殺菌型水稻秸稈纖維基地膜制造工藝參數優化研究

陳海濤，陳雙超，劉 爽

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殺菌型水稻秸稈纖維基地膜制造工藝參數優化研究

陳海濤，陳雙超，劉 爽

（東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030）

為提高農藥有效利用率、減少農藥使用量，對負載廣譜殺菌劑多菌靈的殺菌型水稻秸稈纖維基地膜制造工藝參數組合進行了優化研究。應用四因素五水平二次正交旋轉中心組合試驗方法，以濕強劑、施膠劑、膠黏劑濃度和涂層厚度為影響因子，選擇殺菌型水稻秸稈纖維基地膜的干抗張力、濕抗張力、透氣度、降解周期、農藥有效利用率為響應函數，實施了組合試驗，結果表明：當工藝參數組合為濕強劑質量分數0.8%～0.9%、施膠劑質量分數0.5%～0.7%、膠黏劑濃度2.0%、涂布厚度20m時，殺菌型水稻秸稈纖維基地膜干抗張力≥35 N、濕抗張力≥15 N、透氣度≤2m/（Pa·s）、降解周期≥60 d、農藥有效利用率≥80%。研究結果表明該地膜不僅提高了秸稈纖維基地膜的各項性能指標且增加了秸稈纖維基地膜的殺菌功能，而且為廣譜殺菌劑多菌靈增效減量和廣譜殺菌型水稻秸稈纖維基地膜的研發提供了參考依據。

農藥；膜；秸稈；殺菌；優化

0 引 言

目前，中國農業生產中農藥使用比較大，施藥方法不夠科學，造成生產成本增加，農產品殘留過剩、作物出現植物毒性、環境污染等問題[1-4]。針對上述問題，為了實現農業的綠色可持續發展，農業部制定了《到2020年農藥使用量零增長行動方案》[5]。

農藥控制釋放技術是提高農藥利用率，減少農藥用量，減少污染的有效方法。目前通過與聚合物（或黏土）復合實現農藥的控制釋放[6]，主要劑型包括均一體、微膠囊、吸附型制劑、化學型緩釋劑等。秸稈纖維基地膜是以農作物秸稈為原料制成的可完全降解型地膜，在覆蓋栽培過程中具有增溫、保墑、抑草、保肥、防止水土流失的功效[7-10]。如果以秸稈纖維基地膜為載體，將農藥負載于其上，可利用膜下避光環境提高藥劑的穩定性，并產生緩釋的效果，延長持效期，提高藥效，形成多功能全降解地膜。但目前相關研究鮮有報道[11-13]。

本研究擬采用涂布的方式，以殼聚糖為膠黏劑，將廣譜型殺菌劑多菌靈負載于水稻秸稈纖維基地膜上，研究分析濕強劑、施膠劑、膠黏劑濃度和涂層厚度的變化對地膜力學性能及農藥緩釋性能的影響，探索殺菌型秸稈纖維基地膜的最佳制造工藝參數，為殺菌型秸稈纖維基地膜的開發提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與儀器設備

試驗材料：秸稈纖維（2017年收獲東農425水稻），未漂硫酸鹽針葉木槳板；功能助劑：中性施膠劑（濃度15%）、濕強劑（濃度15%）；膠黏劑：殼聚糖（北京博奧拓達科技有限公司）；農藥：多菌靈（江蘇省江陰市福達農化有限公司，有效成分80%）；檢驗試劑：二氯甲烷、鹽酸、氨水、甲醇、石油醚。以上試劑均為分析純。

試驗設備：ZT4-00瓦利打漿機（中通試驗設備公司），ZJG-100打漿度測定儀、ZCX-A紙頁成型設備、ZL-3006 擺錘式紙張抗張力測量儀器、紙張透氣度測量儀器（月明試驗裝置有限公司），YB502電子秤（精度0.01 g，海康電子設備有限公司），DGG-9070AD恒溫電熱干燥箱（森信實驗設備有限公司），T6新世紀紫外光分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司），MS-RL320實驗室刮刀涂布機（睿林機械科技有限公司），數顯測厚規（精度0.001 m，上海本杉儀器設備有限公司），電子恒溫水浴箱（虞龍設備有限公司），SIGMA3-30k離心機（北京思達興業儀器有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 因素水平

以木漿纖維為骨架、水稻秸稈纖維為填充，控制地膜定量60 g/m2、打漿度（35±1）°SR、多菌靈的載藥量為0.083 g/m2。采用四因素五水平二次正交旋轉中心組合試驗方法，選擇濕強劑、施膠劑、膠黏劑濃度和涂層厚度為影響因子，干抗張力、濕抗張力、透氣度、降解周期、農藥有效利用率為評價指標，因素水平編碼表如表1所示，試驗方案如表2。

表1 因素水平編碼表

1.2.2 性能指標

將制備的膜片在18 ℃室溫及30%～40%的相對濕度下靜置24 h，參照GB/T12914-2008《紙與紙板抗張力的測定》測試干、濕抗張力；參照GB/T458-2008《紙與紙板透氣度的測定》進行透氣度換算，如公式（1）所示，每組試驗重復10次取平均值。

