海藻酸鈉地膜制備及其性能研究

劉 露, 趙宏濤, 張鵬鵬, 閆洪雪, 李 麗, 梁文輝

(1. 青島明月海藻集團(tuán)有限公司海藻活性物質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266400；2.青島明月藍(lán)海生物科技有限公司，山東青島 266400)

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海藻酸鈉地膜制備及其性能研究

劉 露1, 趙宏濤2, 張鵬鵬2, 閆洪雪1, 李 麗1, 梁文輝2

(1. 青島明月海藻集團(tuán)有限公司海藻活性物質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266400；2.青島明月藍(lán)海生物科技有限公司，山東青島 266400)

摘要[目的]針對(duì)塑料地膜造成的白色污染問(wèn)題，研究了可降解海藻酸鈉地膜的制備方法。[方法]研究了海藻酸鈉濃度、增塑劑種類及濃度和持水劑濃度對(duì)膜性能的影響，并通過(guò)大田試驗(yàn)研究了膜的降解情況。[結(jié)果]隨著海藻酸鈉濃度的增大，膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率逐漸上升。增稠劑提高了膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，其中羧甲基纖維素鈉的效果最好。持水劑使膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率降低，但解決了膜干裂的問(wèn)題。[結(jié)論]海藻酸鈉地膜最佳成膜液的組成為：1.0%海藻酸鈉、0.2%羧甲基纖維素鈉和0.6%甘油，此時(shí)海藻酸鈉地膜的膜薄、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率高、透光率好，且可生物降解。

關(guān)鍵詞海藻酸鈉；地膜；可降解

塑料地膜的應(yīng)用給傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)帶來(lái)了一次技術(shù)性變革，但隨著塑料地膜使用量的增加，其負(fù)面作用也日益明顯[1]。首先，塑料地膜的回收困難，即使是回收的殘膜也沒(méi)有有效的處理辦法；其次，殘存在土壤里的膜可形成土壤阻遏層，影響作物根系的發(fā)育和對(duì)水肥的吸收，使農(nóng)作物減產(chǎn)[2]。為此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要一種既具有塑料地膜保墑保水作用又不產(chǎn)生環(huán)境污染的地膜。 海藻酸鈉是海藻中含量較高的一種多糖，其分子是由β-D-1,4-甘露糖醛酸(簡(jiǎn)稱M)和α-L-1,4-古羅糖醛酸(簡(jiǎn)稱G)兩種單體組成的嵌段式線性聚合物[3]。海藻酸鈉與Ca2+形成凝膠，具有良好的成膜性能[4]，并具有良好的生物相容性和生物可降解性，是可降解地膜材料的比較好的選擇。筆者針對(duì)海藻酸鈉地膜強(qiáng)度低、質(zhì)脆和干裂的問(wèn)題，通過(guò)添加增塑劑提高膜的強(qiáng)度，添加持水劑解決干裂的問(wèn)題，并確定了海藻酸鈉地膜最佳成膜液的組成。

1 材料與方法

1.1 材料 海藻酸鈉(由青島明月海藻集團(tuán)提供)、羧甲基纖維素鈉、甘油、玉米淀粉、可溶性淀粉、明膠和硝酸鈣等均為分析純。

1.2儀器主要儀器包括電子天平(梅特勒-托利多，PL2002)、臺(tái)式千分測(cè)厚儀(上海六菱儀器廠，CH-1-S)、萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司，XLW-PC型)、透光率測(cè)定儀(上海精密科學(xué)儀器有限公司，WGT-S)、超凈工作臺(tái)(蘇凈集團(tuán)蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司，SW-CJ-2F)。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1 制膜工藝。 將海藻酸鈉加水溶解后，添加增塑劑充分溶解，混合均勻后，經(jīng)窄縫噴頭噴成簾狀濕膜[5]，再以2%硝酸鈣溶液交聯(lián)5 min后成膜。室溫下自然干燥后揭膜備用。

1.3.2 海藻酸鈉濃度的確定。 將海藻酸鈉配制成濃度0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%和1.6%的水溶液，定量噴施，干燥后揭膜，根據(jù)海藻酸鈉的成膜及物理性能確定海藻酸鈉濃度。

