本發(fā)明涉及可降解農(nóng)膜，更具體的涉及一種自吸水結(jié)構(gòu)保水保墑生物降解農(nóng)膜及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、以聚乙烯(polyethylene，pe)為代表的常規(guī)農(nóng)膜存在著回收利用率低、在環(huán)境中的降解周期長(zhǎng)等問題。廢棄的塑料制品在土壤中持續(xù)積累，幾乎不被降解，長(zhǎng)期使用還可能導(dǎo)致土壤板結(jié)問題，從而影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育和收成產(chǎn)量。生物可降解材料，尤其是生物可降解聚酯，如聚乳酸(polylactic?acid，pla)、聚已二酸對(duì)苯二甲酸丁二醇酯[poly(butyleneadipate-co-terephthalate)pbat]等，由于其優(yōu)異的生物降解性和機(jī)械性能，成為替代傳統(tǒng)塑料的理想選擇。然而，單一生物可降解聚乳酸材料在某些應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出一定的局限性，如親水性不足、力學(xué)強(qiáng)度不夠和阻隔性能欠佳等。

2、在農(nóng)業(yè)薄膜應(yīng)用中，傳統(tǒng)材料往往存在以下問題：

3、(1)保水性能不足：傳統(tǒng)農(nóng)膜的保水性能有限，無法有效保持土壤水分，導(dǎo)致作物根部容易干燥，無法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)水資源高效利用的需求，特別是在干旱地區(qū)和需精細(xì)水分管理的作物種植中表現(xiàn)不佳。

4、(2)機(jī)械強(qiáng)度與韌性不足：現(xiàn)有的可降解農(nóng)膜材料在機(jī)械強(qiáng)度和韌性方面存在不足，易破損或撕裂，導(dǎo)致農(nóng)膜在使用過程中易受損，影響其使用壽命和保護(hù)效果，增加了更換頻率和成本。

5、(3)親水和疏水性能難以平衡：現(xiàn)有技術(shù)難以在農(nóng)膜中同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的親水和疏水性能，影響農(nóng)膜的整體保水性能和耐用性，無法在不同環(huán)境條件下提供穩(wěn)定的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)以上問題，本發(fā)明提供了一種自吸水結(jié)構(gòu)保水保墑生物降解農(nóng)膜及其制備方法，制備的農(nóng)膜同時(shí)具備保水、疏水和親水的功能，且具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，能夠滿足使用需求。

2、本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種自吸水結(jié)構(gòu)保水保墑生物降解農(nóng)膜，自吸水結(jié)構(gòu)保水保墑生物降解農(nóng)膜由外層疏水層、中間力學(xué)支撐層和內(nèi)層親水層共擠出組成。

3、外層疏水層由質(zhì)量比為5～9:1～5的疏水層母料和聚酯組成，疏水層母料與聚酯的質(zhì)量比為5:5、6:4、7:3、8:2、9:1等。

4、疏水層母料由以下質(zhì)量份的組分共混造粒制成：聚乳酸75份～80份、疏水型層狀納米片12.5份～18份和助劑7份～7.5份。

5、例如，聚乳酸的質(zhì)量份為75份、76份、77份、78份、79份、80份等；

6、疏水型層狀納米片的質(zhì)量份為12.5份、13份、14份、15份、16份、17份、18份等。

7、助劑的質(zhì)量份為7份、7.1份、7.2份、7.3份、7.4份、7.5份等。

8、中間力學(xué)支撐層由質(zhì)量比為5～9:1～5的力學(xué)支撐層母料和聚酯組成，例如，力學(xué)支撐層母料與聚酯的質(zhì)量比為5:5、6:4、7:3、8:2、9:1等。

9、力學(xué)支撐層母料由以下質(zhì)量份的組分共混造粒制成：聚乳酸75份～80份、生物基填料12.5份～18份和助劑7份～7.5份。

10、例如，聚乳酸的質(zhì)量份為75份、76份、77份、78份、79份、80份等。

11、生物基填料的質(zhì)量份為12.5份、13份、14份、15份、16份、17份、18份等。

12、助劑的質(zhì)量份為7份、7.1份、7.2份、7.3份、7.4份、7.5份等。

13、內(nèi)層親水層由質(zhì)量比為5～9:1～5的親水層母料和聚酯組成，例如，親水層母料與聚酯的質(zhì)量比為5:5、6:4、7:3、8:2、9:1等。

