郭蕊
以聚乳酸(PLA),聚對苯二甲酸-己二酸-丁二醇酯(PBAT)為基材,通過共混、吹膜、印刷等工藝制備可商品化使用的PLA/PBAT全生物降解薄膜,研究了自制全生物降解薄膜與多種商用可降解、不可降解薄膜的力學(xué)性能,以及在黏土、栽培土等不同土壤中的生物降解性能。結(jié)果表明:PLA/PBAT薄膜在土壤中的生物降解程度更高,降解效果十分明顯,薄膜在掩埋6個月后完全崩解破碎。而且與自然環(huán)境黏土相比,全生物降解薄膜在花卉栽培土壤中降解效果更好。本研究為生物降解薄膜的商業(yè)使用和處理提供了指導(dǎo)。
前言
塑料污染是當(dāng)今世界面臨的一個嚴(yán)重的環(huán)境問題,研究者們認(rèn)為,使用可生物降解塑料是解決塑料污染的可行方案之一。聚乳酸(PLA)和聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯(PBAT)是目前應(yīng)用最為廣泛的可生物降解材料,在微生物環(huán)境中可以被完全水解為CO2和H2O。有研究表明,在自然環(huán)境中,可生物降解材料的降解可大致分為兩個過程:簡單水解和酶催化降解。簡單水解是水分子攻擊聚酯分子中的酯鍵,使其分解為羧酸和醇的反應(yīng),主要受水解環(huán)境的溫度、濕度、酸度以及聚合物本身的性質(zhì)等因素影響;而聚酯的酶催化降解是指聚酯分子先水解為低聚物,然后相關(guān)微生物進(jìn)入其組織物內(nèi),在微生物產(chǎn)生的特定酶的作用下,被分解為二氧化碳和水,此過程與天然聚合物的降解不同,屬于間接方式降解。Rudnik和Briassoulis比較了生物降解材料在堆肥環(huán)境下和自然環(huán)境下的降解效果,結(jié)果表明,生物降解材料在堆肥環(huán)境和自然環(huán)境下都可以被有效降解。
本文選取了兩種不同的土壤,比較它們對生物降解薄膜材料降解效果的影響,為開發(fā)適應(yīng)不同貨架期的全降解包裝材料提供參考和指導(dǎo),進(jìn)一步促進(jìn)環(huán)保包裝材料的推廣使用。
實(shí)驗(yàn)部分
1.試劑與儀器
聚乙烯(PE),牌號7042、2426K,購自蘇州強(qiáng)輝塑化有限公司;PLA/PBAT降解母料,牌號FP-0325,購自吉林森瑞達(dá)高新科技有限公司。三層共擠吹膜機(jī),F(xiàn)M3-1700型,由佛山市順德區(qū)雄球塑料機(jī)械有限公司生產(chǎn)。熱切制袋機(jī),RFQ型,由瑞安市瑞機(jī)包裝機(jī)械廠生產(chǎn)。微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī),E43.104型,由美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司生產(chǎn)。
2.薄膜制備過程
稱取4kg PLA/PBAT降解母料于真空干燥箱中60℃下干燥12小時,然后冷卻至室溫。冷卻后的PLA/PBAT降解母料放置于吹膜機(jī)螺桿進(jìn)料斗中制備三層生物降解薄膜。吹膜機(jī)螺桿溫度控制在135℃~155℃。通過調(diào)節(jié)螺桿牽引速率,調(diào)節(jié)PLA/PBAT降解母料的進(jìn)料速率,從而確定最佳的螺桿牽引速率,牽引速率控制在10~14m/min。吹膜實(shí)驗(yàn)前后需稱取2kg PE塑料用來清洗吹膜機(jī)。
3.測試與表征
①力學(xué)性能測試:按照GB/T 1040.3-2006測試,首先將薄膜制備成啞鈴形標(biāo)準(zhǔn)樣條,然后分別在3個不同部位測試薄膜厚度,取平均值。設(shè)定拉伸標(biāo)距為50mm,拉伸速率為20mm/min,每種薄膜分橫向與縱向各取6個平行樣進(jìn)行檢測,同時測試薄膜的黏合向拉斷力。
②土壤掩埋試驗(yàn):分別裁取6片10cm×10cm的自制PBAT/PLA生物降解薄膜(簡稱“YT薄膜”)、普通PE薄膜(簡稱“SF薄膜”)、市售PBAT/PLA/淀粉薄膜(簡稱“CN薄膜”)、市售PLA薄膜(簡稱“PLA薄膜”)、市售PBAT薄膜(簡稱“PBAT薄膜”),分別掩埋于自然粘土環(huán)境、裝有栽培土的容器中,掩埋深度均為10cm,每隔兩個月取樣進(jìn)行觀察。
結(jié)果與討論