1.3.3 增塑劑種類的選擇及濃度確定。 在海藻酸鈉溶液中分別添加0.2%羧甲基纖維素鈉、可溶性淀粉、瓊脂和明膠，完全溶解并混合均勻后噴施，干燥后揭膜，根據(jù)膜的物理性能確定增塑劑種類。 將選定的增塑劑分別以0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%的濃度添加，完全溶解并混合均勻后噴施，干燥后揭膜，根據(jù)膜的物理性能確定增塑劑濃度。

1.3.4 持水劑濃度的確定。在海藻酸鈉和增塑劑的混合溶液中添加濃度0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%的甘油，混合均勻后噴施，干燥后揭膜，根據(jù)膜的物理性能確定持水劑濃度。

1.3.5 膜厚度的確定。 使用測(cè)厚儀測(cè)定地膜的厚度，每張待測(cè)樣品膜測(cè)定其4個(gè)頂點(diǎn)和中心點(diǎn)的厚度，以其平均值作為膜的厚度值。

1.3.6 拉伸強(qiáng)度的測(cè)定。 根據(jù)GB/T 1040.3-2006塑料薄膜拉伸性能試驗(yàn)方法，使用智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)膜的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。其中，拉伸速度為(250±50)mm/min，夾具間距為100 mm，試樣尺寸150 mm×15 mm。

1.3.7 透光率的測(cè)定。 根據(jù)GB2410-80透明塑料透光率和霧度試驗(yàn)方法測(cè)定透光率。

1.3.8 地膜降解時(shí)間的測(cè)定。 將海藻酸鈉地膜噴施于菜園表面和埋于地下，觀察海藻酸鈉地膜的降解情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 海藻酸鈉濃度的確定由表1可知，隨著海藻酸鈉濃度的增加，膜的厚度、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率呈升高趨勢(shì)，透光率呈下降趨勢(shì)。海藻酸鈉濃度越大，溶液的黏度也越大。當(dāng)海藻酸鈉濃度低于1.0%時(shí)，膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率較低，膜極易拉斷。當(dāng)海藻酸鈉濃度大于1.0%時(shí)，海藻酸鈉溶液黏度較大，而隨著濃度的提高，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率增長(zhǎng)幅度較小。因此，選擇海藻酸鈉濃度為1.0%。

表1　海藻酸鈉濃度對(duì)膜性能的影響

2.2增塑劑種類的選擇及濃度確定由表2可知，羧甲基纖維素鈉和瓊脂對(duì)膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響較大，比不添加增塑劑時(shí)明顯提高。由于瓊脂需高溫溶解，在地膜應(yīng)用時(shí)不如羧甲基纖維素方便，因此增塑劑選擇羧甲基纖維素鈉。由表3可知，隨著羧甲基纖維素鈉濃度的增加，膜的厚度、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率呈升高趨勢(shì)，透光率呈下降趨勢(shì)。當(dāng)羧甲基纖維素鈉濃度大于0.2%時(shí)，隨著濃度的提高，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率增長(zhǎng)幅度較小。因此，選擇羧甲基纖維素鈉濃度為0.2%。

表2　 不同種類增塑劑對(duì)膜性能的影響

表3　不同濃度的增塑劑對(duì)膜性能的影響

2.3持水劑濃度的確定 因?yàn)楦视途哂谐炙竦淖饔茫砑拥侥ぶ锌煞乐沟啬じ闪选Ｒ虼耍芯苛瞬煌瑵舛鹊母视蛯?duì)膜性能的影響。由表4可知，添加甘油后，膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都有所降低，甘油濃度越高，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率越低，這可能是由于甘油是小分子物質(zhì)，影響了膜的交聯(lián)性。當(dāng)甘油濃度大于0.6%時(shí)，膜的拉伸強(qiáng)度急劇下降。因此，選擇甘油濃度為0.6%。

