李金海 許遠偉 趙軍 鄧為難 魯丕麗

摘 要：為化解傳統(tǒng)地膜難于降解所導致的耕地“白色污染”，本研究以富含碳源和羥基而易于降解的淀粉與聚乙烯醇等為原料，通過單因素對淀粉、聚乙烯醇和溶劑水等的調(diào)控試驗，得出了以流延法制備出馬鈴薯淀粉基可降解地膜材料的優(yōu)化工藝條件。膜的性能測試結果表明：馬鈴薯淀粉基可降解地膜材料具有良好的保溫、保墑及降解性能;覆蓋地膜后，溫度升高較為明顯，失水率也大幅降低;土埋法考察地膜的降解性能結果表明，60 d后地膜的降解率接近60%。

關鍵詞：馬鈴薯;淀粉;地膜

中圖分類號：TQ320.73; TQ050.4; X171.3?? 文獻標識碼： A

地膜因具有保溫、保墑等作用而在現(xiàn)當代農(nóng)業(yè)中被廣泛應用。覆膜栽培技術的推廣使用，農(nóng)作物的產(chǎn)量得到了大幅度地提高，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益也得到了極大促進和發(fā)展[1-2]。但是，由于傳統(tǒng)地膜多為聚乙烯（polyethylene）或聚氯乙烯（polyvinyl chloride）等高分子化合物，其性質(zhì)十分穩(wěn)定，在使用后很難以被自然降解[3-4]。這些地膜在使用后，在土壤中產(chǎn)生了大量的殘膜而引發(fā)耕地“白色污染”[5-7]。隨著地膜使用量的不斷增加，日積月累，土壤中的地膜殘余量越來越大。大量殘膜使得土壤變得板結、土壤通透性降低、水份和養(yǎng)分運輸受阻，作物的生長和發(fā)育受到阻礙，隨之導致農(nóng)作物減產(chǎn)歉收[8]。為促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，開發(fā)替代傳統(tǒng)塑料地膜的環(huán)境友好型可降解地膜以消除農(nóng)用殘膜導致的“白色污染”已成為重要課題。

為此，本研究結合區(qū)域資源稟賦特點，選用資源豐富、成本低廉、環(huán)境友好的馬鈴薯淀粉為基質(zhì)原料，開展了馬鈴薯淀粉基可降解地膜材料的制備研究。之所以選擇馬鈴薯淀粉為成膜基質(zhì)，是因為貴州作為馬鈴薯的主產(chǎn)區(qū)，具有種植面積廣、產(chǎn)量大等特點[9-12]。同時，與傳統(tǒng)的聚合物地膜相比，以淀粉為主要原料生產(chǎn)的可降解地膜具有環(huán)境友好、成本低廉等特點。這類膜材在降解過程所產(chǎn)生的二氧化碳和水可為作物生長提供養(yǎng)分，既實現(xiàn)殘膜資源化利用又有效化解了殘膜導致的“白色污染”問題。

1 試驗原料與方法

1.1 原料與儀器

試驗所用的馬鈴薯淀粉、聚乙烯醇、丙三醇、聚丙烯酰胺等主要原料試劑購自國藥集團化學試劑有限公司，純度為分析純。試驗所用的主要儀器設備如表1所示：

1.2 膜的制備工藝

（1）稱取定量馬鈴薯淀粉置于燒杯中，加入定量去離子水，水浴加熱并不斷攪拌（磁力攪拌），攪拌糊化一定時間，形成基質(zhì)漿料;（2）稱取定量聚乙烯醇置于中，加一定體積的蒸餾水，在磁力攪拌下恒溫水浴加熱至聚乙烯醇完全溶解，得成膜助劑溶液;（3）在持續(xù)電動攪拌（400 r/min）下，將基質(zhì)漿料與成膜助劑溶液混合，攪拌一定時間后，向混合體系中加入定量丙三醇，攪拌一定時間，加入一定量的聚丙烯酰胺（預先以定量熱水溶解），繼續(xù)攪拌至體系黏度（以NDJ-8S數(shù)顯黏度計進行監(jiān)測）恒定的成膜鑄液;（4）將成膜鑄液轉移至10 cm×10 cm成膜模板上，進行流延成膜，自然晾干后，揭取保存膜樣，以備表征檢測。

1.3 膜的性能測試

1.3.1 力學性能測試

參考相關文獻及儀器操作規(guī)程，選取一定長寬的成膜樣品，以WDW-01S拉力試驗機對成膜樣品的力學性能進行測定。測定過程中，所記錄的力學性能參數(shù)（拉伸強度和斷裂伸長率）為膜樣斷裂時的示數(shù)。