式中為透氣度，m/（Pa·s）；為一定時間內通過膜片的氣體容積，mL；Δ為膜片兩側壓差，kPa；為測定時間，s。

借鑒GB/T12914-2008《紙與紙板抗張力的測定》將36組試驗樣片布置于盆栽中，每組樣片3次重復，在藥膜覆蓋并降解期間，選擇可裁剪部分提取測試試樣，進行殘余干抗張力測定，可得干抗張力隨著時間推移的變化趨勢。根據降解周期的趨勢，計算出干抗張力為0時的時間，即藥膜的降解周期。

參照GB/T5009.188-2003《蔬菜、水果中甲基托布津、多菌靈的測定》測定多菌靈的標準曲線。采用紫外分光光度法[14]將36組樣片每組重復3次布置于盆栽中，種植韭菜，測定在韭菜灰霉病期間土壤中多菌靈的累積量，進行土壤中多菌靈有效利用率的換算[15]（簡稱“農藥有效利用率”），如公式（2）所示，每組重復10次取平均值。

應用Design-Expert6.0.10軟件進行數據分析[16]。

表2 試驗方案與結果

1.3 制膜工藝流程

水稻秸稈與針葉木漿板分別打漿→配漿添加濕強劑和施膠劑→抄膜→烘干成型→膠黏劑和多菌靈溶液混合后進行涂布→成型→性能指標測定。

1）打漿：先分別將水稻秸稈及針葉木漿按照GB/T24325-2009《紙漿瓦利（valley）打漿機法》疏解制備，測出其濃度以備配漿時使用[17-18]。

2）配漿：根據絕干漿定量，按比例混合水稻秸稈漿和針葉木漿，按比例添加濕強劑和施膠劑。

3）抄膜：參照GB/T24325-2009《紙漿瓦利（valley）打漿機法》進行壓膜、烘干，完成膜片制造。

4）涂布：按照試驗方案將多菌靈溶液與不同濃度的膠黏劑混合后，通過計量棒涂布于膜片表面，室溫下靜置成型[19]。

2 結果與討論

2.1 試驗結果

試驗結果如表2所示。

2.2 回歸模型

對試驗結果進行分析，干抗張力1、濕抗張力2、透氣度3、降解周期4、農藥有效利用率5的二次項模型有意義（<0.000 1），在信度0.05下進行檢驗，剔除非顯著項，得各目標函數回歸模型如式（3）－（7）所示。

式中1為濕強劑，%；2為施膠劑，%；3為膠黏劑濃度，%；4為涂層厚度，m。

2.3 回歸模型方差分析

對式（3）～（7）進行方差分析，結果如表3所示。

由表3可知，每個指標回歸項值<0.05，說明回歸方程極顯著；擬合項的值>0.05，說明模型擬合好。

表3 回歸模型方差分析

2.4 各因素對各項性能指標影響規律

2.4.1 涂布前后性能對比

對涂布前后水稻秸稈纖維基地膜進行電鏡掃描，涂布前后地膜的微觀形態如圖1所示，可以明顯看出，由于膠黏劑和農藥的混合物裝填在纖維間，減少了纖維間的孔隙度，提高了地膜表面平整度。基于預試驗可知，干抗張力和濕抗張力隨著涂布厚度和膠黏劑濃度的增加均有所增加，在涂層厚度為10～20m，膠黏劑濃度為1.0%～2.0%時，由于膠黏劑的黏附作用能夠加強纖維間的作用力，干抗張力和濕抗張力明顯增加，在涂層厚度為20～30m，膠黏劑濃度為2.0%～3.0%時，由于膠黏劑濃度越大，流動性越差，涂層厚度越大，涂層均勻度越差，使得干抗張力和濕抗張力增長趨勢趨緩。

注：試驗溫度25 ℃，放大倍數400×，標尺100m。

Note: Images were obtained at 25 ℃, magnification 400×, the bar accounts for 100m.

圖1 涂布前后地膜微觀形態

Fig.1 Micromorphology of film before and after coating

2.4.2 干抗張力

1）干抗張力影響規律見圖2，施膠劑質量分數和膠黏劑濃度對干抗張力的影響如圖2a所示。在濕強劑質量分數0.8%，涂層厚度20m的條件下，干抗張力與施膠劑質量分數呈正相關，隨著施膠劑質量分數的增大，干抗張力緩慢增大，這是由于施膠體系中，施膠組分和纖維之間的結合，分為穩定的強鍵結合和不穩定的弱鍵結合[20]，隨著施膠劑質量分數的不斷增大，形成穩定強鍵的數量不斷增多，但由于施膠劑質量分數不高，所以干抗張力增加緩慢；隨著膠黏劑濃度的增加，干抗張力快速增大，因為殼聚糖的含量逐漸增大，殼聚糖分子中存在著許多氨基的親核基團[21]，可以在木素纖維大分子鏈上發生鍵合，膠黏劑濃度越大，干抗張力越大。

