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生物降解地膜新材料的發展及產業化前景

時間:2019-04-09來源:未知 作者:何文清 劉琪 李元橋 劉勤 嚴昌榮 點擊:

20 世紀50 年代,隨著塑料 科學的發展,日本研究人員發明 了地膜覆蓋技術,并開始用于草 莓種植,隨后廣泛地應用于各種 作物。1978 年,我國從日本引進 地膜覆蓋技術并開始用于種植蔬 菜。隨后,農用地膜大面積推廣 應用,帶來了一場農業上的“白 色革命”,對我國農產品生產和 糧食安全方面做出了突出貢獻。 據統計,我國地膜使用量從1982 年0.6 萬噸上升到2014 年144 萬 噸,覆蓋面積已超過1800 萬公頃; 應用作物種類也從經濟作物逐漸 發展到主要糧食作物,如玉米、 小麥、水稻等。目前我國適宜地 膜覆蓋的耕地面積在5000 萬公頃 以上,地膜覆蓋技術在未來仍有很大的應用空間。地膜覆蓋可以 顯著提高土壤溫度、防止土壤水 分蒸發、提高肥效、保持土壤疏 松、防治雜草、提高冠層下的光 照均勻程度等,有效改善農作物 生長發育的“小氣候”,使光、 熱、水和養分資源得到充分利用, 促進種子萌發和作物生長。因此, 地膜如今已經成為我國農業生產 中重要物質生產資料之一,其廣 泛使用不僅促進了生產方式的改 變,更有效提高了農業生產力。

地膜覆蓋技術也是一把雙刃 劍。隨著地膜覆蓋技術普及和應 用,也帶來了嚴重的地膜殘留污染 問題,調查顯示多年覆膜農田的平 均殘膜量在71.9 ~ 259.1kg/hm2, 西北農田土壤中殘膜量要明顯高于 華北和西南地區。地膜殘留污染主 要危害表現在殘膜阻礙土壤水分的 滲透,降低土壤通透性;殘膜與根 系直接接觸,阻礙根系伸展,影響 作物生長,引起作物減產;牛羊等 家畜誤食混入農作物秸稈和飼料的 殘膜碎片后,會引起腸胃功能不良, 甚至導致死亡。殘膜影響環境,“白 色革命”已經轉化成“白色污染”。 地膜殘留已給農業生產和環境健康 帶來了嚴重的副作用[1]。


針對普通塑料的廣泛應用造 成的“白色污染”問題,各國先 后開展了替代普通塑料的研究。 生物降解塑料的概念由英國科學 家格里芬于1973 年首次提出,成 為世界各國研究的熱點,并將其 作為解決“白色污染”這一世界 性難題的理想措施[2-3]。生物降解 地膜伴隨著生物降解塑料的發展 應運而生,與傳統的普通聚乙烯 (PE)地膜相比,其主要優點是 地膜失去增溫保墑等作用后,在 各種因素作用下經過一定的時間 分解為水和二氧化碳等小分子物質,從而可以防止殘膜對農田土壤 的污染。其按照原料可以分為以天 然生物質為原料和以石油基為原料 的可降解地膜。天然生物質原料主 要包括淀粉[4-6]、纖維素等。而以天 然生物質為原料的生物地膜又可分 為完全生物降解地膜和不完全生物 降解地膜[7-9]。完全生物降解地膜常 以淀粉、纖維素等為主要原料進行 改性、共混從而加工成為可以完全 生物降解的地膜;不完全生物降解 地膜是以PE 為基質,通過添加淀粉、 纖維素等可降解原料從而實現部分 降解的目的。以石油基為原料的可 降解地膜生產主要包括聚羥基丁酸 酯(PHB)[10]、聚己內酯(PCL)[11]、 聚羥基烷酸酯(PHA)、二元酸二 元醇共聚酯(PBS、PBAT 等)、 CO2 共聚物- 聚碳酸亞丙酯(PPC) 等。以這些聚合物為原料,通過添 加助劑加工而成的地膜,在應用過 程中可以被環境微生物逐漸分解成 水和二氧化碳,實現全生物降解。

