攻克全生物降解塑料地膜的技术瓶颈

前言

中国的地膜从1979年开始使用，目前的覆盖面积已经达到3.7亿亩， 2012年年产量达到131万吨，预计2017年覆盖面积将达到4.5亿亩、产量将达到150万吨。目前使用的普通地膜，每年使用后大约有25%左右残留在土壤中。残留的原因为地膜越来越薄，难以回收，且回收经济价值低。这些残留的地膜大多由聚乙烯原料制成，不具有任何降解性能，会残留100年以上。随着非降解地膜累积的残留量越来越大，其对农作物造成的减产危害也会越来越大，因此目前地膜残留问题已经成为社会关注的生态问题。

如何减少或消除地膜的残留呢？现今的办法有两个：

◆鼓励残留地膜的回收  

（1）增加地膜厚度 现今实施的《聚乙烯吹塑农用地面覆盖膜》（GB 13735-92）国家标准中对塑料地膜的厚度要求是0.008（±0.003）毫米。国家计划对旧的塑料地膜标准进行修订，其中最主要的一项修改为增加厚度，将原标准中塑料地膜厚度修改为0.010（±0.0015）毫米。

（2）政府回收补助  政府鼓励农民进行地膜回收，并对耗费的工时进行补贴，例如甘肃等地已有补助，每亩大约120元左右。鼓励残留地膜回收虽在一定程度上可以缓解一定的非降解地膜的残留，但成本较高，也不能从生态上完全消除地膜残留，并不是长久之计。

◆采用全生物降解塑料地膜

随着新的生物降解原料品种越来越多，可生产降解地膜的原料也越来越多，生产可降解地膜的技术也越来越趋于成熟。生物降解地膜因其可降解性，在土壤中会慢慢的被微生物分解成二氧化碳和水，不会对环境造成危害，也不会影响农作物的产量，是一种非常绿色环保的材料，具有可持续发展性。

解决生物降解地膜的技术瓶颈

近10年来，我国农业部农业技术推广应用中心在全国各地进行了规模不断扩大的生物降解地膜的试用，已经取得了可喜的成功。但综合起来，生物降解地膜目前在使用方面还存在拉力低、降解快、保水差、成本高等主要问题，下面就这四方面问题的解决方法进行论述。

目前产业化并且可以用于降解地膜的原料有：聚乳酸（PLA）、聚环氧丙烷-二氧化碳共聚物（PPC）和聚丁二酸-对苯二甲酸-丁二醇酯（PBAT）。

◆解决强度问题

目前的地膜大都采用机械铺装的方法，已经试用的全生物降解地膜在拉力上和挺度上还稍有不足，需要采用改进措施。

（1） 选择高强度的降解树脂

目前可以用于全降解地膜的基础原料主要为PBAT，选择强度高的PBAT树脂为基本原料可以大幅度提高地膜的强度。目前国内外生产PBAT的企业见表1，全球年生产能力大于20万吨，而且视需求增加可以随时扩产。

表1 国内外已建PBAT项目

（2） 与其他高强度降解树脂共混

PBAT的拉伸强度为20MPa左右、弯曲模量极低，而PLA的拉伸强度可以达到45MPa左右，弯曲模量为3000MPa左右。在PBAT中共混PLA可以提高薄膜的拉伸强度和挺度。PLA树脂是最早产业化的全生物降解塑料，目前全球产能达到27万吨左右，具体生产企业见表2所示。