由圖2a可知，膠黏劑濃度對干抗張力的影響程度大于施膠劑質量分數，最大值出現在施膠劑質量分數0.7%、膠黏劑濃度3.0%。

2）膠黏劑濃度和涂層厚度對干抗張力的影響如圖2b所示。在濕強劑質量分數0.8%，施膠劑質量分數0.5%的條件下，干抗張力隨著膠黏劑濃度的增加呈現明顯上升趨勢，因為木漿中含有的木素酚-OH[22]，能與殼聚糖所含的-NH2形成離子鍵，從而有效提升干抗張力，膠黏劑濃度越大，形成的離子鍵越多，干抗張力越大；隨著涂層厚度的增加，膠黏劑質量增大，與纖維間形成的作用力增大，且膠黏劑質量越大黏度越大[23-24]，纖維間互相粘連，使得干抗張力迅速增大。

由圖2b可知，膠黏劑濃度對干抗張力的影響程度大于涂層厚度，最大值出現在膠黏劑濃度3.0%、涂層厚度30m。

注：圖2a中濕強劑質量分數0.8%，涂層厚度20m；圖2b中濕強劑質量分數0.8%，施膠劑質量分數0.5%。

Note: In figure 2a wet strength agent0.8%, coating thickness 20m；in figure 2b wet strength agent 0.8%, sizing agent 0.5%.

圖2 施膠劑質量分數和膠黏劑濃度和膠黏劑濃度和涂層厚度對干抗張力的影響

Fig.2 Effects of sizing agent and adhesive concentration and adhesive concentration and coating thickness on dry tensile strength

2.4.3 濕抗張力

1）濕抗張力影響規律見圖3，濕強劑質量分數和涂層厚度對濕抗張力的影響如圖3a所示。在施膠劑質量分數0.5%，膠黏劑濃度2.0%的條件下，隨著濕強劑質量分數的增大，濕抗張力逐漸增大，因為濕強劑所帶的陽離子電荷與纖維表面的負電荷通過庫侖力相吸引，編織在纖維分子長直鏈的四周[25]，降低液體對地膜纖維的潤濕作用，使濕抗張力增加；隨著涂層厚度的增加，濕抗張力迅速增大，因為涂布在地膜表面的膠黏劑具有一定黏度，在濕潤狀態下能夠更好的吸附在纖維表面和間隙中，對纖維之間進行黏連，減少液體侵入纖維間，涂層厚度越大，液體越難侵入纖維間，濕抗張力越大。

由圖3a可知，涂層厚度對濕抗張力的影響程度大于濕強劑質量分數，最大值出現在濕強劑質量分數1.2%、涂布厚度30m。

注：圖3a中施膠劑質量分數0.5%，膠黏劑濃度2.0%；圖3b中濕強劑質量分數0.8%，涂層厚度20m。

Note: In figure 3a sizing agent 0.5%, adhesive concentration 2.0%; in figure 3b wet strength agent 0.8%, coating thickness 20m.

圖3 濕強劑質量分數和涂層厚度和施膠劑質量分數和涂層厚度對濕抗張力的影響

Fig.3 Effects of wet strength agent and coating thickness and sizing agent and coating thickness on wet tensile strength

2）施膠劑質量分數和涂層厚度對濕抗張力的影響如圖3b所示。在濕強劑質量分數0.8%，膠黏劑濃度2.0%的條件下，濕抗張力與濕強劑質量分數呈正相關，因為濕強劑的添加不僅保護了原有纖維間的結合，還能產生亞甲基醚鍵，這種新的抗水結合鍵限制了漿料的吸濕潤脹[26]，使濕抗張力增加；濕抗張力隨著涂層厚度的增大而呈快速上升的趨勢，因為涂層厚度增大，使膠黏劑的質量增加，膠黏劑作用能有效減少液體對纖維的潤濕作用，所以涂層厚度增大使濕抗張力迅速增大。

由圖3b可知，涂層厚度對濕抗張力的影響程度大于施膠劑質量分數，最大值出現在施膠劑質量分數0.7%、涂層厚度30m。

2.4.4 透氣度

1）透氣度影響規律見圖4，濕強劑質量分數和膠黏劑濃度對透氣度的影響如圖4a所示。在施膠劑質量分數80%，涂層厚度20m的條件下，濕強劑質量分數較高時，透氣度隨著膠黏劑濃度的增大而大幅度降低，濕強劑質量分數較低時，透氣度隨著膠黏劑濃度的增加呈緩慢降低趨勢。因為濕強劑帶有陽離子，對于帶有陰離子的膠料和細小纖維有強烈的吸附作用，秸稈纖維細小且雜細胞較多，表面裸露的氨基基團能更均勻的與陽離子吸附成膜[27]，膠黏劑主要成分為殼聚糖，涂布在地膜表面會形成一層光滑透明、均勻、質密、無色略帶光澤的膜[28]，隔斷空氣，從而降低透氣度，隨著濕強劑含量增加，陽離子增多，吸附作用增強，透氣度下降明顯。

