一种生物降解地膜、制备方法及应用与流程

本发明涉及除草地膜，具体为一种生物降解地膜、制备方法及应用。

背景技术：

1、在现代农业操作中，传统水稻种植方法过度依赖于频繁应用除草剂来控制杂草问题，这一短期策略尽管能迅速见效，但其背后隐藏的负面效应不容小觑。除草剂的频繁施用不仅直接影响到稻米的品质与食品安全性，常导致农产品中农药残留超过安全标准，更对土壤生态系统构成了严峻挑战，长此以往，将引致土壤结构的退化及生物多样性的大幅衰减。此外，频繁的化学干预打破了自然界的生态平衡，给生态环境带来了深远且持久的影响。

2、面对这些由传统方法引发的环境与健康隐患，地膜覆盖技术一度被视为一个有望缓解问题的创新方案。然而，传统塑料地膜的应用同样暴露出新的环境难题：它们的物理强度不足，易于在外力作用下破损。同时，这些地膜通常含有多种有害重金属，可能渗透进入土壤，对环境及农作物构成潜在污染风险。加之，这些非生物降解材料在自然环境中难以分解，加剧了环境污染和生态负担。

3、鉴于上述挑战，开发与推广全生物降解地膜成为了农业可持续发展实践中的关键突破方向。

技术实现思路

1、针对现有地膜存在的力学性能较差、重金属含量超标，以及难以自然分解的技术问题，本发明提供了一种生物降解地膜、制备方法及应用，该生物降解地膜不仅在力学性能方面实现了提升，而且重金属含量远远低于国家标准限值，以及能够在自然环境下降解，产物为二氧化碳与水，保障了土壤健康和生态平衡。

2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

3、一种生物降解地膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、s1：按重量百分比称取50～70％的pbat、10～20％的ppc、5～20％的pla、5～10％的马来酸酐改性淀粉、0.2～2％的耐水解剂、0.2～1％的抗氧剂、0.2～2％的光稳定剂、0.5～5％的润滑剂、1～5％的开口剂、0.2～0.6％的扩链剂和0.1～0.5％的石墨烯作为原料；

5、所述耐水解剂包括单体型碳化二亚胺和聚合型碳化二亚胺，配比为1：(1～5)；

6、s2：将上述称取的原料置于双螺杆挤出机中进行挤出改性、造粒，得到混合粒；s3：将混合粒经吹膜机进行吹塑，得到生物降解地膜。

7、进一步地，步骤s1中，所述pbat、ppc、pla的重量百分比分别为60～70％、15～20％和5～10％。

8、进一步地，所述马来酸酐改性淀粉的制备方法为：将淀粉、马来酸酐、水和过硫酸铵混合，经反应挤出，得到马来酸酐接枝淀粉。

9、进一步地，所述聚合型碳化二亚胺包括二异丙基苯聚碳化二亚胺、四异丙基二苯聚碳化二亚胺、环己烷基聚碳化二亚胺中的一种或多种；所述抗氧剂为抗氧剂1010或抗氧剂168中的一种或两种组合物；所述光稳定剂为聚氧乙烯(20)山梨醇酐单硬脂酸酯和光稳定剂uv-783、光稳定剂622或光稳定剂119，所述聚氧乙烯(20)山梨醇酐单硬脂酸酯和光稳定剂uv-783、光稳定剂622或光稳定剂119的配比为1：(20～30)；所述润滑剂为硬脂酸酰胺或芥酸酰胺；所述开口剂为二氧化硅微粉；所述扩链剂包括二苯基甲烷二异氰酸酯和多元醇类化合物，二者的配比为1：(0.8～1.2)，其中所述多元醇类化合物包括1,4-丁二醇、乙二醇、丙二醇、新戊二醇、三羟基丙烷中的一种或多种。

10、进一步地，步骤s2中，所述造粒温度为150～200℃，优选180～200℃；步骤s3中，所述吹塑温度为150～200℃，优选180～200℃。

11、由以上任一项制备方法所制备出的生物降解地膜。

12、进一步地，所述生物降解地膜的厚度为0.005～0.01mm；所述生物降解地膜的力学性能为：纵向拉伸负荷≥2.5n，横向拉伸负荷≥2n，纵向断裂标称应变≥640％，横向断裂标称应变≥940％，纵向直角撕裂负荷≥1n，横向直角撕裂负荷≥0.8n。

13、进一步地，所述生物降解地膜中的重金属含量：砷≤0.5mg/kg、镉≤0.4mg/kg、铜＜0.02mg/kg、铅≤4.5mg/kg、汞＜0.0003mg/kg、镍≤7.5mg/kg、硒≤0.3mg/kg、锌＜0.02mg/kg、铬≤6.5mg/kg、钼≤6.5mg/kg、氟≤9.5mg/kg、钴＜0.0005mg/kg。

14、进一步地，所述生物降解地膜的水蒸气透过量＜340g/(m2·24h)；所述生物降解地膜的生物有机成分≥99％，第180天的相对生物分解率≥98％；所述生物降解地膜在进行周期为180天的受控需氧堆肥试验后，二氧化碳排放量≤186g，生物分解率≥95％。