1.土壤掩埋試驗(yàn)前各種薄膜力學(xué)性能的對比
最大拉伸應(yīng)力和最大拉伸應(yīng)變(又稱“拉伸強(qiáng)度”和“斷裂伸長率”)往往是薄膜類包裝材料最重要的力學(xué)性能和質(zhì)量評價指標(biāo)之一。圖1為土壤掩埋試驗(yàn)前各種薄膜力學(xué)性能的對比圖。從圖1可以看出,YT薄膜的平均最大拉伸應(yīng)力為13.4MPa,平均最大拉伸應(yīng)變?yōu)?42%;SF薄膜的平均最大拉伸應(yīng)力為9.4MPa,平均最大拉伸應(yīng)變?yōu)?25%;CN薄膜的平均最大拉伸應(yīng)力為12.2MPa,平均最大拉伸應(yīng)變?yōu)?41%;PLA薄膜的平均最大拉伸應(yīng)力為66.3MPa,平均最大拉伸應(yīng)變?yōu)?.7%;PBAT薄膜的平均最大拉伸應(yīng)力為12.1MPa,平均最大拉伸應(yīng)變?yōu)?34%。拉伸強(qiáng)度由大到小依次為:PLA>YT>CN>PBAT>SF,斷裂伸長率由大到小依次為:SF>CN>PBAT>YT>PLA。從結(jié)果可以看出,可降解薄膜的拉伸強(qiáng)度均大于普通PE薄膜,斷裂伸長率則均小于普通PE薄膜,說明可降解薄膜主要特點(diǎn)在于強(qiáng)度較好,韌性相對欠缺。對比各類材質(zhì)的可降解薄膜,PLA薄膜的拉伸強(qiáng)度最高,達(dá)66.3MPa,遠(yuǎn)高于YT薄膜(PBAT/PLA共混)、CN薄膜(PBAT/PLA/淀粉共混)和PBAT薄膜,但斷裂伸長率卻最低,僅為4.7%,也遠(yuǎn)低于其他材質(zhì)的生物降解薄膜。由此可知,在可降解薄膜中,PLA成分主要賦予薄膜剛性,PBAT成分主要賦予薄膜韌性。
2.栽培土掩埋試驗(yàn)中各種薄膜的形貌對比
圖2為栽培土環(huán)境下掩埋的各種薄膜的外觀形貌變化。從圖2(a)可以看出,隨著掩埋時間的增加,以PE材料制作的SF薄膜,在6個月周后外觀無明顯變化,樣品完整無缺;以PBAT/PLA/淀粉制作的CN薄膜,掩埋后兩個月后表面有大小不一的黑色菌斑,但掩埋時間增加,從外面形貌上沒有明顯變化;然而,以PBAT/PLA材料制作的YT薄膜,無論印刷與否,經(jīng)過兩個月降解,樣品已經(jīng)出現(xiàn)收縮、崩解的現(xiàn)象,并且隨著掩埋時間的增加,崩解程度越高;到掩埋6個月時,樣品已經(jīng)成為直徑小于5mm的碎片。從圖2(b)可以看出,PLA薄膜和PBAT薄膜在掩埋兩個月后均出現(xiàn)小范圍的破裂,并且隨著掩埋時間的增加破裂程度逐漸增大,但碎片普遍較大,降解效果不如YT薄膜。
3.PBAT/PLA生物降解薄膜在自然黏土和栽培土中的降解效果對比
圖3為PBAT/PLA生物降解薄膜在自然黏土和栽培土中的降解效果對比。從圖3可以看出,與栽培土中的快速破裂降解不同,在自然環(huán)境下的黏土中,YT薄膜的外觀變化也不太明顯,在掩埋6個月后,只有局部的收縮,沒有出現(xiàn)明顯的菌斑、裂紋或者破碎。這可能與黏土中微生物含量較少、相對濕度較低,以及沒有受到陽光直射有關(guān)。因?yàn)樵陉柟庾贤饩€的照射下,空氣中的氧氣會分解產(chǎn)生自由基,自由基作用于材料分子鏈的化學(xué)鍵,會導(dǎo)致分子側(cè)鏈被氧化斷鏈、大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐步水解為低聚物,再被微生物進(jìn)一步分解成二氧化碳和水。黏土中缺乏陽光照射,自由基含量較低,同時缺乏充足的水分,較難產(chǎn)生第一步高聚物水解為低聚物的反應(yīng),導(dǎo)致降解速率和效果受影響。
結(jié)論
在可降解薄膜中,PLA成分主要賦予薄膜剛性,PBAT成分主要賦予薄膜韌性。PLA/PBAT薄膜在土壤中的生物降解程度更高,降解效果十分明顯,在掩埋6個月后完全崩解破碎。相比之下,PE薄膜和市售PBAT/PLA/淀粉薄膜在土壤掩埋下沒有明顯變化。而且,與自然環(huán)境黏土相比,全生物降解薄膜在花卉栽培土壤中降解效果更好。綜上所述,在實(shí)際處理全降解包裝廢棄物時用于產(chǎn)品包裝時,應(yīng)根據(jù)微生物、濕度、光照等條件,選擇合理的降解處理方式。
作者單位:深圳市裕同包裝科技股份有限公司
責(zé)任編輯:李倩 liqian@cprint.cn