由圖4a可知，膠黏劑濃度對透氣度的影響程度大于濕強劑質量分數，最小值出現在膠黏劑濃度3.0%、濕強劑質量分數1.2%。

2）施膠劑質量分數和涂層厚度對透氣度的影響如圖4b所示。在濕強劑質量分數0.8%，膠黏劑濃度2.0%的條件下，透氣度隨著施膠劑的增加而緩慢下降，因為施膠劑中具有能夠直接和纖維素羥基反應的官能團，朝向纖維的反應性官能團與纖維素的羥基發生反應形成共價鍵，從而固著在纖維表面上，完成施膠過程[29]，從而減小透氣度。透氣度隨著涂層厚度的增加亦呈整體下降趨勢，當涂層厚度趨于30m時，透氣度趨于穩定狀態，不再減小，因為膠黏劑填充在纖維間隙中，形成了一層保護膜，涂布厚度越大，纖維縫隙越小，從而降低了透氣度，當纖維縫隙被全部填滿時，變化趨于平穩。

由圖4b可知，涂層厚度對透氣度的影響程度大于施膠劑質量分數，最小值出現在施膠劑質量分數0.7%、涂層厚度30m。

注：圖4a中施膠劑質量分數0.5%，涂層厚度20m；圖4b中濕強劑質量分數0.8%，膠黏劑濃度2.0%。

Note: In figure 4a sizing agent 0.5%, coating thickness 20m; in figure 4b wet strength agent 0.8%, adhesive concentrati0 2.0%.

圖4 濕強劑質量分數和膠黏劑濃度和施膠劑質量分數和涂層厚度對透氣度的影響

Fig.4 Effects of wet strength agent and adhesive concentration and sizing agent and coating thickness on air permeability

2.4.5 降解周期

1）降解周期影響規律見圖5，濕強劑質量分數和涂層厚度對降解周期的影響如圖5a所示。在施膠劑質量分數0.5%，膠黏劑濃度2.0%的條件下，降解周期與濕強劑質量分數呈正相關關系，因為在地膜成型時，由于相容性，使得共混物各組分彼此相互容納，形成了宏觀均勻材料[30]，濕強劑質量分數越大，與秸稈纖維發生的作用越大，形成的材料均勻性越好，彼此間產生的作用力越大，降解所需時間越長，降解周期與涂層厚度亦呈正相關關系，膠黏劑能夠填充纖維間隙，使得纖維之間相互黏連，涂層越厚，填充后的纖維間黏連越緊密，纖維表面平整度越好，降解所需時間越長。

由圖5a可知，涂布厚度對降解周期的影響程度大于濕強劑質量分數，最大值出現在涂布厚度30m、濕強劑質量分數1.2%。

2）施膠劑質量分數和涂層厚度對降解周期的影響如圖5b所示。在濕強劑質量分數0.8%，膠黏劑濃度2.0%的條件下，降解周期隨著涂層厚度的增大而逐漸增大，而且隨著施膠劑質量分數增大，降解周期增大明顯，因為在涂布過程中，涂層厚度越大，纖維表面膠黏劑質量越大，與纖維間的作用力越大，破壞這種作用力所需要的時間越長，而隨著施膠劑質量分數的增加，紙張抄造過程中施膠劑的助留率增加[31-36]，大量施膠劑能與纖維間形成更穩固的吸附力，破壞這種力需要時間越長，降解周期越大。

由圖5b可知，涂層厚度對降解周期的影響程度大于施膠劑質量分數，最大值出現在施膠劑質量分數0.7%、涂層厚度30m。

注：圖5a中施膠劑質量分數0.5%，膠黏劑濃度2.0%；圖5b中濕強劑質量分數0.8%, 膠黏劑濃度2.0%。

Note: In figure 5a sizing agent 0.5%, adhesive concentration 2.0%; in figure 5b wet strength agent 0.8%, adhesive concentration 2.0%.

圖5 濕強劑質量分數和涂層厚度和施膠劑質量分數和涂層厚度對降解周期的影響

Fig.5 Effects of wet strength agent and coating thickness and sizing agent and coating thickness on degradation cycle

2.4.6 農藥有效利用率

1）農藥有效利用率影響規律見圖6，濕強劑質量分數和施膠劑質量分數對農藥有效利用率的影響如圖6a所示。在膠黏劑濃度2.0%，涂層厚度20m的條件下，農藥的有效利用率隨著濕強劑質量分數的增加而減小，因為纖維表面的膠黏劑成弱陽性，濕強劑帶有陽離子電荷，纖維表面帶負電荷，它們通過庫侖力彼此吸引，附著在纖維表面，形成一層膜[37]，阻礙了農藥分子的擴散作用，濕強劑質量分數越大，與膠黏劑的作用越大，使得阻礙作用越大。農藥有效利用率隨著施膠劑質量分數的增加而增加，因為施膠劑和膠黏劑都呈弱陽性，使得膠黏劑中的農藥分子能順利擴散出去，且施膠劑質量分數越大，擴散作用越明顯，農藥有效利用率越大。