14、親水層母料由以下質(zhì)量份的組分共混造粒制成：聚乳酸75份～80份、超親水型納米顆粒12.5份～18份和助劑7份～7.5份。

15、例如，聚乳酸的質(zhì)量份為75份、76份、77份、78份、79份、80份等。

16、超親水型納米顆粒的質(zhì)量份為12.5份、13份、14份、15份、16份、17份、18份等。

17、助劑的質(zhì)量份為7份、7.1份、7.2份、7.3份、7.4份、7.5份等。但并不僅限于所列舉的數(shù)值，上述數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

18、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，疏水型層狀納米片按照以下步驟制備得到：

19、將層狀硅酸鹽礦物、疏水型表面活性劑和氟化劑進(jìn)行剪切剝離，發(fā)生氟化反應(yīng)，在層狀硅酸鹽礦物引入氟基團(tuán)，得到疏水型層狀納米片。

20、層狀硅酸鹽礦物和氟化劑的質(zhì)量比為100:0.1～10；例如，層狀硅酸鹽礦物和氟化劑的質(zhì)量比為100:0.1、100:2、100:4、100:6、100:8、100:10等。

21、層狀硅酸鹽礦物和疏水型表面活性劑的質(zhì)量比為100:0.1～5；例如，層狀硅酸鹽礦物和疏水型表面活性劑的質(zhì)量比為100:0.1、100:1、100:2、100:3、100:4、100:5等。

22、剪切剝離是在20℃～80℃研磨20min～120min，例如，研磨溫度為20℃、40℃、60℃、80℃等，研磨時(shí)間為20min、40min、60min、80min、100min、120min等；但并不僅限于所列舉的數(shù)值，上述數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

23、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，超親水型納米顆粒按照以下步驟制備得到：

24、在溶劑體系中，將親水型納米顆粒、親水型橋接劑和親水型表面活性劑混合，在微波輔助作用下，發(fā)生縮合與共價(jià)鍵合反應(yīng)，將親水型表面活性劑的親水基團(tuán)引入親水型納米顆粒表面，制備得到超親水納米顆粒。

25、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，親水型納米顆粒與親水型橋接劑的質(zhì)量比為70～100:5～30；例如，親水型納米顆粒與親水型橋接劑的質(zhì)量比為70:30、80:20、90:10、100:5等。

26、親水型納米顆粒與親水型表面活性劑的質(zhì)量比為1:0.01～0.1；例如，親水型納米顆粒與親水型表面活性劑的質(zhì)量比為1:0.01、1:0.02、1:0.04、1:0.06、1:0.08、1:0.1等。

27、縮合與共價(jià)鍵合反應(yīng)中，微波輸出功率為100w～1500w，例如，微波輸出功率為100w、300w、600w、900w、1200w、1500w等。

28、反應(yīng)溫度為80℃～200℃，例如，反應(yīng)溫度為80℃、100℃、120℃、140℃、160℃、180℃、200℃等。

29、反應(yīng)時(shí)間為20min～120min，例如，反應(yīng)時(shí)間為20min、40min、60min、80min、100min、120min等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，上述數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

30、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，疏水層母料占疏水層母料、力學(xué)支撐層母料和親水層母料總質(zhì)量的15％～30％；例如，疏水層母料占疏水層母料、力學(xué)支撐層母料和親水層母料總質(zhì)量的15％、20％、25％、30％等。

31、力學(xué)支撐層母料占疏水層母料、力學(xué)支撐層母料和親水層母料總質(zhì)量的35％～60％；例如，力學(xué)支撐層母料占疏水層母料、力學(xué)支撐層母料和親水層母料總質(zhì)量的35％、40％、45％、50％、55％、60％等。

32、親水層母料占疏水層母料、力學(xué)支撐層母料和親水層母料總質(zhì)量的20％～35％；例如，親水層母料占疏水層母料、力學(xué)支撐層母料和親水層母料總質(zhì)量的20％、25％、30％、35％等；但并不僅限于所列舉的數(shù)值，上述數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

33、疏水層母料、力學(xué)支撐層母料和親水層母料合計(jì)為100％。

34、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，生物基填料為木纖維，竹纖維和玉米秸稈中的一種或多種。

35、疏水層母料、力學(xué)支撐層母料和親水層母料中的助劑相同，助劑由以下質(zhì)量分的組分組成：增塑劑4份～5份、抗氧化劑0.5份～1份、紫外線吸收劑0.5份～1份、熱穩(wěn)定劑0.5份～1份和染料0.5份～1份。

36、例如，增塑劑為4份、4.2份、4.4份、4.6份、4.8份、5份等。

37、抗氧化劑為0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份、1份等。

38、紫外線吸收劑為0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份、1份等。

39、熱穩(wěn)定劑為0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份、1份等。

40、染料為0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份、1份等；但并不僅限于所列舉的數(shù)值，上述數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

