不同土壤中生物降解薄膜的降解效果研究

1、    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），聚對苯二甲酸-己二酸-丁二醇酯（pbat）為基材，通過共混、吹膜、印刷等工藝制備可商品化使用的pla/pbat全生物降解薄膜，研究了自制全生物降解薄膜與多種商用可降解、不可降解薄膜的力學(xué)性能，以及在黏土、栽培土等不同土壤中的生物降解性能。結(jié)果表明：pla/pbat薄膜在土壤中的生物降解程度更高，降解效果十分明顯，薄膜在掩埋6個(gè)月后完全崩解破碎。而且與自然環(huán)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。本研究為生物降解薄膜的商業(yè)使用和處理提供了指導(dǎo)。前言塑料污染是當(dāng)今世界

2、面臨的一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問題，研究者們認(rèn)為，使用可生物降解塑料是解決塑料污染的可行方案之一。聚乳酸（pla）和聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯（pbat）是目前應(yīng)用最為廣泛的可生物降解材料，在微生物環(huán)境中可以被完全水解為co2和h2o。有研究表明，在自然環(huán)境中，可生物降解材料的降解可大致分為兩個(gè)過程：簡單水解和酶催化降解。簡單水解是水分子攻擊聚酯分子中的酯鍵，使其分解為羧酸和醇的反應(yīng)，主要受水解環(huán)境的溫度、濕度、酸度以及聚合物本身的性質(zhì)等因素影響;而聚酯的酶催化降解是指聚酯分子先水解為低聚物，然后相關(guān)微生物進(jìn)入其組織物內(nèi)，在微生物產(chǎn)生的特定酶的作用下，被分解為二氧化碳和水，此過程與天然聚合物的降解不同，

3、屬于間接方式降解。rudnik和briassoulis比較了生物降解材料在堆肥環(huán)境下和自然環(huán)境下的降解效果，結(jié)果表明，生物降解材料在堆肥環(huán)境和自然環(huán)境下都可以被有效降解。本文選取了兩種不同的土壤，比較它們對生物降解薄膜材料降解效果的影響，為開發(fā)適應(yīng)不同貨架期的全降解包裝材料提供參考和指導(dǎo)，進(jìn)一步促進(jìn)環(huán)保包裝材料的推廣使用。實(shí)驗(yàn)部分1.試劑與儀器聚乙烯（pe），牌號(hào)7042、2426k，購自蘇州強(qiáng)輝塑化有限公司;pla/pbat降解母料，牌號(hào)fp-0325，購自吉林森瑞達(dá)高新科技有限公司。三層共擠吹膜機(jī)，fm3-1700型，由佛山市順德區(qū)雄球塑料機(jī)械有限公司生產(chǎn)。熱切制袋機(jī)，rfq型，由瑞安市瑞

4、機(jī)包裝機(jī)械廠生產(chǎn)。微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，e43.104型，由美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司生產(chǎn)。2.薄膜制備過程稱取4kg pla/pbat降解母料于真空干燥箱中60下干燥12小時(shí)，然后冷卻至室溫。冷卻后的pla/pbat降解母料放置于吹膜機(jī)螺桿進(jìn)料斗中制備三層生物降解薄膜。吹膜機(jī)螺桿溫度控制在135155。通過調(diào)節(jié)螺桿牽引速率，調(diào)節(jié)pla/pbat降解母料的進(jìn)料速率，從而確定最佳的螺桿牽引速率，牽引速率控制在1014m/min。吹膜實(shí)驗(yàn)前后需稱取2kg pe塑料用來清洗吹膜機(jī)。3.測試與表征力學(xué)性能測試：按照gb/t 1040.3-2006測試，首先將薄膜制備成啞鈴形標(biāo)準(zhǔn)樣條，然后分別在3

5、個(gè)不同部位測試薄膜厚度，取平均值。設(shè)定拉伸標(biāo)距為50mm，拉伸速率為20mm/min，每種薄膜分橫向與縱向各取6個(gè)平行樣進(jìn)行檢測，同時(shí)測試薄膜的黏合向拉斷力。土壤掩埋試驗(yàn)：分別裁取6片10cm×10cm的自制pbat/pla生物降解薄膜（簡稱“yt薄膜”）、普通pe薄膜（簡稱“sf薄膜”）、市售pbat/pla/淀粉薄膜（簡稱“cn薄膜”）、市售pla薄膜（簡稱“pla薄膜”）、市售pbat薄膜（簡稱“pbat薄膜”），分別掩埋于自然粘土環(huán)境、裝有栽培土的容器中，掩埋深度均為10cm，每隔兩個(gè)月取樣進(jìn)行觀察。結(jié)果與討論1.土壤掩埋試驗(yàn)前各種薄膜力學(xué)性能的對比最大拉伸應(yīng)力和最大拉伸應(yīng)變