由圖6a可知，濕強劑質量分數對農藥有效利用率的影響程度大于施膠劑質量分數，最大值出現在濕強劑質量分數0.4%、施膠劑質量分數0.7%。

2）濕強劑質量分數和膠黏劑濃度對農藥有效利用率的影響如圖6b所示。在施膠劑質量分數0.5%，涂布厚度20m的條件下，隨著濕強劑質量分數增多，農藥有效利用率成緩慢下降趨勢。因為濕強劑帶有的陽離子能與膠黏劑相互作用，對纖維縫隙進行填充，形成阻礙農藥擴散的薄膜，但由于質量分數不大，作用不強烈，下降趨勢緩慢。膠黏劑濃度與農藥有效利用率先呈緩慢增加后緩慢減小趨于穩定的趨勢，在膠黏劑濃度2.0%時，達到利用率最大值，因為膠黏劑在低濃度時，黏度不大，對農藥的黏附作用較小，使得農藥的溶解和擴散作用受到阻礙較小，隨著濃度的逐漸增大，黏度變大，對農藥的吸附作用變大，使得農藥的緩釋作用受到阻礙，利用率變小，由于農藥總質量較小，所以農藥有效利用率變化不明顯。

由圖6b可知，濕強劑質量分數對農藥有效利用率的影響程度大于膠黏劑濃度，最大值出現在濕強劑質量分數0.4%、膠黏劑濃度2.0%。

注：圖6a中膠黏劑濃度2.0%，涂層厚度20m；圖6b中施膠劑質量分數0.5%，涂層厚度20m。

Note: In figure 6a adhesive concentration 2.0%, coating thickness 20m; in figure 6b sizing agent0.5%, coating thickness 20m.

圖6 濕強劑質量分數和施膠劑質量分數和濕強劑質量分數和膠黏劑濃度對農藥有效利用率的影響

Fig.6 Effects of wet strength agent and sizing agent and wet strength agent and adhesive concentration on effective use of pesticides

2.5 優化分析

為滿足水稻秸稈纖維基地膜覆蓋殺菌栽培的技術要求，優化原則為：干抗張力≥35 N、濕抗張力≥15 N、透氣度≤2m/（Pa·s）、降解周期≥60 d、農藥有效利用率≥80%，并且節省資源、降低成本，優化分析結果如圖7所示。

由圖7可知，工藝參數優化組合為：當膠黏劑濃度2.0%、涂布厚度20m時，濕強劑質量分數0.8%～0.9%、施膠劑質量分數0.5%～0.7%。

注：膠黏劑濃度2.0%，涂層厚度20m。

Note: Adhesive concentration 2.0%, coating thickness 20m.

圖7 殺菌型水稻秸稈纖維基地膜工藝參數優化結果

Fig.7 Optimization technology parameters of sterilization straw fiber mulch

3 驗證試驗

按最優工藝參數組合制備定量60 g/m2、濕強劑質量分數0.8%、施膠劑質量分數0.5%、膠黏劑濃度2.0%、涂層厚度20m的殺菌型秸稈纖維基地膜試樣（簡稱藥膜樣片）。測試各項性能指標取平均值，并與原質秸稈纖維基地膜（簡稱原膜樣片，不涂布膠黏劑，膜下噴灑等量農藥）和裸地（噴灑等量農藥）作性能對比試驗，結果如表4所示。

表4 比較試驗結果

由表中數據可得：藥膜的干抗張力為36.1 N、濕抗張力為15.9 N、透氣度為2.1m/（Pa·s）、降解周期75 d、農藥有效利用率為83%，均達到地膜田間鋪設實用性能要求，表明優化結果正確可信。對比可得，藥膜的農藥有效利用率比原膜直接噴灑農藥有效利用率提高了8個百分點，比裸地直接噴灑農藥有效利用率提高了43個百分點。

4 結 論

1）各因素對干抗張力影響貢獻率大小排序為：膠黏劑濃度、施膠劑質量分數、涂層厚度、濕強劑質量分數；對濕抗張力影響貢獻率大小排序為：涂層厚度、濕強劑質量分數、施膠劑質量分數、膠黏劑濃度；對透氣度影響貢獻率大小排序為：施膠劑質量分數、涂層厚度、膠黏劑濃度、濕強劑質量分數；對降解周期影響貢獻率大小排序為：濕強劑質量分數、涂層厚度、膠黏劑濃度、施膠劑質量分數；對農藥有效利用率影響貢獻率大小排序為：濕強劑質量分數、膠黏劑濃度、涂層厚度、施膠劑質量分數。