1.3.2 保溫保墑測定

按試驗組和對照組監(jiān)測膜的保溫和保墑性能。每5 d測試一次，每個單因素變量平行測量3組取其平均值。

（1）保溫性能測試。選取4個材質(zhì)相同和量程相等的燒杯，向其中加入相同體積的去離子水。試驗組以待測樣品膜蓋住并用皮筋固定;空白對照組不覆蓋膜，并在其上方中央懸掛溫度計且水位浸沒溫度計的水銀球，待溫度計的溫度恒定后，以紅外線測溫儀測定每個燒杯中水的溫度。

（2）保墑性能測試。選取4個材質(zhì)相同和量程相等的燒杯，然后向其中加入經(jīng)充分干燥并磨碎混勻的等量泥土，噴灑去離子水使其含水率達到30%。試驗組以待測樣品膜蓋住并用皮筋固定，空白對照組不覆蓋膜。監(jiān)測過程中，減少的質(zhì)量記為失水量，失水率計算公式為：失水率 = （失水量/初始質(zhì)量） ×100% [13]。

1.3.3 降解性能測定

將于60 ℃烘干至恒重的樣品膜剪裁為5 cm×5 cm的方形膜塊，稱量并記錄其降解初始質(zhì)量W0，將膜樣品埋至10 cm深土壤中（花盆盛裝），放

置于長寬高均為1m的實驗箱中，在4只100 W白熾燈照射下進行降解試驗，土壤表層距離燈50 cm，每天澆水一次，濕度控制在70%左右，每隔一定時間取出一組降解殘膜，以去離子水清洗干凈，于60 ℃烘干至恒重，稱量并記錄其降解殘余質(zhì)量Wt。然后，監(jiān)測其拉伸強度和斷裂伸長率等力學性質(zhì)。 降解率D由式（1）計算[14]：

D=I（Wo-Wt）/Wt]×100%。（1）

2 結果與分析

2.1 制膜條件優(yōu)化

研究過程中，采用單因素優(yōu)選法制得系列膜材樣品，結合對成膜鑄液的粘度監(jiān)測，以及對膜樣的力學、保溫、保墑、降解等性能測試分析，確定了淀粉成膜基質(zhì)和聚乙烯醇增塑劑等制備條件。研究表明，馬鈴薯淀粉的投量為1.4～2.0 g和聚乙烯醇質(zhì)量在1.2～2.4 g時成膜性能較好。同時，固液比對成膜性能的影響也很顯著。當馬鈴薯淀粉與聚乙烯醇的物料比（馬鈴薯淀粉的質(zhì)量與聚乙烯醇的質(zhì)量之比）為0.7時，用50 mL去離子水糊化馬鈴薯淀粉，100 mL去離子水溶解聚乙烯醇，二者混合后所得成膜鑄液的粘度適中，流動性和成膜性能均較好。

2.2 表征結果分析

2.2.1 力學性能分析

試驗所制得馬鈴薯淀粉基膜的成膜基質(zhì)和增塑劑物料比對膜的力學影響測試結果如圖1—圖4所示。

圖1表明，隨著馬鈴薯淀粉（potato starch，PS）與聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PA）的物料比增加，膜的拉伸強度呈減小趨勢，斷裂伸長率則先增加后減小。

圖2表明，當物料比接近0.7時，膜的拉伸斷裂伸長率達到最大值。這表明，將馬鈴薯淀粉與聚乙烯醇的物料比控制在0.7附近，將有利于提高膜的力學性能。

由于馬鈴薯淀粉與聚乙烯醇物料比一定，則成膜的力學性能等受鑄液的投料固液比影響顯著，適當?shù)耐读瞎桃罕扔欣谔岣叱赡よT液的均一性和流動性，從而促進形成性能較好的膜產(chǎn)品。由圖3分析，隨著成膜鑄液黏度的增大，膜的拉伸強度不斷增強。圖4表明，隨著成膜鑄液黏度的增大，膜的力學強度呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，當黏度接近80 mps/s時，膜的斷裂伸長率達到最大，其對應的馬鈴薯淀粉糊化和聚乙烯醇溶解所加入去離子水溶劑的體積分別為50和100 mL。