41、聚酯為聚丁二酸丁二醇酯、聚羥基烷酸酯、聚對(duì)苯二甲酸-乙二醇酯/聚己內(nèi)酯共混物和聚己內(nèi)酯中的一種或多種。

42、本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供上述自吸水結(jié)構(gòu)保水保墑生物降解農(nóng)膜的制備方法，包括以下步驟：

43、按照以下質(zhì)量份稱取疏水層母料的組分：聚乳酸75份～80份、疏水型層狀納米片12.5份～18份和助劑7份～7.5份；將聚乳酸、疏水型層狀納米片和助劑進(jìn)行共混造粒得到疏水層母料。

44、按照以下質(zhì)量份稱取力學(xué)支撐層母料的組分：聚乳酸75份～80份、生物基填料12.5份～18份和助劑7份～7.5份；將聚乳酸、生物基填料和助劑進(jìn)行共混造粒得到力學(xué)支撐層母料。

45、按照以下質(zhì)量份稱取親水層母料的組分：聚乳酸75份～80份、超親水型納米顆粒12.5份～18份和助劑7份～7.5份；將聚乳酸、超親水型納米顆粒和助劑進(jìn)行共混造粒得到親水層母料。

46、將疏水層母料與聚酯熔融共混熔融共混得到第一母料，力學(xué)支撐層母料與聚酯熔融共混熔融共混得到第二母料，親水層母料與聚酯熔融共混熔融共混得到第三母料，將第一母料、第二母料和第三母料通過雙向拉伸共擠出得到自吸水結(jié)構(gòu)保水保墑生物降解農(nóng)膜。

47、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在制備第一母料、第二母料和第三母料時(shí)，熔融共混溫度和時(shí)間相同，熔融共混溫度為為120℃～300℃，例如，共混溫度為120℃、160℃、200℃、240℃、280℃、300℃等。

48、熔融共混時(shí)間為10min～120min；例如，混合時(shí)間為10min、20min、40min、60min、80min、100min、120min等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，上述數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

49、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，雙向拉伸共擠出步驟中，擠出模頭溫度為170℃～200℃；例如，擠出模頭溫度為170℃、180℃、190℃、200℃℃等。

50、縱向預(yù)熱溫度為60℃～90℃；例如，縱向預(yù)熱溫度為60℃、70℃、80℃、90℃等。

51、縱向冷卻溫度為20℃～40℃；例如，縱向冷卻溫度為20℃、30℃、40℃等。

52、縱向拉伸溫度90℃～130℃，例如，縱向拉伸溫度為90℃、100℃、110℃、120℃、130℃等。

53、縱拉定型溫度為80℃～120℃；例如，縱拉定型溫度為80℃、90℃、100℃、110℃、120℃等。

54、縱向拉伸比為1.5倍～3倍；例如，縱向拉伸比為1.5倍、2倍、2.5倍、3倍等。

55、橫向預(yù)熱溫度為70℃～110℃；例如，橫向預(yù)熱溫度為70℃、80℃、90℃、100℃、110℃等。

56、橫向拉伸溫度為90℃～130℃；例如，橫向拉伸溫度為90℃、100℃、110℃、120℃、130℃等。

57、橫向熱定型溫度為100℃～140℃，例如，熱定型溫度為100℃、110℃、120℃、130℃、140℃等。

58、橫向冷卻溫度為20℃～50℃；例如，橫向冷卻溫度為20℃、30℃、40℃、50℃等。

59、橫向拉伸比為1.5倍～4倍，例如，橫向拉伸比為1.5倍、2倍、2.5倍、3倍、3.5倍、4倍等；但并不僅限于所列舉的數(shù)值，上述數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

60、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，還包括對(duì)雙向拉伸共擠出得到的復(fù)合膜的親水層表面進(jìn)行氧等離子體處理。

61、氧等離子體處理是在500w～1500w下反應(yīng)0.5min～20min，例如，氧等離子體處理的功率為500w、700w、900w、1100w、1300w、1500w等，反應(yīng)時(shí)間為0.5min、5min、10min、15min、20min等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，上述數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

62、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

63、(1)本發(fā)明提供了一種自吸水結(jié)構(gòu)保水保墑生物降解農(nóng)膜，由外層疏水層、中間力學(xué)支撐層和內(nèi)層親水層組成，將疏水層母料、力學(xué)支撐層母料、親水層母料分別與聚酯熔融共混后進(jìn)行共擠出，不同材料之間通過分子鏈的重新排列和界面結(jié)合，制備得到具有內(nèi)層親水層、中間力學(xué)支撐層和外層疏水層的多層結(jié)構(gòu)；疏水層母料的添加阻隔外界環(huán)境的濕氣，減少水分流失，從而提高農(nóng)膜的保水效果，力學(xué)支撐層母料的作用是為整個(gè)農(nóng)膜提供必要的機(jī)械強(qiáng)度、韌性與穩(wěn)定性，親水層母料的引入是為了賦予農(nóng)膜自吸水能力，最終使得制備的農(nóng)膜能夠同時(shí)具備保水、疏水、親水和機(jī)械支撐功能，滿足多種功能需求，提高農(nóng)膜的綜合性能。

