生物基可降解營養缽水分變化規律

蔣希芝+趙永富+曲萍

摘要：選取紙質、淀粉基、不腐熟秸稈基、腐熟秸稈基4種生物基可降解營養缽，對其進行水分含量變化規律的研究，通過將營養缽分別浸沒于純水和3.5%氯化鈉溶液中，設置溫度分別為常溫25 ℃、低溫0 ℃、高溫50 ℃，對比研究不同溶液和不同溫度對生物基可降解營養缽吸水性能的影響。結果表明，相同溶液中，溫度越高，營養缽的吸水率越高，水分含量變化越快，吸水性越好；紙質營養缽吸水性最好，在3.5%氯化鈉溶液中的吸水率分別為25 ℃時484%、0 ℃ 時415%、50 ℃時489%，始終大于純水中25 ℃時470%、0 ℃時410%、50 ℃時472%的吸水率；其他營養缽在35%氯化鈉溶液中的吸水率均低于或等于純水中的吸水率，秸稈基營養缽吸水率在40%～60%之間，淀粉基營養缽吸水率為20%左右。通過水分含量變化規律的研究，為育苗選取水分含量相適應的營養缽提供依據。

關鍵詞：生物基；可降解；營養缽；水分變化；吸水率

中圖分類號： X712文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）07-0281-03

目前所使用的營養缽大多為塑料制作，雖然成本較低，但透氣透水性差，且大量塑料廢棄物對人類賴以生存的自然環境造成了嚴重影響，使用后不易回收利用，也不能被環境降解，殘留物污染土壤。同時，塑料營養缽脫膜移栽，不僅會增加勞動力，而且易傷害根系，影響存活率。有必要研制生物質可降解營養缽，既起到育苗保溫、保墑、保肥作用，又具有優良的生物降解性、融水性、透氣性等[1-2]。利用紙、農作物秸稈、淀粉等制備生物基可降解營養缽，是解決廢棄塑料問題的新方法，將大大減少塑料營養缽造成的“白色污染”[3]。

近年來，國內外有關可降解營養缽的研究取得一定的成效，研究方向大多集中在營養缽膠黏劑改性[4]、營養缽成型質量及工藝優化[5]、營養缽強度及可降解性能研究[6-8]、營養缽育苗性能研究[9]等方面，但對營養缽水分含量變化規律鮮有研究。本研究選取紙質營養缽、淀粉基營養缽、秸稈不腐熟營養缽、秸稈腐熟營養缽4種生物基可降解營養缽，通過吸水性試驗，分析不同材質、不同原料處理方法對營養缽水分含量變化規律的影響，為不同作物選取水分含量相適應的營養缽提供依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

（1）紙質營養缽。紙杯大小，為全紙漿吸塑法制備，上口直徑為8.0 cm、下口直徑為5.5 cm、高度為7.5 cm、壁厚為 1.08 mm。（2）淀粉基營養缽。紙杯大小為40%淀粉與PCL混合注塑制備，上口直徑為7.0 cm、下口直徑為5.0 cm、高度為8.0 cm、壁厚為1.12 mm。（3）秸稈不腐熟營養缽。正方形缽口和缽底，由秸稈和膠黏劑混合熱壓制備，上口邊長為6.0 cm、下口邊長為4.5 cm、高度為8.0 cm、壁厚為1.16 mm。（4）秸稈腐熟營養缽。正方形缽口和缽底，由腐熟秸稈和膠黏劑混合熱壓制備，上口邊長為6.0 cm、下口邊長為4.5 cm、高度為 8.0 cm、壁厚為1.26 mm。

1.2試驗方法

1.2.1含水率測定選取不同材質的營養缽，測定其干燥前與干燥后質量之比。干燥前稱量試樣質量M0，然后將試樣置于干燥箱中，保持溫度105 ℃，直至試樣質量恒定，取出試樣放入干燥器內冷卻，冷卻后稱量試樣質量M1，試樣含水率H按公式（1）計算，精確至0.1%。