15、上述生物降解地膜在农作物种植领域中的应用。

16、pbat属于热塑性生物降解塑料，是己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物，兼具pba和pbt的特性，既有较好的延展性和断裂伸长率，也有较好的耐热性和抗撕裂性能。此外，还具有优良的生物降解性，是生物降解塑料研究中非常受欢迎和市场应用最好降解材料之一，但是也具有成本高、拉伸性能差、开口性能差等缺点。

17、聚乳酸(pla)具有优良的生物相容性与生物降解性能，其降解在工业堆肥的条件下发生，最终完全降解得到的产物是二氧化碳和水，不会对环境造成污染。且pla具有较高的拉伸强度、拉伸模量，但pla的韧性比较差，缺少弹性以及柔性，断裂伸长率低，质地硬而目脆性大，溶体强度相对较低，结晶速率过慢，耐热性差、冲击强度差等原因，从而限制了其工业化的应用。

18、ppc是一种透明度高、生物降解性好的材料，其玻璃化转变温度较高，能增强共混物的热稳定性。ppc还具有较好的气体阻隔性和耐水解性，有助于延长地膜在田间的使用寿命。

19、在pbat、ppc和pla体系中，pbat可以弥补pla韧性差的缺点，同时，其良好的加工性有助于改善共混物的成膜性和加工流动性，使得地膜更容易生产和成型。pla可以提升整个体系的拉伸强度和模量。ppc可以进一步提升地膜的耐候性、透明度和生物降解性。ppc的高tg值有助于提高地膜的耐热性能，使其在高温环境下依然保持良好的物理性能。三种材料的共混可以平衡地膜的强度、韧性、硬度和延展性。

20、本发明的有益效果如下：

21、1.本发明所述生物降解地膜在拉伸负荷、断裂标称应变和直角撕裂负荷等力学性能方面均实现了不同程度的提升，表现出了优异的延展性、韧性和抗撕拉性能，降低了因外力导致的破损风险，保证了整体结构的完整性。

22、2.本发明所述生物降解地膜能够在自然环境中完全降解为无害的二氧化碳和水，无需后期回收处理，极大地减轻了环境负担，同时避免了对土壤结构的破坏，有利于土壤生态的自然恢复与持续改良。

23、3.本发明所述生物降解地膜中的重金属含量均远远低于国家标准限值，确保了地膜在土壤中的降解产物不会对环境和作物造成污染。

24、4.本发明使用的二苯基甲烷二异氰酸酯作为一种芳香族异氰酸酯，具有两个nco(异氰酸酯)基团，可以与含活泼氢的多元醇类化合物发生反应，生成聚氨酯或聚脲类聚合物。多元醇类化合物通过其两端的羟基与异氰酸酯基团反应，延长聚合物链，增加分子量和改善材料性能。通过二苯基甲烷二异氰酸酯和多元醇类化合物的协同作用，可以在地膜材料中形成更复杂且交联度更高的分子结构，从而显著增强地膜的拉伸强度、撕裂强度和耐磨性，提升其整体的力学性能。并且二苯基甲烷二异氰酸酯具有较好的耐水解性和化学稳定性，多元醇类化合物的引入可以进一步稳定分子结构，共同作用下，地膜的耐水解性和稳定性得到提升。

25、5.本发明使用改性淀粉作为地膜材料的基础成分，能够显著提高地膜的生物降解性。而在淀粉分子上引入马来酸酐基团，能够提高其与其他高分子材料的相容性，提升成品的综合力学性能。

26、6.本发明在制备地膜时加入了微量的石墨烯纳米颗粒，在本发明限定的石墨烯添加量范围内，地膜的强度随着石墨烯添加量的增加而增大，这是因为微量的石墨烯纳米颗粒均匀分散于地膜材料中时，它们能够在分子层面形成一个加强网络，通过这种微观结构的强化作用，显著提升地膜的整体力学强度。并且石墨烯的加入还能够有效阻碍水分子的渗透路径，从而大大降低地膜的水蒸气透过率和吸湿性。不过在本发明限定的石墨烯添加量范围之外(超过0.5％)，地膜的强度随着石墨烯添加量的增加反而会减小，这是因为过量的石墨烯会导致粒子间的团聚，破坏材料的均匀性，形成缺陷区域，反而削弱了材料的整体力学性能。

27、7.本发明中的聚氧乙烯(20)山梨醇酐单硬脂酸酯，通过其自身的抗氧化性质，可以在一定程度上捕捉自由基，减少光诱导的自由基链式反应，同时还可以有效反射和散射部分紫外线辐射，有效提升了地膜的抗紫外线能力。

28、8.本发明所述全生物降解地膜具有良好的增温保墒效果，能够为水稻生长创造更佳的小气候条件，促进水稻早发、壮苗，最终达到增加产量的目的，对保障国家粮食安全具有重要意义。