1 生物降解地膜的發展

1973 年,由英國科學家格里芬 率先提出的生物降解塑料,是通過 在惰性聚烯烴中加入天然淀粉作為 填充劑,制成了可生物降解的淀粉 PE,引起了淀粉塑料研發的熱潮。 生物降解地膜的研發經歷了巨大的 變化:從最初用少量淀粉添加,與 聚合物烯烴共混生產地膜,逐漸發 展到由淀粉和親水性聚合物共混生 產地膜。目前常用的工藝是將淀粉 進行改性,生產可生物降解的塑料。 這種地膜不但工藝簡單,而且成本 低,廣受市場好評[12-13]。雖然我國 研發的淀粉基可降解地膜主要是以 添加型淀粉塑料為原料,但其產品 中的可降解的淀粉含量僅為10% ~ 30%[14],盡管這類地膜中的淀粉或 改性淀粉能夠降解,但其中含量更 大的PE 或聚酯則會殘留在土壤中 難以降解,仍然沒能完全解決地膜 造成的環境污染問題。因此,能夠 全生物降解地膜材料成為降解地膜 領域中更為迫切的研究需求。 20 世紀80 年代初,英國研 究人員首先發明了聚β -羥基丁酸 酯(一種PHB)的提取和純化方 法,并將其制成薄膜。PHB 是聚 羥基脂肪酸酯(PHAs)中的一種, PHAs 是由微生物利用可再生的 原材料(如多糖、醇類和低分子 量的脂肪酸等)為原料合成的一 種生物聚酯,包括PHB、PHBV等。 PHB 能夠滿足全生物降解的要求 但耐沖擊強度較差;之后,日本東京工業大學研究人員將部分丙酸 用乙酸代替,合成了4HB-3HV 無 規共聚物,大幅度改善了其耐沖擊 性能[12]。我國PHAs 生物降解塑料 最早是由清華大學于20 世紀90 年 代初開始投入研究,中國科學院微 生物研究所完成了用水解淀粉為原 料生產PHB 的中試研究,天津大 學也采用化學法對PHB 共聚物合 成進行研究[15]。目前用于生物降解 地膜生產的材料還包括由淀粉發酵 的乳酸聚合成的可完全降解的聚 乳酸(PLA)[16]。聚合反應得到 的聚二羧酸二元醇類脂肪族聚 酯也越來越受到關注,其中聚丁 二酸丁二醇酯(PBS)由于具有 良好的生物降解性能、優異的成 型加工性能以及與PE、PP 相近的 力學性能等優勢而備受青睞[17-19]。 此外,二氧化碳和環氧丙烷共聚 而成的聚碳酸亞丙酯(PPC)[20], 以及在催化劑作用下由β-己內酯 開環聚合生成的聚己內酯(PCL)[21] 等在降解地膜領域逐漸占領一席之 地。美國、歐洲、日本等企業在生 物降解塑料生產中進行了大量的研 發,并在世界范圍內建立起市場 (表1)[22]。