2）工藝參數優化組合為濕強劑質量分數0.8%～0.9%、施膠劑質量分數0.5%～0.7%、膠黏劑濃度2.0%、涂布厚度20m，此時，殺菌型水稻秸稈纖維基地膜干抗張力≥35 N、濕抗張力≥15 N、透氣度≤2m/Pa·s、降解周期≥60 d、農藥有效利用率≥80%。按此工藝參數制造的殺菌型水稻秸稈纖維基地膜可滿足地膜田間鋪設實用性能要求，相較于秸稈纖維基地膜，該地膜不僅創新性的增加了地膜的殺菌功能，而且地膜的各項性能指標均有提高，其中顯著提高了農藥有效利用率，為廣譜殺菌型水稻秸稈纖維基地膜的研發奠定了基礎。

[1] Regueiro J, López-Fernádez O, Rial-Otero R, et al. A review on the fermentation of foods and the residues of pesticides-biotransformation of pesticides and effects on fermentation and food quality[J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition,2014, 55(6): 839－863.

[2] 馮建國，吳學民. 國內農藥劑型加工行業的現狀及展望[J].農藥科學與管理，2016，37(1)：26－31.

Feng Jianguo, Wu Xuemin. Status and prospects of pesticide formulation processing industry in China[J]. Pesticide Science and Administration, 2016, 37(1): 26－31. (in Chinese with English abstract)

[3] Singh B, Sharma D K, Gupta A. In vitro release dynamics of thiram fungicide from starch and poly (methacrylic acid)- based hydrogels[J]. Journal of Hazardous Materials, 2008, 154(1/2/3): 278－286.

[4] Sun C, Shu K,Wang W, et al. Encapsulation and controlled release of hydrophilic pesticide in shell cross-linked nanocapsules containing aqueous core[J]. International Journal of Pharmaceutics, 2014, 463(1): 108－114.

[5] 《到2020年農藥使用量零增長行動方案》[EB/OL]. 2015-02-17, http://jiuban.moa.gov.cn/zwllm/tzgg/tz/201503/ t20150318_4444765.htm.

[6] 臺立民，劉冬雪. 化學型農藥緩釋劑[J]. 農藥，2000，39(6)：5－13.

Tai Limin, Liu Dongxue. Application of polymers in controlled-release technology of pesticides[J]. Pesticides, 2000, 39(6): 5－13. (in Chinese with English abstract)

[7] 嚴昌榮，劉恩科，舒帆，等. 我國地膜覆蓋和殘留污染特點與防控技術[J]. 農業資源與環境學報，2014(2)：95－102.

Yang Changrong, Liu Enke, Shu Fan, et al. Review of agricultural plastic mulching and its residual pollution and prevention measures in China[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2014(2): 95－102. (in Chinese with English abstract)

[8] 張穎，陳海濤，韓永俊，等. 稻草纖維基地膜覆蓋栽培哈椒試驗研究[J]. 東北農業大學學報，2014，45(11)：95－100.

Zhang Ying, Chen Haitao, Han Yongjun, et al. Study on the stalk fiber films mulching cultivation green pepper[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2014, 45(11): 95－100. (in Chinese with English abstract)

[9] 韓永俊，陳海濤，劉麗雪，等. 水稻秸稈纖維基地膜制造工藝參數優化[J]. 農業工程學報，2011，27(3)：242－247.

Han Yongjun, Chen Haitao, Liu Lixue, et al. Optimization of technical parameters for making mulch from rice straw fiber[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(3): 242－247.(in Chinese with English abstract)

[10] 汪興漢，章志強. 不同顏色地膜對光譜的透射反射與吸收性能[J]. 江蘇農業科學，1986，4(20)：31－33.

Wang Xinghan, Zhang Zhiqiang. Effects of different color film on the transmittance, reflectance and absorptivity of the spectrum[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 1986, 4(20): 31－33. (in Chinese with English abstract)

[11] 周大綱. 我國農膜行業的現狀及其發展對策（2015年）[J]. 塑料助劑，2015(6)：13－15+41.

Zhou Dagang. Status quo of Agro-film industry (2015) of China and countermeasure for its development[J]. Plastic Additives, 2015(6): 13－15+41. (in Chinese with English abstract)

[12] 曹志強，劉敏. 我國農膜行業“十二·五”現狀及“十三·五”發展規劃[J]. 中國塑料，2016(8)：1－10.

Cao Zhiqiang, Liu Min. Situation of agricultural films during the 12th Five-year plan period and their development prospect during the 13th Five-year plan period in China[J]. China Plastics, 2016(8): 1－10. (in Chinese with English abstract)

[13] 郭帥. 農藥緩釋微膠囊紙基地膜的制備及性能研究[D].無錫：江南大學，2015.

Guo Shuai. Preparation and Properties of the Pesticide Micro Capsule Paper-Based Film[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[14] 李軍，顧亞南，李冠華. 高效液相色譜法同時快速測定土壤中多菌靈、滅多威和克百威的殘留[J]. 環境研究與監測，2018，31(3) :31-33

Li Jun, Gu Yanan, Li Guanhua. Simultaneous determination of carbendazim, methomyland carbofuran residues in soil by high performance liquid chromatography[J]. Environmental Research and Monitoring, 2018, 31(3) :31-33. (in Chinese with English abstract)

[15] 袁會珠，楊代斌，閆曉靜，等. 農藥有效利用率與噴霧技術優化[J]. 植物保護，2011，37(5)：14－20.