6、（又稱“拉伸強(qiáng)度”和“斷裂伸長率”）往往是薄膜類包裝材料最重要的力學(xué)性能和質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)之一。圖1為土壤掩埋試驗(yàn)前各種薄膜力學(xué)性能的對比圖。從圖1可以看出，yt薄膜的平均最大拉伸應(yīng)力為13.4mpa，平均最大拉伸應(yīng)變?yōu)?42%;sf薄膜的平均最大拉伸應(yīng)力為9.4mpa，平均最大拉伸應(yīng)變?yōu)?25%;cn薄膜的平均最大拉伸應(yīng)力為12.2mpa，平均最大拉伸應(yīng)變?yōu)?41%;pla薄膜的平均最大拉伸應(yīng)力為66.3mpa，平均最大拉伸應(yīng)變?yōu)?.7%;pbat薄膜的平均最大拉伸應(yīng)力為12.1mpa，平均最大拉伸應(yīng)變?yōu)?34%。拉伸強(qiáng)度由大到小依次為：pla>yt>cn>pbat>sf

7、，斷裂伸長率由大到小依次為：sf>cn>pbat>yt>pla。從結(jié)果可以看出，可降解薄膜的拉伸強(qiáng)度均大于普通pe薄膜，斷裂伸長率則均小于普通pe薄膜，說明可降解薄膜主要特點(diǎn)在于強(qiáng)度較好，韌性相對欠缺。對比各類材質(zhì)的可降解薄膜，pla薄膜的拉伸強(qiáng)度最高，達(dá)66.3mpa，遠(yuǎn)高于yt薄膜（pbat/pla共混）、cn薄膜（pbat/pla/淀粉共混）和pbat薄膜，但斷裂伸長率卻最低，僅為4.7%，也遠(yuǎn)低于其他材質(zhì)的生物降解薄膜。由此可知，在可降解薄膜中，pla成分主要賦予薄膜剛性，pbat成分主要賦予薄膜韌性。2.栽培土掩埋試驗(yàn)中各種薄膜的形貌對比圖2為栽培土環(huán)境下掩埋

8、的各種薄膜的外觀形貌變化。從圖2（a）可以看出，隨著掩埋時(shí)間的增加，以pe材料制作的sf薄膜，在6個(gè)月周后外觀無明顯變化，樣品完整無缺;以pbat/pla/淀粉制作的cn薄膜，掩埋后兩個(gè)月后表面有大小不一的黑色菌斑，但掩埋時(shí)間增加，從外面形貌上沒有明顯變化;然而，以pbat/pla材料制作的yt薄膜，無論印刷與否，經(jīng)過兩個(gè)月降解，樣品已經(jīng)出現(xiàn)收縮、崩解的現(xiàn)象，并且隨著掩埋時(shí)間的增加，崩解程度越高;到掩埋6個(gè)月時(shí)，樣品已經(jīng)成為直徑小于5mm的碎片。從圖2（b）可以看出，pla薄膜和pbat薄膜在掩埋兩個(gè)月后均出現(xiàn)小范圍的破裂，并且隨著掩埋時(shí)間的增加破裂程度逐漸增大，但碎片普遍較大，降解效果不如y

9、t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對比圖3為pbat/pla生物降解薄膜在自然黏土和栽培土中的降解效果對比。從圖3可以看出，與栽培土中的快速破裂降解不同，在自然環(huán)境下的黏土中，yt薄膜的外觀變化也不太明顯，在掩埋6個(gè)月后，只有局部的收縮，沒有出現(xiàn)明顯的菌斑、裂紋或者破碎。這可能與黏土中微生物含量較少、相對濕度較低，以及沒有受到陽光直射有關(guān)。因?yàn)樵陉柟庾贤饩€的照射下，空氣中的氧氣會(huì)分解產(chǎn)生自由基，自由基作用于材料分子鏈的化學(xué)鍵，會(huì)導(dǎo)致分子側(cè)鏈被氧化斷鏈、大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐步水解為低聚物，再被微生物進(jìn)一步分解成二氧化碳和水。黏土中缺乏陽光照射，自由基含量較低，同時(shí)缺乏充足的水分，較難產(chǎn)生第一步高聚物水解為低聚物的反應(yīng)，導(dǎo)致降解速率和效果受影響。結(jié)論在可降解薄膜中，pla成分主要賦予薄膜剛性，pbat成分主要賦予薄膜韌性。pla/pbat薄膜在土壤中的生物降解程度更高，降解效果十分明顯，在掩埋6個(gè)月后完全崩解破碎。相比之下，pe薄膜和市售pbat/pla/淀粉薄