近年來,以天然生物質淀粉、 纖維素、甲殼素等生物多糖類為原料生產生物降解地膜是研究熱 點之一,雖然此類地膜的增溫保 墑功能不及普通PE 地膜,但在 透水透氣性能上較優。淀粉基塑 料主要包括熱塑性淀粉、淀粉/ 生物降解塑料共混物、淀粉/ 納 米復合材料等。我國近年來對淀 粉與脂肪族聚酯共混的研發工作 十分活躍,主要研究單位有天津 大學、四川大學、沈陽農業大學、 華南理工大學、中國科學院理化 技術研究所、中國科學院長春應 用化學研究所等;四川大學高分 子材料學院、中國科學院成都有 機化學研究所等進行了PLA 與淀 粉共混的研究。此外,目前我國 多家單位已經開展了纖維素地膜 相關的研究和實際應用,如中國 國際科技促進會北京膜科學所研 制出的草纖維農用地膜、湖北枝 城第一造紙廠和新疆和田地區農 業科技開發中心開發的紙地膜、 中國農業科學院麻類研究所應用 麻纖維研制出麻地膜等[23-25]。 我國在生物降解地膜的研究 和應用取得了長足進步,特別是在 PLA 合成中關鍵催化劑技術的突 破、淀粉改性技術、PBS 不同途徑 的合成技術、加工工藝等方面形成 具有自主知識產權的核心技術和工 藝[26-27]。在此基礎上,生產配方和 工藝也得到進一步改善,生產能力 不斷擴大(表2)[28],并在多地區 多作物上開展了試驗示范。從發展 趨勢看來,發展完全生物降解地膜 能有效解決殘膜的環境污染問題。 2 生物降解地膜的應用現狀 近年來,在日本和歐洲,生物 降解地膜在地膜市場占有的份額不 斷增加,目前已經超過10%,在 某些行業(如日本蔬菜種植)和局 部區域的應用比例已高達20% 以上;而傳統地膜(PE 等)市場占 有的份額則逐漸下降[29]。生物降 解地膜主要應用于經濟作物生產 和園藝,如日本每年用于馬鈴薯、 洋蔥、蘿卜和煙草等的生物降解 地膜高達2000 噸。

2010 年以來, 國內外對可 降解生物地膜的研發和應用的 合作越來越廣泛。日本昭和電 工株式會社、德國BASF、法國 Limagrain 公司與中國農業科研和 技術推廣部門合作,在西北的新 疆等地、西南的云南等地以及華 北的北京等地進行大面積的生物 降解地膜的試驗和示范工作,應 用范圍進一步拓寬,覆蓋各主要 農作物,如棉花、玉米、煙草、 馬鈴薯等。例如,在云南,法國 Limagrain 公司開展了面積超過 1000 公頃的生物降解地膜應用示 范,覆蓋作物十余種。同時,我 國有關企業已完成生物降解樹脂材料生產線建設,啟動降解地膜 的研發和應用,不斷改進和完善 產品配方,使得國產生物降解地 膜在應用性能和經濟性能方面都 得到大幅度提高。在農業部大力 支持下,中國農業科學院農業環 境與可持續發展研究所與國內外 相關企業合作,2011 年以來在我 國9 個省市自治區,包括新疆石 河子市、河北成安縣、遼寧阜新 市、湖北恩施州、云南曲靖市、 山東膠州市、內蒙古武川縣、甘 肅鎮原縣、寧夏海原縣等地建立 了生物降解地膜適宜性評價基 地。針對國內外企業與科研院所 生產的主要生物降解地膜產品, 進行了全方面的綜合評價,將其 機械匹配性能、增溫保墑與雜草 防除能力、降解時間與程度、經 濟效益等與傳統PE 地膜比較, 獲取了可降解地膜在生產投入、 田間管理、農作物產量增產、降 解效果等方面數據,并根據研究 結果提出了產品配方改進和完善 建議。2015 年, 農業部設立了 專項資金在全國范圍內開展生物 降解地膜試驗評價,生物降解地 膜的適應性評價研究得到了進一 步的推進。該項研究選擇了20 多 家公司生產的生物降解地膜產品, 在東北、華北、西北和西南的11 個省( 區)、23 個縣( 市)、7 種農作物上開展了試驗(表3)[29]。 該項目的研究結果表明,從作物 覆膜時間上看,大多數生物降解 地膜在覆膜時間較短作物(如煙 草、花生)的適宜性優于覆膜時 間長的作物(如玉米);從區域 上看,華北和西南地區適宜性要 高于西北地區。同時,研究也揭 示了生物降解地膜在我國農業生 產應用中存在的普遍性問題:降 解時間影響因素多,影響機制復 雜,破裂時間往往過早;機械強 度有待提高,鋪膜易斷裂,從而 難以進行機械化操作;增溫保墑 性能與PE 地膜相比相差較大, 尤其在作物生育前期較差的增溫保墑性能對作物生長發育和產量 造成較大影響。該項目明確了不 同類型生物降解地膜的區域性適 用性評價,從而促進針對地域和 作物特點的降解地膜的研發與應 用,并為國家決策部門制定地膜 應用及殘膜污染治理提供依據。