Yuan Huizhu, Yang Daibin, Yan Xiaojing, et al. Pesticide efficiency and the way to optimize the spray application[J]. Plant Protection, 2011, 37(5): 14－20. (in Chinese with English abstract)

[16] 徐仲儒. 試驗回歸設計[M]. 哈爾濱：黑龍江科技出版社，1998.

[17] 石淑蘭，何福望. 制漿造紙分析與檢測[M]. 北京：中國輕工業出版社，2004：13－84.

[18] 劉環宇，陳海濤，閔詩堯，等. 基于PSO-SVR的植物纖維地膜抗張力預測研究[J]. 農業機械學報，2017，48(4)：118－124.

Liu Huanyu, Chen Haitao, Min Shiyao, et al. Tensile strength prediction for plant fiber mulch based on PSO-SVR[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(4): 118－124. (in Chinese with English abstract)

[19] 李才昌. 精密涂布技術及其應用[J]. 綠色包裝，2017（11）：3.

Li Caichang. Precision coating technology and its application[J]. Green Packaging, 2017(11): 3. (in Chinese with English abstract)

[20] Gess J M, Lund R C. Strong-bond/weak-bond theory of sizing[J]. Tappi Journal, 1991, 74(1): 111.

[21] 王藝旋，楊志偉，單天嬌. 殼聚糖及其衍生物在造紙中的應用研究進展[J]. 造紙裝備及材料，2016(3)：25－29.

Wang Yixuan, Yang Zhiwei, Shan Tianjiao. Study progress on application of chitosan and its derivatives on paper industry[J]. Papermaking Equipment and Materials, 2016(3): 25－29. (in Chinese with English abstract)

[22] 譚芙蓉，吳波，代立春，等. 纖維素類草本能源植物的研究現狀[J].應用與環境生物學報，2014，20(1)：162－168.

Tan Furong, Wu Bo, Dai Lichun, et al. Research and prospect of cellulosic herbaceous energy plant[J]. Journal of Applied and Environmental Biology, 2014, 20(1): 162－168. (in Chinese with English abstract)

[23] Tsaih M L, Chen R H. Effect of ionic strength and pH on the diffusion coefficients and conformation of chitosans molecule insolution[J]. J Appl Polym Sci, 2015, 73(10): 2041－2051.

[24] EI-hefian E A, Yahaya A H. Rheological study of chitosan and itsbends: An overview[J]. Maeji Int J Sci Technol, 2010, 4(2): 210.

[25] 孫浩，徐清涼，朱勛輝. 淺談造紙工業常用濕強劑[J]. 造紙裝備及材料，2017，46(2)：15－16.

Sun Hao, Xu Qingliang, Zhu Xunhui. Wet strength agent commonly used in paper industry[J]. Papermaking Equipment and Material, 2017, 46(2): 15－16. (in Chinese with English abstract)

[26] 陳海濤，明向蘭，劉爽，等. 廢舊棉與水稻秸稈纖維基混合地膜制造工藝參數優化[J]. 農業工程學報，2015，31(13)：292－300.

Chen Haitao, Ming Xianglan, Liu Shuang, et al. Optimization of technical parameters for making mulch from waste cotton and rice straw fiber[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(13): 292－300. (in Chinese with English abstract)

[27] 詹懷宇，李志強，蔡再生. 纖維化學與物理[M]. 北京：科學出版社，2005：111－114.

[28] 林寶鳳. 殼聚糖成膜劑特性的研究[J]. 食品發酵與工程，1998(1)：6－17

Lin Baofeng. Study on coating character of chitosan[J]. Food and Fermentation Industries, 1998(1): 6－17. (in Chinese with English abstract)

[29] 劉溫霞，邱化玉. 造紙濕部化學[M]. 北京：化學工業出版社，2006.

[30] 張景俊. 不同可降解地膜的降解特性及其覆蓋下的水-熱-鹽-氮變化特征研究[D]. 呼和浩特：內蒙古農業大學，2017.

Zhang Jingjun. The Study of Degradation of Different Biodegradable Film and Effects of it on Variation Characteristics of Soil Water, Temperature, Salinity and Nitrogen[D]. Hohhot: Inner Mongolia Agricultural University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[31] Lindstr?m T, S?derberg G. On the mechanism of sizing with alkyl ketene dimers part 3: The role of pH, electrolytes, retention aids, extractives, Ca-lignosulphonates and mode of addition on alkylketene dimer retention[J]. Nordic Pulp and Paper Research Journal, 1986, 1(2): 31.

[32] Isogai A. Effect of cationic polymer addition on retention of alkylketene dimer[J]. Pulp Paper Science, 1997, 23(6): 276.

[33] Champ S, Ettl R. The dynamics of alkylketene dimer (AKD) retention[J]. Pulp Paper Science, 2004, 30(12): 322.

