1 原料与仪器

试验所用的马铃薯淀粉、聚乙烯醇、丙三醇、聚丙烯酰胺等主要原料试剂购自国药集团化学试剂有限公司，纯度为分析纯。试验所用的主要仪器设备如表1所示：

表1 试验所用的主要仪器设备信息表Tab.1 Information of the instruments and equipment

1.2 膜的制备工艺

(1)称取定量马铃薯淀粉置于烧杯中，加入定量去离子水，水浴加热并不断搅拌(磁力搅拌)，搅拌糊化一定时间，形成基质浆料；(2)称取定量聚乙烯醇置于中，加一定体积的蒸馏水，在磁力搅拌下恒温水浴加热至聚乙烯醇完全溶解，得成膜助剂溶液；(3)在持续电动搅拌(400 r/min)下，将基质浆料与成膜助剂溶液混合，搅拌一定时间后，向混合体系中加入定量丙三醇，搅拌一定时间，加入一定量的聚丙烯酰胺(预先以定量热水溶解)，继续搅拌至体系黏度(以NDJ-8S数显黏度计进行监测)恒定的成膜铸液；(4)将成膜铸液转移至10 cm×10 cm成膜模板上，进行流延成膜，自然晾干后，揭取保存膜样，以备表征检测。

1.3 膜的性能测试

1.3.1力学性能测试

参考相关文献及仪器操作规程，选取一定长宽的成膜样品，以WDW-01S拉力试验机对成膜样品的力学性能进行测定。测定过程中，所记录的力学性能参数(拉伸强度和断裂伸长率)为膜样断裂时的示数。

1.3.2保温保墒测定

按试验组和对照组监测膜的保温和保墒性能。每5 d测试一次，每个单因素变量平行测量3组取其平均值。

(1)保温性能测试。选取4个材质相同和量程相等的烧杯，向其中加入相同体积的去离子水。试验组以待测样品膜盖住并用皮筋固定；空白对照组不覆盖膜，并在其上方中央悬挂温度计且水位浸没温度计的水银球，待温度计的温度恒定后，以红外线测温仪测定每个烧杯中水的温度。

(2)保墒性能测试。选取4个材质相同和量程相等的烧杯，然后向其中加入经充分干燥并磨碎混匀的等量泥土，喷洒去离子水使其含水率达到30%。试验组以待测样品膜盖住并用皮筋固定，空白对照组不覆盖膜。监测过程中，减少的质量记为失水量，失水率计算公式为：失水率 = (失水量/初始质量) ×100%[13]。

1.3.3降解性能测定

将于60 ℃烘干至恒重的样品膜剪裁为5 cm×5 cm的方形膜块，称量并记录其降解初始质量W0，将膜样品埋至10 cm深土壤中(花盆盛装)，放置于长宽高均为1m的实验箱中，在4只100 W白炽灯照射下进行降解试验，土壤表层距离灯50 cm，每天浇水一次，湿度控制在70%左右，每隔一定时间取出一组降解残膜，以去离子水清洗干净，于60 ℃烘干至恒重，称量并记录其降解残余质量Wt。然后，监测其拉伸强度和断裂伸长率等力学性质。 降解率D由式(1)计算[14]：

D=I(Wo-Wt)/Wt]×100%。

(1)

2 结果与分析

2.1 制膜条件优化

研究过程中，采用单因素优选法制得系列膜材样品，结合对成膜铸液的粘度监测，以及对膜样的力学、保温、保墒、降解等性能测试分析，确定了淀粉成膜基质和聚乙烯醇增塑剂等制备条件。研究表明，马铃薯淀粉的投量为1.4～2.0 g和聚乙烯醇质量在1.2～2.4 g时成膜性能较好。同时，固液比对成膜性能的影响也很显著。当马铃薯淀粉与聚乙烯醇的物料比(马铃薯淀粉的质量与聚乙烯醇的质量之比)为0.7时，用50 mL去离子水糊化马铃薯淀粉，100 mL去离子水溶解聚乙烯醇，二者混合后所得成膜铸液的粘度适中，流动性和成膜性能均较好。

2.2 表征结果分析

2.2.1力学性能分析

试验所制得马铃薯淀粉基膜的成膜基质和增塑剂物料比对膜的力学影响测试结果如图1—图4所示。

图1 PS与PA投料对膜拉伸强度影响Fig.1 The weight ratio of PS and PA effect on the tensile strength