64、(2)本發(fā)明通過層狀硅酸鹽礦物、表面活性劑與氟化試劑置入剪切剝離設(shè)備中進(jìn)行研磨，獲得疏水型層狀納米片，具有優(yōu)異的疏水性能，能有效防止水分蒸發(fā)，提升農(nóng)膜的保水性能；通過微波輔助原位功能化技術(shù)，在親水型納米顆粒表面引入親水基團(tuán)，制備超親水納米顆粒，超親水納米顆粒能夠迅速吸收并保留水分，增強(qiáng)農(nóng)膜的整體保水能力，特別適用于需要高水分環(huán)境的作物。并將這些超親水納米顆粒與疏水型層狀納米片利用本發(fā)明的方法均勻分散在聚合物基體中。實(shí)現(xiàn)了納米顆粒的充分剝離、均勻分散和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，有效提高了對(duì)水的二次利用，同時(shí)對(duì)復(fù)合材料的機(jī)械性能具有顯著提升，極大拓展了應(yīng)用范圍。

65、(3)采用高韌性的生物可降解聚酯材料，通過疏水型層狀納米片和超親水納米顆粒的引入，提升了復(fù)合材料的韌性和延展性，確保了材料在低溫環(huán)境下的抗沖擊韌性。這種高韌性可降解材料保證了復(fù)合材料的力學(xué)性能平衡，是大規(guī)模機(jī)械化連續(xù)覆膜應(yīng)用的前提。

66、(4)本發(fā)明在進(jìn)行多層共擠出時(shí)，采用雙向拉伸共擠出的方法制備多層可降解薄膜，雙向拉伸技術(shù)提高了農(nóng)膜的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，使其在使用過程中更加耐用，不易破損，滿足機(jī)械化連續(xù)覆膜的大批量應(yīng)用要求。

67、本發(fā)明通過多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括外層疏水層、中間力學(xué)支撐層和內(nèi)層親水層，內(nèi)層親水層通過與土壤的緊密接觸，從土壤中吸收水分。當(dāng)土壤中的水分蒸發(fā)時(shí)，水汽可以通過農(nóng)膜的底部或側(cè)面進(jìn)入內(nèi)部親水層，內(nèi)部親水層則將這些水分儲(chǔ)存起來，并緩慢釋放到土壤中，確保作物在干旱期間也能獲得水分；外層疏水層的主要作用是防止外界環(huán)境中的水分進(jìn)入農(nóng)膜內(nèi)部，同時(shí)減少膜內(nèi)水分向外界的蒸發(fā)。通過外部疏水層，農(nóng)膜可以避免因外界高濕度或雨水導(dǎo)致的過度水分吸收，同時(shí)維持內(nèi)部水分的穩(wěn)定性。外部疏水層也起到一定的保護(hù)作用，防止外界污染物或機(jī)械損傷影響膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)不僅提高了薄膜的綜合性能，還確保了其在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定表現(xiàn)，拓展其在不同地區(qū)的更廣應(yīng)用。

68、本發(fā)明還在內(nèi)部親水層表面進(jìn)行氧等離子處理，增強(qiáng)薄膜的親水性，氧等離子處理顯著提高了薄膜表面的親水性，使得農(nóng)膜能夠更有效地吸收和保持水分，進(jìn)一步增強(qiáng)其保水性能和耐用性。

69、(5)本發(fā)明采用高剪切共混和高倍拉伸相結(jié)合的技術(shù)路線，確保了納米復(fù)合材料的清潔化、連續(xù)化、規(guī)?；a(chǎn)。該工藝可以在現(xiàn)有常規(guī)加工設(shè)備上快速實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、低成本生產(chǎn)，顯著降低了制造成本并提高了生產(chǎn)效率。

70、(6)本發(fā)明的方法具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，可廣泛應(yīng)用于其他體系的納米復(fù)合材料加工。同時(shí)，采用全生物基可降解材料，確保農(nóng)膜在使用后不會(huì)造成土壤板結(jié)、肥力下降的問題，符合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的理念，避免傳統(tǒng)農(nóng)膜的環(huán)境污染問題，對(duì)推動(dòng)納米復(fù)合材料的規(guī)模化生產(chǎn)與應(yīng)用具有積極作用。