1.2.2吸水率測定測定試樣分別浸入水中和3.5%氯化鈉溶液中48 h內前后質量差與試樣浸泡前質量之比。

1.2.2.1水中吸水率測定稱量試樣浸水前質量W0，將3個試樣垂直浸沒于溫度分別為低溫0 ℃、常溫25 ℃、高溫 50 ℃ 的水中，每隔一定時間測量試樣的吸水質量，試樣在不同時間點的吸水率W按公式（2）計算，精確至0.001%。

式中：W0為干燥后初始質量；W1為每個時間間隔測量的最終質量。

1.2.2.2氯化鈉溶液中吸水率測定稱量試樣浸水前質量W0，將3個試樣垂直浸沒于溫度分別為低溫0 ℃、常溫 25 ℃、高溫50 ℃的3.5%氯化鈉溶液中，每隔一定時間測量試樣的吸水質量，試樣在不同時間點的吸水率W按公式（3）計算，精確至0.001%。

式中：W0為干燥后初始質量；W1為每個時間間隔測量的最終質量。

2結果與分析

2.1生物基可降解營養缽純水中的吸水特性

2.1.125 ℃常溫純水中吸水特性生物基可降解營養缽在25 ℃常溫純水中的吸水率見圖1-a。紙質營養缽在最初的10 min內吸水速率為1.714 g/min，吸水率高達340%，吸水迅速，之后變化緩慢，最終吸水速率為0.001 g/min，吸水率為470%。隨著浸沒時間的延長，吸水率增加，吸水速率降低，最終吸水接近飽和狀態。不腐熟秸稈、腐熟秸稈2種營養缽的吸水率的變化趨勢基本一致，但前者始終大于后者，最終吸水率分別為48%、40%，吸水趨于飽和。淀粉營養缽吸水率始終很小，2 h內基本保持穩定，最終的吸水率僅為16%。

2.1.20 ℃低溫純水中吸水特性生物基可降解營養缽在 0 ℃ 低溫純水中的吸水率見圖1-b。紙質營養缽在最初的10 min內吸水速率為1.631 g/min，吸水率達315%，然后變化緩慢，最終吸水速率僅為0.03 mg/min，吸水率為410%，吸水完全飽和。與25 ℃常溫相比，溫度越低，紙質營養缽吸水率越小，下降越平穩。隨著浸沒時間的延長，吸水率增加，最終吸水接近飽和狀態。不腐熟秸稈、腐熟秸稈2種營養缽的吸水率的變化趨勢基本一致，但前者始終大于后者，最終吸水率分別為46%、36%，0 ℃時1 h內秸稈營養缽吸水率較大，1 h后在低溫的作用下，0 ℃秸稈營養缽吸水率小于常溫時的吸水率。淀粉營養缽吸水率始終很小，2 h內吸水率變化小于1%，最終的吸水率僅為10%。結果表明，溫度降低，生物基可降解營養缽最終的吸水率隨之降低，且吸水率變化緩慢。

2.1.350 ℃高溫純水中吸水特性生物基可降解營養缽在50 ℃高溫純水中的吸水率見圖1-c。紙質營養缽在最初的10 min內吸水速率最大，為2.098 g/min，吸水率達360%，最終吸水速率為0.001 g/min，吸水率為472%。與25 ℃常溫相比，溫度越高，紙質營養缽吸水率越大，變化越迅速。不腐熟秸稈、腐熟秸稈2種營養缽吸水率的變化趨勢基本一致，但24 h內前者吸水速率大于后者，24 h后前者吸水速率小于后者，最終吸水率分別為57%、62%。與25 ℃常溫相比，高溫50 ℃秸稈營養缽的吸水速率始終大于25 ℃時的吸水速率。隨著溫度的升高，淀粉營養缽的吸水率也有所增大，最終吸水率增加為20%。結果表明，溫度升高，生物基可降解營養缽的吸水率隨之增大，吸水率增加迅速。

