申请日2012.02.24
公开(公告)日2012.07.25
IPC分类号C05G3/00; A01G13/02
摘要
本发明涉及一种污泥基可降解地膜及其制备方法。该地膜的主要成分为污泥集料。本发明是通过对污泥集料进行预处理，并与粘合剂以及增塑剂等材料混合反应，制备出可降解生物质农用地膜。该地膜成本低廉，兼顾保墒，保温，缓释增肥的功能，并且降解周期可以满足普通作物整个生长期的覆盖需求，是一种具有较大市场潜力的农用产品。
权利要求书
1.一种污泥基可降解地膜，其中：所述地膜包括污泥集料，所述 污泥集料在地膜中的含量为10～80wt%。
2.根据权利要求1所述的地膜，其特征在于：所述污泥集料在地 膜中的含量为10～60wt%;所述污泥集料为污泥，或者是污泥与发酵 废渣、农业生物废弃物和腐殖质中至少一种的复配物。
3.根据权利要求2所述的地膜，其特征在于：
所述污泥包括淤泥、污水处理厂的初次污泥、剩余活性污泥、厌 氧消化污泥中的一种或多种;
所述发酵废渣选自柠檬酸渣、酒糟、青霉废菌丝体、豆粕渣、头 孢菌渣和酱渣中的至少一种;
所述农业生物废弃物选自豆皮、甘蔗渣、玉米芯粉料、废弃淀粉、 植物秸秆或植物秸秆废弃物中的至少一种。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的地膜，其特征在于：所述 地膜中还含有增塑剂，其在地膜中的含量为0～30wt%;所述增塑剂选 自醇类增塑剂、柠檬酸酯类增塑剂、环氧类增塑剂、尿素和丁二酸(-2- 乙基)己酯磺酸钠中的一种或多种。
5.根据权利要求1到3中任一项所述的地膜，其特征在于：所述 地膜中还含有膜支撑材料，包括纤维材料和/或无机填料，其在地膜中 的含量为0～10wt%;
其中，所述纤维材料包括天然纤维和/或化学纤维;
所述无机填料选自重质碳酸钙、滑石粉、高岭土和硅灰石粉中的 一种或多种。
6.根据权利要求1到3中任一项所述的地膜，其特征在于：所述 地膜的表面还含有防水剂，其在地膜中的含量为0～10wt%;所述防水 剂为丙烯酸酯乳液、硅丙乳液、硅溶胶和聚氨酯中的至少一种。
7.一种根据权利要求1～6中任意一项所述地膜的制备方法，包 括：
步骤A，对污泥集料进行预处理，并调节pH值制得中性污泥集 料浆液;
步骤B，将中性污泥集料浆液与粘合剂进行搅拌反应，在其反应 前后可选择性的加入增塑剂和/或膜支撑材料进行搅拌混合，制得成膜 混合物浆液;
步骤C，将成膜混合物浆液制成地膜;
其中，步骤A中所述预处理选自酸法预处理、碱法预处理、高温 蒸煮法预处理或爆破法预处理中的至少一种;
所述酸法预处理中酸的用量为污泥集料的0～15wt%;所述酸法预 处理的反应条件为：温度10～150℃，时间10min～72h，搅拌转速 0～250rpm;
所述碱法预处理中碱的用量为污泥集料的0～15wt%;所述碱法预 处理的反应条件为：温度10～150℃，时间10min～72h，搅拌转速 0～250rpm;
所述高温蒸煮法预处理的反应温度为120～170℃;
所述爆破法预处理包括蒸汽爆破法预处理和/或氨气爆破法预处 理。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：步骤B中混 合及反应条件均为：温度30～220℃，时间10min～10h，搅拌转速为 50～250rpm;
步骤B中所述粘合剂包括高分子聚合物粘合剂或其他粘合剂，其 用量为污泥集料的5～50wt%;