图1表明，随着马铃薯淀粉(potato starch，PS)与聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PA)的物料比增加，膜的拉伸强度呈减小趋势，断裂伸长率则先增加后减小。

图2 PS与PA投料对膜拉伸断裂影响Fig.2 The weight ratio of PS and PA effect on the tensile length

图2表明，当物料比接近0.7时，膜的拉伸断裂伸长率达到最大值。这表明，将马铃薯淀粉与聚乙烯醇的物料比控制在0.7附近，将有利于提高膜的力学性能。

图3 铸液黏度对膜的拉伸强度影响Fig.3 The viscosity of feed liquid effect on the tensile strength

由于马铃薯淀粉与聚乙烯醇物料比一定，则成膜的力学性能等受铸液的投料固液比影响显著，适当的投料固液比有利于提高成膜铸液的均一性和流动性，从而促进形成性能较好的膜产品。由图3分析，随着成膜铸液黏度的增大，膜的拉伸强度不断增强。图4表明，随着成膜铸液黏度的增大，膜的力学强度呈现先增加后降低的变化趋势，当黏度接近80 mps/s时，膜的断裂伸长率达到最大，其对应的马铃薯淀粉糊化和聚乙烯醇溶解所加入去离子水溶剂的体积分别为50和100 mL。

2.2.2保温保墒分析

保温保墒性能是地膜的重要功能，对其进行研究具有十分重要的意义。研究得出马铃薯淀粉基可降解地膜的保温与保墒随时间变化关系如图5和图6所示。

图4 铸液的黏度对膜拉伸断裂影响Fig.4 The viscosity of feed liquid effect on the tensile length

图5 覆膜保温随时间变化关系图Fig.5 The curve of mulching temperatures change with time

图6 覆膜保墒随时间变化关系图Fig.6 The curve of mulching moisture change with time

由图5和图6可知，覆盖地膜后，温度升高较为明显，失水率也大幅降低。结果表明本研究所制得的马铃薯淀粉基可降解地膜具有较好的保温与保墒效果。随着覆膜时间的增加，膜的保温与保墒效果均逐渐降低。这是由于覆膜过程中膜的结构性能逐渐变弱，使得水蒸汽分子更容易穿透过覆盖地膜形成的封闭层散失到环境中并促进膜的内层温度向外散失，从而导致膜的保温和保墒效果逐渐降低。

2.2.3降解性能分析

土埋初期，地膜的降解不明显。在土埋15 d进行第一次取样，之后隔5 d取样。通过考察地膜样品的失重率和力学性质差异来评价其降解情况。马铃薯淀粉基可降解地膜的降解性能随时间变化关系如图7和图8所示。

由图7可知，随着土埋天数的增加，地膜呈现出先慢后快的降解趋势。土埋15 d时，地膜的降解率为3.5 %，而土埋60 d以后，地膜的降解率接近60%。地膜的快速降解主要为所用制膜淀粉原料和增塑剂聚乙烯醇所含有大量的碳元素和羟基所导致。降解过程中，微生物在充足碳源滋养下迅速增殖生长，从而促进地膜的降解。同时，膜内大量存在的羟基使得环境中的水分易于进入地膜内部产生溶解作用，地膜内部结构和稳定性迅速遭到破坏，进一步加快地膜的降解程度[15]。图中膜的力学性能测试结果也能印证这一推论。总之，本研究所制备的马铃薯淀粉基可降解地膜显示出了良好的自然可降解性。

3 结论

通过对成膜基质淀粉、增塑剂聚乙烯醇及其与溶剂水的固液比等单因素调控试验，得出了以流延法制备出马铃薯淀粉基可降解地膜材料的优化工艺条件。结果表明：

(1)马铃薯淀粉与聚乙烯醇的物料比为0.7 时，用50 mL去离子水糊化马铃薯淀粉，100 mL去离子水溶解聚乙烯醇，所得成膜铸液的黏度适中，流动性和成膜性能均较好。

(2)膜的性能测试结果表明，马铃薯淀粉基可降解地膜材料具有良好的保温、保墒及降解性能。

(3)覆盖地膜后，温度升高较为明显，失水率也大幅降低。土埋60 d以后，地膜的降解率接近60%。

马铃薯淀粉基地膜材料具有较好性能，将有助于化解因传统塑料地膜所导致的耕地“白色污染”问题。