表4　不同濃度的甘油對(duì)膜性能的影響

2.4地膜降解時(shí)間的測(cè)定大田試驗(yàn)結(jié)果表明，噴施在菜園表面的海藻酸鈉地膜5個(gè)月時(shí)保持完整，6個(gè)月時(shí)開(kāi)始降解，12個(gè)月時(shí)完全降解。埋在地下的地膜2個(gè)月時(shí)開(kāi)始降解，4個(gè)月時(shí)已完全降解。可見(jiàn)，海藻酸鈉地膜可完全降解，對(duì)環(huán)境無(wú)害。

3 討論與結(jié)論

針對(duì)塑料地膜使用造成的白色污染問(wèn)題，制備了可降解的海藻酸鈉地膜，并對(duì)膜性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明，添加0.2%的羧甲基纖維素鈉為增塑劑，0.6%的甘油為持水劑，可提高膜的強(qiáng)度和保水性。大田試驗(yàn)結(jié)果表明，噴施在菜園表面的海藻酸鈉地膜可保持5個(gè)月，12個(gè)月時(shí)完全降解。

與許加超等[6]、張青等[7]選擇氯化鈣相比，硝酸鈣作為交聯(lián)劑可作氮肥使用，而氯離子可能會(huì)影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育。且大規(guī)模使用時(shí)，硝酸鈣的價(jià)格要明顯低于乳酸鈣、乙酸鈣等。可見(jiàn)，硝酸鈣是地膜材料的最佳選擇。在海藻酸鈉地膜中添加羧甲基纖維素鈉后，膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率明顯提高，提高了膜的強(qiáng)度，這與盧星池等[8]的研究結(jié)果一致，這可能與羧甲基纖維素鈉是大分子物質(zhì)且黏度較高有關(guān)。且羧甲基纖維素鈉可完全降解，可在降解地膜中使用。 在海藻酸鈉地膜中添加甘油后，膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率略有降低，但在大田試驗(yàn)中，膜的持水性能增加，沒(méi)有出現(xiàn)干裂的情況。 因此，海藻酸鈉地膜最佳成膜液的組成為：1.0%海藻酸鈉、0.2%羧甲基纖維素鈉和0.6%甘油，此時(shí)海藻酸鈉地膜的膜薄、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率高、透光率好，且可生物降解。

參考文獻(xiàn)

[1] 嚴(yán)昌榮，劉恩科，舒帆，等.我國(guó)地膜覆蓋和殘留污染特點(diǎn)與防控技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，31(2):95-102.

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[8] 盧星池，鄧放明，肖茜.干燥條件和增塑劑對(duì)海藻酸鈉-羧甲基纖維素鈉膜阻隔性能的影響[J].食品與機(jī)械，2014(11):102-107.

Preparation and Properties of Sodium Alginate Film

LIU Lu1, ZHAO Hong-tao2, ZHANG Peng-peng2et al(1. State Key Laboratory of Bioactive Seaweed Substances, Qingdao Brightmoon Seaweed Group Co., Ltd., Qingdao, Shangdong 266400; 2. Qingdao Mingyue Blue Ocean Bio-technology Co., Ltd., Qingdao, Shandong 266400)

Abstract[Objective] For the white pollution caused by plastic film, preparation of sodium alginate film which can be degraded was studied. [Method] The effects of concentration of sodium alginate, the concentration and type of plasticizers and humectant concentration on the properties of sodium alginate film were studied. And the degradation of the film was studied through field experiment. [Result] The tensile strength and elongation at break of sodium alginate films increased with increasing of sodium alginate concentration and adding of plasticizers. The tensile strength and elongation at break of sodium alginate films dropped with adding of humectant, but the dehiscence was solved. [Conclusion] The best composition of sodium alginate film was 1% sodium alginate, 0.2% sodium carboxymethyl cellulose and 0.6% glycerol. The film was thin, tensile strength and elongation at break were high, and the film could be degraded.

Key wordsSodium alginate; Film; Degradation

收稿日期2015-11-30

作者簡(jiǎn)介劉露(1987-)，女，山東濟(jì)南人，工程師，碩士，從事海藻膠應(yīng)用研究工作。

中圖分類號(hào)S 188

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2015)36-173-02