3 生物降解地膜發展面臨的 問題及其產業化前景

3.1 生物降解地膜發展中面臨的 問題

近年來,盡管生物降解地膜 這一領域已經取得突破性進展, 但由于種種原因,其產業化及推 廣應用進展遲緩。

其一,機械強度普遍不夠, 規模化作業困難,這是限制生物 降解地膜廣泛應用的重要原因之 一。生物降解地膜材料本身的理 化特性決定了其抗拉伸強度較差, 從而導致在以機械作業為主的農區無法進行機械化覆膜作業。因 此,通過完善和改進地膜配方, 提高地膜的抗拉伸強度,滿足農 機作業要求,才能為更大規模地 應用生物降解地膜創造條件。 其二,生物降解地膜破裂時 間和降解可控性差,增溫保墑功 能較差,難以滿足不同氣候條件 和作物的生長需要。現有的生物 降解地膜產品有些破裂和降解過 早,覆蓋時間遠低于作物地膜覆 蓋安全期,難以保證其增溫保墑 和抑制雜草等主要功能的發揮, 從而對地膜的推廣造成了障礙。 其三,與普通PE 地膜相比, 高成本是目前生物降解地膜大規 模推廣應用的一個重要限制因素。 生物降解地膜在保水性和保溫性 方面均遜于PE 地膜[30-31],而原料 成本、加工成本及生產規模等多方 面因素使得生物降解地膜的價格卻 是普通PE 地膜的3 倍,甚至更多。 因此,通過對原材料和加工方法的 創新,以及生產規模的擴大等手 段來降低其成本,也是更廣泛地 應用生物降解地膜的必經之路。 此外,生物降解地膜缺乏全面系 統的認識和評價方法的標準,也不 利于地膜技術研發、生產、評價及 農業生產中的廣泛應用。

3.2 生物降解地膜的發展方向及 其產業化前景

PE 地膜材料取材于寶貴的 石油資源,并且其廢棄物產生的 環境污染是人類目前迫切需要解 決的問題。盡管脂肪族聚酯、聚 乙醇酸、PLA 和聚乙烯醇等生物 降解地膜已經嶄露頭角,但是其 在我國市場中的占有份額還非常 有限,這可能是由于人們的環保 意識不夠強以及國內對價格的承受 能力有限所導致的。目前,我國 生產企業都紛紛轉向了國際市場, 如歐洲、日本和韓國等。同時,已 有的大量的生物降解地膜研究表 明,其降解和應用過程非常復雜, 同一種生物降解塑料地膜應用在不 同的氣候條件,以及不同的作物條 件下,降解的行為和降解周期有較 大差異。因此,必須通過對其進行 配方改進實現功能的多樣化,并通 過有針對性的評價才能更好的推 廣應用。生物降解地膜研發的重 要任務是進一步降低成本、增強 性能及推進市場化。

在我國生物降解地膜的研

究過程中,產業界和學術界各自 獨立開展工作較多,學術界獨立 開展了全生物降解塑料研制和評 價的研究,進行了很多關于地膜 的組成優化、降解機理及應用評 價方面的研究;產業界往往引進 國外產品、技術和生產線,也對 降解地膜的功能性、生產工藝和 成本控制等方面做了很多探索, 但是總體來說,學術界和產業界 獨立開展工作較多,交流較少, 導致學術界與產業界結合不夠緊 密,限制了我國生物降解地膜的 發展進程。在今后的研發中,應 該注重學術界和產業界的聯系、 合作和交流,促進我國生物降解 地膜的大力發展。