2.2.2 保溫保墑分析

保溫保墑性能是地膜的重要功能，對其進行研究具有十分重要的意義。研究得出馬鈴薯淀粉基可降解地膜的保溫與保墑隨時間變化關系如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可知，覆蓋地膜后，溫度升高較為明顯，失水率也大幅降低。結果表明本研究所制得的馬鈴薯淀粉基可降解地膜具有較好的保溫與保墑效果。隨著覆膜時間的增加，膜的保溫與保墑效果均逐漸降低。這是由于覆膜過程中膜的結構性能逐漸變?nèi)?，使得水蒸汽分子更容易穿透過覆蓋地膜形成的封閉層散失到環(huán)境中并促進膜的內(nèi)層溫度向外散失，從而導致膜的保溫和保墑效果逐漸降低。

2.2.3 降解性能分析

土埋初期，地膜的降解不明顯。在土埋15 d進行第一次取樣，之后隔5 d取樣。通過考察地膜樣品的失重率和力學性質(zhì)差異來評價其降解情況。馬鈴薯淀粉基可降解地膜的降解性能隨時間變化關系如圖7和圖8所示。

由圖7可知，隨著土埋天數(shù)的增加，地膜呈現(xiàn)出先慢后快的降解趨勢。土埋15 d時，地膜的降解率為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為所用制膜淀粉原料和增塑劑聚乙烯醇所含有大量的碳元素和羥基所導致。降解過程中，微生物在充足碳源滋養(yǎng)下迅速增殖生長，從而促進地膜的降解。同時，膜內(nèi)大量存在的羥基使得環(huán)境中的水分易于進入地膜內(nèi)部產(chǎn)生溶解作用，地膜內(nèi)部結構和穩(wěn)定性迅速遭到破壞，進一步加快地膜的降解程度[15]。圖中膜的力學性能測試結果也能印證這一推論?？傊狙芯克苽涞鸟R鈴薯淀粉基可降解地膜顯示出了良好的自然可降解性。

3 結論

通過對成膜基質(zhì)淀粉、增塑劑聚乙烯醇及其與溶劑水的固液比等單因素調(diào)控試驗，得出了以流延法制備出馬鈴薯淀粉基可降解地膜材料的優(yōu)化工藝條件。結果表明：

（1）馬鈴薯淀粉與聚乙烯醇的物料比為0.7 時，用50 mL去離子水糊化馬鈴薯淀粉，100 mL去離子水溶解聚乙烯醇，所得成膜鑄液的黏度適中，流動性和成膜性能均較好。

（2）膜的性能測試結果表明，馬鈴薯淀粉基可降解地膜材料具有良好的保溫、保墑及降解性能。

（3）覆蓋地膜后，溫度升高較為明顯，失水率也大幅降低。土埋60 d以后，地膜的降解率接近60%。

馬鈴薯淀粉基地膜材料具有較好性能，將有助于化解因傳統(tǒng)塑料地膜所導致的耕地“白色污染”問題。

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（責任編輯：于慧梅）

Study on Preparation and Properties of Potato

Starch-based Degradable Mulch

LI Jinhai1， XU Yuanwei2， ZHAO Jun*2， DENG Weinan2， LU Pili1

（School of Materials Science and Engineering， Guizhou Minzu University， Guiyang 550025， China;

2. School of Chemical Engineering， Guizhou University of Engineering Science， Bijie 551700， China）

Abstract：

To eliminate the white pollution caused by the extremely slow degradation of the general mulch， starch and polyvinyl alcohol （PVA） were chosen as raw material as they are rich in carbon source and the hydroxyl， they could be easily degraded. Through the single-actor experiment? on starch，

was employed to optimize the process conditions of potato starch-based biodegradable mulch preparation such as starch， PVA and solvent/water， and so on.

polyvinyl alcohol and solvent water， the optimized technological conditions for the preparation of potato starch-based degradable mulch by the method of cape casting were obtained.

The results of performance tests show that the potato starch based degradable mulch exhibited good heat preservation， moisture retention and degradation properties. After mulching， the temperature increased significantly and the rates of water loss also decreased significantly. The degradation property of the mulch was investigated by soil burial test， the results show that the degradation rate of the mulche was nearly 60% after 60 days.

Key words：potato; starch; mulch

收稿日期：2020-03-15

基金項目：貴州省普通高等學校山地生態(tài)友好型地膜開發(fā)應用重點實驗室資助項目（黔教合KY字[2016]010）

作者簡介：李金海（1978-），男，教授，博士，研究方向：新型環(huán)保材料，Email： 2463462628@qq.com.

通訊作者：趙 軍，Email： 190554617@qq.com.