綜上所述，紙質營養缽吸水性能最好，因為紙的滲透毛細作用，由于存在表面張力，水就會滲入大量的毛細孔內。紙主要成分為木質素，存在大量的親水性羥基，增強了紙質營養缽的吸水性。秸稈纖維本身具備較多的親水性羥基，由于制備過程添加了大豆分離蛋白改性脲醛樹脂作為膠黏劑，其羥甲基脲、羧基、氨基及疏水性基團與秸稈纖維素、半纖維素的羥基進行醚化反應，減少秸稈纖維親水性羥基基團，營養缽吸水性降低，耐水性提高[10]。腐熟的秸稈纖維素和半纖維素均呈現出不同程度的降解[11]，腐熟秸稈的親水性羥基少于不腐熟秸稈，因此，腐熟秸稈營養缽的吸水性小于不腐熟秸稈營養缽，耐水性能更好。淀粉本身是親水性天然高分子，但此淀粉基營養缽的淀粉含量較少，且改性后親水性羥基減少，而混合物PCL的水溶性很差，因此，淀粉基營養缽的吸水性較差，耐水性好。溫度對生物基營養缽吸水性影響較大。溫度越高，吸水率越大，吸水性能越好；溫度越低，吸水率越小，耐水性能越好。這可能是因為溫度影響毛細作用，即溫度越高，毛細作用越明顯。

2.2生物基可降解營養缽3.5%氯化鈉溶液中吸水特性

2.2.125 ℃常溫3.5%氯化鈉溶液中吸水特性生物基可降解營養缽在25 ℃常溫3.5%氯化鈉溶液中的吸水率見圖 1-d。紙質營養缽在最初的10 min內吸水率達346%，吸水迅速，最終吸水率為484%，始終大于25 ℃純水中的吸水率。不腐熟秸稈、腐熟秸稈2種營養缽吸水率的變化趨勢基本一致，但前者始終大于后者，最終吸水率分別為46%、36%，均小于25 ℃純水中的吸水率。淀粉營養缽最終吸水率為12%，小于25 ℃純水中的吸水率。

2.2.20 ℃低溫3.5%氯化鈉溶液中吸水特性生物基可降解營養缽在0 ℃低溫3.5%氯化鈉溶液中的吸水率見圖1-e。紙質營養缽在最初的10 min內吸水率達315%，與0 ℃純水中的吸水率一致，最終吸水率為415%，較0 ℃純水中的吸水率410%略有增加。與25 ℃常溫3.5%氯化鈉溶液相比，溫度越低，紙質營養缽吸水率越小，變化越平穩。不腐熟秸稈、腐熟秸稈2種營養缽吸水率變化趨勢基本一致，但前者仍始終大于后者，最終吸水率分別為47%、37%，與0 ℃純水中的吸水率基本保持一致，上下浮動僅1%。淀粉營養缽最終吸水率為11%，與0 ℃純水中的吸水率上下浮動1%。結果表明，浸沒于3.5%氯化鈉溶液中，紙質營養缽吸水率受低溫影響大，溫度降低，吸水率減小，其他生物基營養缽吸水率與常溫相比，變化很小。0 ℃低溫時，營養缽在3.5%氯化鈉溶液中的吸水率與純水中亦很接近。

2.2.350 ℃高溫3.5%氯化鈉溶液中吸水特性生物基可降解營養缽在50 ℃高溫3.5%氯化鈉溶液中的吸水率見圖1-f。紙質營養缽在最初的10 min內吸水率達360%，最終吸水率為489%。與常溫25 ℃相比，溫度越高，紙質營養缽吸水率越大，變化越迅速。不腐熟秸稈、腐熟秸稈2種營養缽吸水率的變化趨勢基本一致，但24 h內前者吸水速率大于后者，24 h后前者吸水速率小于后者，最終吸水率分別為49%、59%，與50 ℃高溫純水吸水率變化一致，但均小于純水的吸水率。與25 ℃常溫氯化鈉溶液相比，50 ℃高溫秸稈營養缽的吸水速率始終大于25 ℃時的吸水速率。隨著溫度的升高，淀粉營養缽的吸水率也有所增大，最終吸水率增加為19%，小于50 ℃純水吸水率。