其中，所述高分子聚合物粘合剂选自聚醋酸乙烯酯、聚乙二醇、 聚乙烯醇、聚乳酸、聚丁二酸丁二酯、聚-β-羟丁酸、聚羟基脂肪酸酯 和聚氨酯中的至少一种;所述其他粘合剂选自壳聚糖、淀粉、丙烯酸 酯乳液、明胶、羟乙基纤维素或海藻酸钠中的至少一种。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：步骤C采用 成膜工艺将成膜混合物浆液制成地膜;所述成膜工艺包括吹塑成型、 抄造成型、流延成型、熔融挤出或拉伸成型、喷雾法喷洒成膜或者是 采用膜支撑材料作为骨架成膜。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述制备方 法还包括在步骤C之后采用防水剂对所述地膜进行防水处理，其中所 述防水处理包括浸泡法或喷涂法。
说明书
一种污泥基可降解地膜及其制备方法
技术领域
本发明属于生物材料领域，涉及一种污泥基可降解地膜及其制备 方法。
背景技术
地膜用于地面覆盖，以提高土壤温度，保持土壤水分，维持土壤 结构，防止害虫侵袭作物和某些微生物引起的病害等，具有促进植物 生长的功能。近年来，农用地膜已经广泛应用于农业生产栽培，成为 继化肥、农药后的第三大农资。目前，国内地膜覆盖面积在1400万 公顷以上，年用量约为44万吨，其覆盖面积和用量均列世界第一。 专家预测，2015年全国地膜覆盖面积将扩大到2000多万公顷。
然而随之而来的残膜对农业生态环境造成的“白色污染”问题越 来越严重。目前使用的农膜以化纤作原料，其主要成分是聚丙烯、聚 乙烯、聚氯乙烯，可在田间残留几十年不降解，连年使用导致碎膜逐 年累积于土壤耕层，造成土壤板结、通透性变差、根系生长受阻，后 茬作物减产。此外，石油能源紧缺引起地膜生产原料丙烯酸等上涨， 使得地膜价格和可持续发展问题日益突出。以上诸多原因使得可生物 降解地膜的研究和推广在国内外引起了极大的关注。
专利CN1445275提出以聚乙烯醇为主要原料制备可生物降解地 膜，在现场溶于水后，喷洒于地表，形成薄膜，其特点是该膜可生物 降解，避免白色污染，但是由于聚乙烯醇价格较为昂贵，此地膜成本 较高，农业适用性不强。
专利CN200810023959提出以淀粉为主要原料，与可降解聚合物 共混，吹塑成膜，此地膜以粮食淀粉为主要原料，在全球粮食日益短 缺，粮食价格不断上涨的环境下，此种地膜难于推广。
专利CN1094960C提出以天然有机质土为主要原料制备可降解地 膜，经过1.5～2个月该地膜可降解或翻地进入土壤成为有机养分，但 是一般农作物种植收获期为3～6个月，该地膜降解速度过快，不能满 足普通作物整个生长期的覆盖需求，难以推广。
专利CN1277228A提供了一种以沥青、淀粉为原料，同时添加微 肥和除草剂，用喷雾器现场喷造的可生物降解的黑色农用地膜，但膜 在30天后开始碎裂，在60天就会完全降解，未能达到农作物整个生 长期内保温、保墒的效果，而且所用原料都为粮食及石油基来源，这 将很大程度上增加制膜的成本。
因此，目前需要开发一种原料成本低廉，具有3～6个月的稳定性， 在农作物的发芽和生长期能够具备保温、保墒作用，并具有较好的可 降解性的非粮食基及非石油基地膜。
发明内容
为解决上述问题，本发明涉及一种污泥基可降解地膜及其制备方 法。该地膜的主要成分为污泥集料，是通过对污泥集料进行预处理， 并与粘合剂以及增塑剂等材料混合反应，制备出可降解生物质农用地 膜。该地膜成本低廉，兼顾保墒，保温，缓释增肥的功能，并且降解 周期可以满足普通作物整个生长期的覆盖需求。
为此，本发明提供了一种污泥基可降解地膜，其中，所述地膜包 括污泥集料，所述污泥集料在地膜中的含量为10～80wt%。
根据本发明，优选所述污泥集料在地膜中的含量为10～60wt%。所 述污泥集料为污泥，或者是污泥与发酵废渣、农业生物废弃物和腐殖 质中至少一种的复配物。
在本发明的一个实施例中，所述污泥包括淤泥、污水处理厂的初 次污泥、剩余活性污泥、厌氧消化污泥中的一种或多种。所述发酵废 渣选自柠檬酸渣、酒糟、青霉废菌丝体、豆粕渣、头孢菌渣和酱渣中 的至少一种。所述农业生物废弃物选自豆皮、甘蔗渣、玉米芯粉料、 废弃淀粉、植物秸秆或植物秸秆废弃物中的至少一种。
