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想把可降解塑料用于农膜？这些因素必须考虑！

2023/11/13 10:34:30

可降解塑料在耐久性和使用寿命上不够稳定，有着“不可预测的崩溃可能性”。为什么会如此？影响可降解塑料降解性能的因素到底有哪些呢？

我们以其在农用地膜领域的应用作为案例进行分析。

PBAT被认为是目前市场上最有前景能够替代聚乙烯PE的高分子降解材料，但其机械性能较差，在需要特殊性能的应用领域（如较大拉伸强度、耐磨性能、低弹性模量、良好的硬度和低密度等）受到了限制。

将PBAT和PLA共混以后，PLA提升了PBAT的强度，耐热等性能，而PBAT提高了PLA的韧性和可加工性，使其具有了实用价值，常规性能可满足农用地膜要求。

总的来说，影响农用地膜降解性能的因素有紫外光照，温度，湿度，微生物，农药，氧气等。

影响可降解塑料

农用地膜降解性能的因素

太阳光中紫外光线的波长范围是300-400nm，峰值约为340nm。而PBAT和PLA中都含有紫外光线的吸收基团（主要包括羰基、双键等基团）。这些基团吸收辐射能量导致聚合物的分子链断裂。因此紫外光线可以直接引起可降解地膜的老化。

老化速率过慢的地膜可以掺入光引发剂，来达到加快老化速率的目的。光引发剂大致包括离子型引发剂和自由基型引发剂两种类型。

相对的，可以在老化过快的可降解材料中加入光稳定剂来减少和抵消部分紫外光线造成的影响以达到延缓材料老化的目的。

研究表明50-60℃的温度可以促进高分子聚合材料的老化。在农作物生长需求期，覆盖可降解地膜的地表温度只有20-30℃，因此地表之上温度对地膜的老化并不起主导作用。

当可降解地膜翻入土壤中，地下温度比地表温度增加了100%-200%，伴随着土壤温度的升高，聚合物分子链运动加剧，增大了发生断链的几率，可降解地膜在地下高温的影响下加速降解。

反之在寒冷地区，分子链的运动发生阻滞，体现为地膜降解速率减慢。

湿度因素

聚乳酸（PLA）的主要老化机制是链中酯键的水解。有研究显示PLA在98%湿度环境下，其中75%的酯键在130天发生了水解，说明在降解过程中 PLA 能吸水并发生酯键水解。

湿度的影响通常是和温度联系在一起的。研究表明在98%的相同湿度之下，温度从5℃增加到25℃，实验189天后PLA的吸水率从7g/100g增加至86g/100g，水解速率明显增加。

PBAT和PLA属于高分子材料，微生物降解是降解的最后一个阶段，是决定着可降解地膜是否能够完全降解的关键因素。

可降低地膜降解成为小分子材料后，微生物将其作为有机碳源进行呼吸作用，才能将剩余的部分完全降解为二氧化碳和水。

由于在不同气候环境下微生物的呼吸作用强弱存在明显差异，可降解材料在降解最后阶段所需时间长度和降解速率也会有一定差距。

有研究表明可降解地膜在林灌草甸土中分解产生的二氧化碳累积释放量，是亚高山草甸土下分解释放量的4倍。说明在不同的土壤环境和植被环境下，微生物群落的数量和种类不同，可降解地膜的老化降解速率和完全程度也存在明显差异。

我国主要虫害超过20种，农药超过1000多种，每年农药用量超过337万吨，且使用量逐年上升。农药的主要成分是一些活性的有机物或者金属离子，对降解农膜的影响也必须予以考虑。

比如，除了农药本身对降解农膜的溶胀腐蚀等作用，农药里的酸或者金属离子（催化剂残留）引起光稳定剂钝化反应发生，从而加速降解。

高分子型可降解地膜中有很多双键、自由基等活泼易氧化的功能基团。这些功能基团多存在于高分子链的主链中，在适宜的环境中氧气能促进这些活泼基团发生氧化作用，可能引起分子链断裂产生低分子量物质。

同时这些基团的氧化反应也可能使聚合物玻璃化转变温度下降，影响可降解地膜的热稳定性能。分子量的减小和热稳定性的降低都会加速地膜的老化。

相对应的，可在降解材料中加入抗氧剂来延缓可降解地膜的老化，抵消氧化作用对地膜老化的影响。

抗氧剂通过捕获并中和超氧自由基来阻止氧化反应的物质。常用的抗氧化剂有茶多酚（TP）、黄酮类、丁基羟基茴香醚（BHA）、二丁基羟基甲苯（BHT）、叔丁基对苯二酚（TBHQ）等。

可以想见，可降解塑料在不同应用环境下将遇到不同的影响因素，不同影响因素的影响程度也不尽相同，这些都需要进行充分评估，这也是可降解塑料走向大规模应用必须解决的问题。