綜上所述，紙質營養缽在3.5% NaCl溶液中的吸水率隨溫度的降低而減小，但均始終大于純水中的吸水率，因為氯化鈉溶液中水和NaCl的滲透作用同時存在，吸水的同時也吸收了部分NaCl，增加了吸收效果。25 ℃常溫時，秸稈營養缽和淀粉營養缽在3.5% NaCl溶液中吸水率小于25 ℃純水中的吸水率，因為在NaCl溶液中毛細作用效果被削弱，增加了親水基團的親水阻力，因此吸水率減小。秸稈營養缽和淀粉營養缽在3.5% NaCl溶液中表現為：（1）低溫0 ℃與常溫25 ℃吸水率與接近，表明低溫對NaCl溶液中的吸水率影響較小，低溫時水的滲透作用有所降低，但低溫使得NaCl溶解度降低，促使水的滲透作用增加，二者共同作用，吸水率就基本保持不變；（2）50 ℃高溫的吸水率均大于25 ℃常溫，表明溫度增加，吸水率增大；但均小于50 ℃純水吸水率，因為溫度升高，雖然吸水作用越好，但是NaCl溶解度增大，增加了親水阻力，從而減小了吸水率。

3結論

生物基可降解營養缽保溫、保墑、保肥效果突出，水分含量變化各有規律。相同溶液中溫度越高，營養缽的吸水率越高，水分含量變化越快，吸水性越好；紙質營養缽的吸水性最好，在 3.5% 氯化鈉溶液中的吸水率分別為：25 ℃時484%、0 ℃ 時415%、50 ℃時489%，始終大于純水中25 ℃時470%、0 ℃時410%、50 ℃時472%的吸水率；其他營養缽在3.5%氯化鈉溶液中的吸水率均低于或等于純水中的吸水率，秸稈基營養缽吸水率在40%～60%，淀粉基營養缽吸水率為20%左右。在生產應用中育苗水分需充足的作物可選取紙質營養缽，一般作物可選取秸稈基營養缽，水分需要較少的可選取淀粉基營養缽，按需選擇合適的育苗營養缽。

參考文獻：

[1]王慧杰，馮瑞云，楊淑巧，等. 秸稈育苗缽產品特性分析[J]. 山西農業科學，2015，43（12）：1668-1671，1678.

[2]張志軍，王慧杰，李會珍，等. 秸稈育苗缽質量和性能影響因素及成本分析[J]. 農業工程學報，2011，27（10）：83-87.

[3]李軍，趙嘉蓓，王炳濤，等. 秸稈育苗缽包裝容器的降解性能研究[J]. 包裝工程，2015，36（23）：67-71.

[4]Qu P，Huang H Y，Wu G F. Preparation and degradation of seeding containers made from straw and hydrolyzed soy protein isolate modified urea-formaldehyde resins[J]. BioResources，2015，10（4）：7946-7957.

[5]李道義，王曉燕，景全榮，等. 低聚木糖生產廢渣基可降解育苗缽研究[J]. 農業機械學報，2014，45（增刊1）：207-211.

[6]孫恩惠，黃紅英，武國峰，等. 稻殼粉/改性脲醛樹脂模壓成型材料的力學性能[J]. 農業工程學報，2014，30（13）：228-237.

[7]季愛坤，馮天亮，常美丹，等. 楊木BECMP質量育苗缽自然降解的研究[J]. 中華紙業，2012，33（18）：22-25.

[8]Matuana L M，Kamdem D P，Zhang D J. Photoaging and stabilization of rigid PVC/wood-fiber composites[J]. Journal of Applied Polymer Science，2001，80（11）：1943-1950.

[9]錢亞明，趙密珍，吳偉民，等. 營養缽育苗對豐香草莓生長結果的影響[J]. 江蘇農業科學，2009（2）：159-160.

[10]孫恩惠，黃紅英，武國峰，等. 稻殼/大豆蛋白基黏合劑成型育苗缽性能評價及成因分析[J]. 農業環境科學學報，2015，34（6）：1202-1209.

[11]周淑霞，于建光，趙莉，等. 不同有機物料腐熟劑對麥秸的腐解效果[J]. 江蘇農業科學，2013，41（11）：347-349，350.