表2 国内外已建PLA项目

（3） 添加提高强度的助剂

① 成核剂  添加适量的α晶成核剂，一般选用有机磷酸酯类，有利于提高强度和刚性。

② 润滑剂  目前主要为有机硅酮和有机氟类PPA母料，增加后可以使分子纵向排列的有序度增加。

（4）改进薄膜成型工艺

针对生物降解地膜，通过改进其成型工艺来促进其结晶度的提高，从而达到提高刚性和拉伸强度的目的。

（5）增加地膜的厚度

目前农民使用的PE地膜厚度在3-6μm左右，根据前期试用经验，全生物降解地膜的厚度选择在10-12μm左右较为适宜。

◆解决降解速度问题

（1） 加入稳定剂

根据试用全生物降解地膜的降解状况来看，导致降解的四大要素为微生物、光、水和温度，其中主要与水和温度有关，地膜上有积水的地方总是先破。

按照农业部农业技术推广中心的要求，降解地膜的不同阶段分类如下：

① 降解诱导期：破裂尺寸≤2cm，时间70±5天为好；

② 降解开裂期：破裂尺寸为2-20cm，时间80±5天为好；

③ 降解大裂期：破损尺寸≥20cm，时间105±5天为好；

④ 降解破碎期：残留片≤16平方厘米；

⑤ 降解无膜期。

目前试用的全生物降解地膜的降解诱导期均未达到70±5天，最长的为57-61天，多数为34天左右，最短的仅有10天。

为了保证地膜在诱导期之前不破裂降解，可以选择加入光稳定剂和抗水解稳定剂的方法来减缓降解速率，除此之外，还可以采用以下方法来减缓：

（2）选择酸值低的降解树脂

材料的酸值越低，稳定性越好，则降解速率越慢。以PBAT为例，目前各家企业的PBAT树脂的酸值见表3。

表3 目前各企业PBAT的大约酸值

（3）与降解速度低的树脂共混

将降解速度低的树脂与降解速度高的树脂共混可以使两者的降解速率得到中和。如PLA树脂的降解速度远远低于PBAT树脂，在PBAT中共混适量的PLA，可以大大减缓其降解速度。

◆解决保水性问题

（1） 共混PPC阻隔树脂

PPC树脂对水、二氧化碳和氧气的阻隔能力大大好于PBAT树脂。但在PBAT中加入PPC后除了阻水能力提高外，其拉伸强度、耐热性都有不同程度的降低。

表4 国内外已建APC项目

（2）选用PLA增塑材料

PLA的保水性很好，但因PLA硬度太高，单独难以用做地膜原料。我们可以采用PLA为主体树脂加入增塑剂增塑、PBAT类树脂共混进行柔软改性，以达到地膜软硬度要求。

（3） 不采用淀粉添加

淀粉的吸水率很高，PBAT中加入淀粉后吸水率大大提高，降低了地膜的保水性能。因此，作为地膜使用的PBAT原料，不应该采用添加淀粉的手段降低成本。

例如，在PBAT中分别加入30%的淀粉、碳酸钙和滑石粉，其吸水性和降解性的变化如下：

吸水性  

淀粉填充PBAT的吸水率达到3.3%，是无机填充PBAT的3倍，是纯PBAT的10倍。原因如下：

 ①无机填充在成膜加工过程中因为拉伸力的作用，会在膜内形成孔隙，这些孔隙会起到一个毛细管的作用，增大吸水率，比纯PBAT提高3倍左右。

 ②淀粉填充除了在薄膜中产生孔隙外，因其本身含有大量的羟基，可以与水形成氢键，加大了吸水率，因此吸水率比纯PBAT提高10倍左右。

降解性  

淀粉填充后使得PBAT的降解速度提高了9倍左右，而无机填充基本不改变PBAT的降解速度。

（4）提高结晶度

结晶度的增加会使得材料的降解速度变慢。

◆解决成本问题

（1）导致成本高的因素

生物降解塑料地膜的成本之所以高，主要是基于以下几个原因：

◆原料成本高  生物降解材料的原料价格比一般薄膜材料的价格高，一般每亩单价高出100%。如PE膜每亩50-60元左右，PBAT降解膜每亩120元左右。

◆树脂密度大  PE树脂的密度一般为0.96g/m3左右，PBAT一般为1.27g/m3左右。密度增加30%，则增加成本30%。

◆薄膜厚度大  PE薄膜厚度一般在5μm左右，生物降解膜至少10μm，厚度增加则成本增加100%左右。

  上述三者合计增加成本230%左右。

（2）降低成本的措施

◆添加无机填充物  如在PBAT中添加超细碳酸钙，可以降低40%左右的成本，但因加入

◆将政府每亩120-130元的回收补助转为生物降解薄膜推广使用补助，可再降低一半的成本；

◆用生物降解地膜可以省去回收地膜这一步骤，可以节约更多的时间成本和回收成本。

推广生物降解地膜的使用

生物降解地膜的推广使用，技术问题不是难点。难点在于成本问题。采用上述降低成本的方法后，生物降解地膜比普通地膜还是贵了约100%。农民目前可接受成本增加20%左右，如何让农民接受成本高出100%的生物降解地膜呢？

有两个途径：

◆政府的宣传与推广

生物降解薄膜的推广使用，仅靠生产商、销售商的推广是不够的，还需要政府的支持与宣传。

◆政府的政策补助

推广时期政府需要施行补助政策，例如第一年补助高出部分的80%、第二年补助高出部分的60%、第三年补助高出部分的40%、第四年补助高出部分的20%，这样与农民高出20%级别持平。