[34] Johansson J, Lindstr?m T. A study on AKD-size retention, reaction and sizing efficiency Part 1: The effects of pulp bleaching on AKD-sizing[J]. Nordic Pulp and Paper Research Journal, 2004, 19(3): 330.

[35] Johansson J, Lindstr?m T. A study on AKD-size retention, reaction and sizing efficiency Part 2: The effects of electrolytes, retention aids, shear forces and mode of addition on AKD-sizing using anionic and cationic AKD-dispersions[J]. Nordic Pulp and Paper Research Journal, 2004, 19(3): 336.

[36] Ravnjak D, Plazl I, Moze A. Kinetics of colloidal alkylketene dimer particle deposition on pulp fibers[J]. Colloid and Polymer Science, 2007, 285(8): 907－914.

[37] 陳海濤，竹筱歆，劉爽. 水稻秸稈纖維基綠色地膜制造工藝參數優化 [J]. 農業工程學報，2018，34(7)：271－279.

Chen Haitao, Zhu Xiaoxin, Liu Shuang. Optimization of technical parameters for rice straw fiber-based mulch[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 271－279. (in Chinese with English abstract)

Optimization of manufacturing parameters for sterilizing functional straw fiber mulch

Chen Haitao, Chen Shuangchao, Liu Shuang

(150030,)

At present, amount of pesticides used in agricultural production in China is relatively large, and the application method is not scientific enough, which brings about problems such as increased agricultural production costs, excessive pesticide residue in agricultural products, and environmental pollution. Pesticide controlled release technology is an effective method to improve pesticides utilization efficiency, reduce the amount of pesticides use, and reduce environmental pollution. The straw fiber based film is a fully degradable mulch film made from crop straw as raw material. It has the functions of increasing soil temperature, preserving soil moisture, inhibiting grass, protecting fertilizer and controlling soil erosion during the cultivation process. If the straw fiber based film is used as a carrier to load the pesticide and form the sterilizing functional mulch, the stability and effective period of the pesticides can be improved because the straw fiber base film is protected from light. In this study broad-spectrum fungicide carbendazim was mixed with chitosan, which work as adhesive, at normal temperature and coated on the rice straw fiber film. To improve the sustained release effect and the effective utilization rate of carbendazim pesticide, the manufacturing parameters of the sterilizing functional mulch were optimized by applying the four factors and five levels quadratic regression orthogonal rotation center combined experimental method. Using the wood pulp fibers to build skeleton and adding rice straw fiber as the main filling material, through pre-experiment and reference, the wet strength agent, sizing agent, adhesive concentration and the coating thickness were selected as influencing factors, and the dry tensile strength, wet tensile strength, air permeability, degradation cycle, and effective utilization rate of pesticides were selected as the performance evaluation indexes. Under the performance evaluation indexes of the dry tensile strength ≥ 35 N, the wet tensile strength ≥ 15 N, the air permeability ≤ 2m/Pa·s, the degradation cycle ≥ 60 d, the effective utilization rate of pesticide ≥ 80%. The optimized factors range is determined as follow: wet strength agent addition of 0.8% to 0.9%, sizing agent addition of 0.5% to 0.7%, adhesive concentration of 2.0%, and coating thickness of 20m. The results showed that the adhesive concentration and coating thickness could change the morphology of the straw fiber based film and affect inter-fiber force, thereby change the dry tensile strength, the wet tensile strength, the air permeability, and the degradation cycle of the straw fiber base film. Compared to straw fiber based film, the sterilizing functional straw fiber mulch not only improved the dry tensile strength and the wet tensile strength, but also reduced the air permeability and prolonged the degradation cycle. And the most important thing was the sterilizing functional straw fiber increased a new function which could sterilize innovatively. And the sterilizing functional straw fiber mulch provides a functional trend for the straw fiber mulch and provides a reference to improve pesticides utilization efficiency and reduce the amount of pesticides use of broad-spectrum fungicide carbendazim. Our study also provides a reference for the research and development of broad-spectrum sterilizing functional straw fiber mulch.

pesticide; films; straw; sterilization; optimization

2019-01-30

2019-04-01

“十三五”國家重點研發計劃資助（2018YFD0201000）；黑龍江省普通本科高等學校青年創新人才培養計劃（UNPYSCT-2016130）；山東省煙草專賣局（公司）2018年面上科技項目

陳海濤，教授，博士生導師，主要從事生物質材料技術裝備和旱作農業裝備技術方向的研究。Email：htchen@neau. edu. cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.035

S216

A

1002-6819(2019)-11-0306-09

陳海濤，陳雙超，劉 爽. 殺菌型水稻秸稈纖維基地膜制造工藝參數優化研究[J]. 農業工程學報，2019，35(11)：306－314. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.035 http://www.tcsae.org

Chen Haitao, Chen Shuangchao, Liu Shuang. Optimization of manufacturing parameters for sterilizing functional straw fiber mulch[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 306－314. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.035 http://www.tcsae.org