要使生物降解地膜在我國被廣 泛應用,重點在以下四個方向努力。

① 在降解機理與調控技術方 面進行深入研究。生物降解地膜 的降解機理及降解速度的調控機 理是增強其功能性和實用性的根 基,加強生物降解地膜的原材料、 配方和生產工藝的研究,發展高性 能、多功能化的生物降解地膜材料, 同時滿足不同環境和作物生長發育 的要求,尤其是要研發適應不同地 區和多種作物的特色生物降解地膜 產品,以滿足和適應我國農業生產 多樣性的要求[32-34]。

② 降低成本。高成本是目 前產品大規模推廣應用的一個重 要限制因素。因此,成本控制將 是重中之重。一方面,可通過原 材料規模化生產、配方完善,以 及加工工藝改進等手段來降低產 品生產成本,從而降低價格;另 一方面,應該進一步全面評價地 膜使用成本,促進降解地膜的規 模化應用,而不僅僅是關注原材 料的成本。例如,普通PE 地膜 應用的總成本除了材料的生產成 本,還應該包括地膜產品的回收 處理成本。根據日本昭和電工公 司的調查和計算,在日本PE 地 膜購買和回收的成本基本相當, 而生物降解地膜由于能夠降解則 無回收成本;在我國,大量PE 地膜未經回收和處理,并且即使 回收,由于勞動力價格相對較低, 并不需要太高的回收成本,因此 生物降解地膜較PE 地膜的成本 要高很多。但是,隨著我國環境 保護重視程度的提高,尤其是農 業環境可持續發展要求的進一步 增加,PE 地膜的回收利用也是大 勢所趨,生物降解地膜相對于PE 地膜的綜合利用成本將隨之降低。

③ 發展自主知識產權,促進 研究成果轉化成降解地膜產品。 相對于國外其他國家,我國對生 物降解地膜的研發和生產起步較 晚。目前,國外許多國家在該領 域已經獲得了很多專利,而這些 對國內企業開發新技術、新產品造成了較強的技術壁壘。國內企 業要想迎頭趕上,在開發生物降 解地膜的同時,應該重視將自主 研發的新型成果轉化成產品,盡 可能地形成自主知識產權。

④ 加大政策扶持。建議對生 物降解地膜產品的應用采取補貼 或者優惠政策。政府的調節行 為,對于推動生物降解地膜產業 的良性發展及其推廣應用是十分 重要的。

4 結束語

生物降解地膜正在逐漸成為 當今農業環境領域的研究熱點, 它的發展不僅在一定程度上緩解 了環境矛盾,而且對日益枯竭的 石油資源更是一種保護和補充。 雖然生物降解地膜發展已有近30 年的歷史,并且近年來相關研發 和產業化都比較活躍,在市場上 也占據了一部分生存空間,但是 目前依然處于產業化應用的初級 階段,離實現產業化生產還有很 大差距,實際產業化和應用量與 PE 地膜相比微乎其微。此外,我 國在產品性能、制造成本、關鍵 技術、技術集成與產業化規模等 方面與歐美、日本等發達國家相 比還存在較大差距,必須加快突 破生產制造過程中的生物合成、 化學合成改性及復合成型等關 鍵技術,進一步挖掘高效穩定的 加工成型工藝,促進生物降解地 膜材料的低成本規模化生產與 示范,構建其研發平臺,提升企 業科技創新能力,為產業培育提 供科技支撐。生物降解地膜要得 到更為廣泛的應用和產業化發 展,還需要一個漫長的歷程。但 隨著人們對環保要求的進一步 提高、低碳經濟及產業的興起, 也許這一歷程將在不遠的未來 實現。完全生物降解地膜的廣泛 應用具有重大的環境與社會意 義,將是21 世紀農業新材料發 展的重要領域。

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