上述用语“植物”，并不仅限于人工种植的农作物和植物，也包括 非人工种植的天然植物。
根据本发明，所述地膜中还含有增塑剂，其在地膜中的含量为 0～30wt%。所述增塑剂选自醇类增塑剂、柠檬酸酯类增塑剂、环氧类 增塑剂、尿素和丁二酸(-2-乙基)己酯磺酸钠(AOT)中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，所述醇类增塑剂选自山梨醇、甘油、 乙二醇或甘露醇中的至少一种;所述柠檬酸酯类增塑剂选自柠檬酸三 丁酯(TBC)、柠檬酸三辛酯(TOC)、乙酰柠檬酸三丁酯(ATBC) 或乙酰柠檬酸三辛酯(ATOC)中的至少一种;环氧类增塑剂选自环 氧大豆油、环氧乙酰亚麻油酸甲酯、环氧糠油酸丁酯、环氧蚕蛹油酸 丁酯、环氧大豆油酸辛酯或9，10-环氧硬脂酸辛酯中的至少一种。
根据本发明，所述地膜中还含有膜支撑材料，包括纤维材料和/ 或无机填料，其在地膜中的含量为0～10wt%。
其中，所述纤维材料包括天然纤维和/或化学纤维。所述天然纤维 选自种子纤维如棉、木棉，韧皮纤维如亚麻、苎麻、黄麻、竹纤维以 及矿物纤维如石棉类中的至少一种;所述化学纤维选自人造纤维如黏 胶纤维、醋酸纤维、铜氨纤维，合成纤维如聚酯纤维(涤纶)、聚酰 胺纤维(锦纶或尼龙)、聚乙烯醇纤维(维纶)、聚丙烯腈纤维(腈纶)、 聚丙烯纤维(丙纶)、聚氯乙烯纤维(氯纶)，无机纤维如玻璃纤维、 碳纤维。
所述无机填料选自重质碳酸钙、滑石粉、高岭土和硅灰石粉中的 一种或多种。
根据本发明，所述地膜的表面还含有防水剂，其在地膜中的含量 为0～10wt%。所述防水剂为丙烯酸酯乳液、硅丙乳液、硅溶胶和聚氨 酯中的至少一种。
本发明还提供了一种根据本发明所述地膜的制备方法，包括：
步骤A，对污泥集料进行预处理，并调节pH值制得中性污泥集 料浆液;
步骤B，将中性污泥集料浆液与粘合剂进行搅拌反应，在其反应 前后可选择性的加入增塑剂和/或膜支撑材料进行搅拌混合，制得成膜 混合物浆液;
步骤C，将成膜混合物浆液制成地膜;
其中，步骤A中所述预处理选自酸法预处理、碱法预处理、高温 蒸煮法预处理或爆破法预处理中的至少一种。
根据本发明方法，所述酸法预处理中酸的用量为污泥集料的 0～15wt%。所述酸法预处理的反应条件为：温度10～150℃，时间 10min～72h，搅拌转速0～250rpm。
所述碱法预处理中碱的用量为污泥集料的0～15wt%。所述碱法预 处理的反应条件为：温度10～150℃，时间10min～72h，搅拌转速 0～250rpm。
所述高温蒸煮法预处理的反应温度为120～170℃。
所述爆破法预处理包括蒸汽爆破法预处理和/或氨气爆破法预处 理。
上述酸法预处理和碱法预处理，包括在一定搅拌转速条件下对污 泥集料进行动态搅拌处理，以及在搅拌转速为0rpm的条件下对污泥集 料进行静态浸泡处理。
在一个实施例中，例如，在搅拌转速为0rpm的条件下，可以采用 酸法预处理或碱法预处理对污泥集料进行静态浸泡处理10min～72h。
在另一个实施例中，例如，在一定搅拌转速条件下，可以采用酸 法预处理或碱法预处理对污泥集料进行动态搅拌处理10min～10h。
在根据本发明方法的一个实施例中，蒸汽爆破的压力为 0.6～2.7MPa，维持时间为60～360s。
在根据本发明方法的一个实施例中，氨气爆破的压力为 0.5～1.5MPa，维持时间为10～60min。
根据本发明方法，步骤A采用中和剂调节pH值，所述中和剂为酸 或碱，其用量为污泥集料的0～20wt%，其反应条件与酸或碱预处理的 反应条件相同。
步骤A中所述酸和/或碱可以直接加入也可以配制成溶液加入。
在本发明的一个实施例中，步骤A中所述碱选自有机碱、无机碱 或碱性无机盐中至少一种，所述酸选自有机酸、无机酸或酸性无机盐 中至少一种;例如，所述无机碱选自氢氧化钠，氢氧化钾，氨水或氢 氧化钙等无机碱中的至少一种;所述有机碱选自甲醇钠，乙醇钾或叔 丁醇钾等有机碱中的至少一种;所述碱性无机盐选自碳酸钠、乙酸钠 或磷酸钠等碱性无机盐中的至少一种;又例如，所述无机酸选自硫酸， 硝酸，盐酸或磷酸等无机酸中的至少一种;所述有机酸选自羧酸，磺 酸，亚磺酸，腐殖酸或硫羧酸等有机酸中的至少一种，所述酸性无机 盐选自Fe、Cu、Al或铵类等酸性无机盐中的至少一种。
上述步骤A中所述预处理方法，可以根据污泥集料的组成选择 使用，这些预处理方法可以单独使用，也可以组合使用。例如， 在本发明的一个实施例中，可以用酸法或碱法污泥集料进行预处 理;也可以用高温蒸煮法对污泥集料进行预处理。
在本发明的另一个实施例中，先用蒸汽或氨气爆破法对植物 秸秆进行预处理，再采用酸法或碱法对污泥集料进行预处理。
根据本发明方法，步骤B中混合及反应条件均为：温度30～220℃， 时间10min～10h，搅拌转速为50～250rpm。
根据本发明方法，步骤B中所述粘合剂包括高分子聚合物粘合剂 或其他粘合剂，其用量为污泥集料的5～50wt%。
其中，所述高分子聚合物粘合剂选自聚醋酸乙烯酯、聚乙二醇、 聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二酯(PBS)、聚-β- 羟丁酸(PHB)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)和聚氨酯中的至少一种;所 述其他粘合剂选自壳聚糖、淀粉、丙烯酸酯乳液、明胶、羟乙基纤维 素或海藻酸钠中的至少一种。
粘合剂与污泥集料浆液、增塑剂或膜支撑材料反应后，以键合的 形式存在于膜混合物浆液中，少量未反应的粘合剂或发生自聚作用的 粘合剂则以粘合剂的形式存在于膜混合物浆液中。
在根据本发明方法的一个实施例中，步骤C采用成膜工艺将成膜 混合物浆液制成地膜;所述成膜工艺包括吹塑成型、抄造成型、流延 成型、熔融挤出或拉伸成型、喷雾法喷洒成膜或者是采用膜支撑材料 作为骨架成膜，例如，可以采用纤维材料作为膜支撑材料以经纬线交 错作为骨架成膜。
根据本发明方法，所述制备方法还包括在步骤C之后采用防水剂 对所述地膜进行防水处理，其中所述防水处理包括浸泡法或喷涂法。
上述步骤C制得的地膜在进行防水处理和使用前，可以进行干燥 处理。
根据本发明方法制得的污泥基地膜根据污泥添加量不同，颜色为 黄色，棕色，褐色或黑色薄膜，其厚度，例如，可以制成0.1～0.4mm。
采用螺旋测微计测量地膜厚度。对所制得的地膜进行膜覆盖试 验，并在每个小区10cm土层处埋设热敏电阻地温计1根，测定土壤 温度，以评价地膜的保温性能;用土钻法取样，并采用烘干减重法测 定作物生育期内土样深度分别为0～10、15～25、35～45和55～65cm土 层土壤平均水含水量，以评价地膜的保湿性能;对所制得的地膜进行 土埋试验，并采用减重法测量地膜降解前后重量，计算其损失率，以 评价地膜的可降解性。
污泥中含有28.7%～40.9%的粗蛋白，26.4%～46.0%灰分，26.6% ～44.0%纤维素和0～3.7%脂肪酸，有机质含量超过55%。本发明以污 泥或污泥与其他发酵废渣和/或废弃物形成的复配物，交联后制成一种 成本低廉，兼顾保墒，保温，增肥的功能，可以满足普通作物整个生 长期的覆盖需求，农民易于接受的新型可生物降解地膜。
该地膜将污泥及废弃物进行了再利用，价格低廉，解决了石油基 地膜白色污染的问题，同时又解决了未处理掉的活性污泥造成的环境 污染和资源浪费的问题。污泥中富含的有机物随着地膜降解可以作为 有机肥料缓慢释放到土壤中，对农作物生长有很强的促进作用。土埋 试验显示，使用该地膜的土地较裸地可提高地温1℃～8℃，较裸地可 提高土壤含水量5%～60%，具有保温、保墒的作用。该发明地膜降解 情况适中，土埋实验3～6个月后将降解70%，8个月后完全降解。
