攻克全生物降解塑料地膜的技術瓶頸

前言

中國的地膜從1979年開始使用，目前的覆蓋面積已經達到3.7億畝， 2012年年產量達到131萬噸，預計2017年覆蓋面積將達到4.5億畝、產量將達到150萬噸。目前使用的普通地膜，每年使用后大約有25%左右殘留在土壤中。殘留的原因為地膜越來越薄，難以回收，且回收經濟價值低。這些殘留的地膜大多由聚乙烯原料制成，不具有任何降解性能，會殘留100年以上。隨著非降解地膜累積的殘留量越來越大，其對農作物造成的減產危害也會越來越大，因此目前地膜殘留問題已經成為社會關注的生態問題。

如何減少或消除地膜的殘留呢?現今的辦法有兩個：

◆鼓勵殘留地膜的回收  

(1)增加地膜厚度 現今實施的《聚乙烯吹塑農用地面覆蓋膜》(GB 13735-92)國家標準中對塑料地膜的厚度要求是0.008(±0.003)毫米。國家計劃對舊的塑料地膜標準進行修訂，其中最主要的一項修改為增加厚度，將原標準中塑料地膜厚度修改為0.010(±0.0015)毫米。

(2)政府回收補助 政府鼓勵農民進行地膜回收，并對耗費的工時進行補貼，例如甘肅等地已有補助，每畝大約120元左右。鼓勵殘留地膜回收雖在一定程度上可以緩解一定的非降解地膜的殘留，但成本較高，也不能從生態上完全消除地膜殘留，并不是長久之計。

◆采用全生物降解塑料地膜

隨著新的生物降解原料品種越來越多，可生產降解地膜的原料也越來越多，生產可降解地膜的技術也越來越趨于成熟。生物降解地膜因其可降解性，在土壤中會慢慢的被微生物分解成二氧化碳和水，不會對環境造成危害，也不會影響農作物的產量，是一種非常綠色環保的材料，具有可持續發展性。

解決生物降解地膜的技術瓶頸

近10年來，我國農業部農業技術推廣應用中心在全國各地進行了規模不斷擴大的生物降解地膜的試用，已經取得了可喜的成功。但綜合起來，生物降解地膜目前在使用方面還存在拉力低、降解快、保水差、成本高等主要問題，下面就這四方面問題的解決方法進行論述。

目前產業化并且可以用于降解地膜的原料有：聚乳酸(PLA)、聚環氧丙烷-二氧化碳共聚物(PPC)和聚丁二酸-對苯二甲酸-丁二醇酯(PBAT)。

◆解決強度問題

目前的地膜大都采用機械鋪裝的方法，已經試用的全生物降解地膜在拉力上和挺度上還稍有不足，需要采用改進措施。

（1） 選擇高強度的降解樹脂

目前可以用于全降解地膜的基礎原料主要為PBAT，選擇強度高的PBAT樹脂為基本原料可以大幅度提高地膜的強度。目前國內外生產PBAT的企業見表1，全球年生產能力大于20萬噸，而且視需求增加可以隨時擴產。

表1 國內外已建PBAT項目

（2） 與其他高強度降解樹脂共混

PBAT的拉伸強度為20MPa左右、彎曲模量極低，而PLA的拉伸強度可以達到45MPa左右，彎曲模量為3000MPa左右。在PBAT中共混PLA可以提高薄膜的拉伸強度和挺度。PLA樹脂是最早產業化的全生物降解塑料，目前全球產能達到27萬噸左右，具體生產企業見表2所示。

表2 國內外已建PLA項目

（3） 添加提高強度的助劑

① 成核劑 添加適量的α晶成核劑，一般選用有機磷酸酯類，有利于提高強度和剛性。

② 潤滑劑 目前主要為有機硅酮和有機氟類PPA母料，增加后可以使分子縱向排列的有序度增加。

（4）改進薄膜成型工藝

針對生物降解地膜，通過改進其成型工藝來促進其結晶度的提高，從而達到提高剛性和拉伸強度的目的。

（5）增加地膜的厚度

目前農民使用的PE地膜厚度在3-6μm左右，根據前期試用經驗，全生物降解地膜的厚度選擇在10-12μm左右較為適宜。

◆解決降解速度問題（1） 加入穩定劑

根據試用全生物降解地膜的降解狀況來看，導致降解的四大要素為微生物、光、水和溫度，其中主要與水和溫度有關，地膜上有積水的地方總是先破。

按照農業部農業技術推廣中心的要求，降解地膜的不同階段分類如下：

① 降解誘導期：破裂尺寸≤2cm，時間70±5天為好;

② 降解開裂期：破裂尺寸為2-20cm，時間80±5天為好;

③ 降解大裂期：破損尺寸≥20cm，時間105±5天為好;

④ 降解破碎期：殘留片≤16平方厘米;

⑤ 降解無膜期。

目前試用的全生物降解地膜的降解誘導期均未達到70±5天，最長的為57-61天，多數為34天左右，最短的僅有10天。

為了保證地膜在誘導期之前不破裂降解，可以選擇加入光穩定劑和抗水解穩定劑的方法來減緩降解速率，除此之外，還可以采用以下方法來減緩：

（2）選擇酸值低的降解樹脂

材料的酸值越低，穩定性越好，則降解速率越慢。以PBAT為例，目前各家企業的PBAT樹脂的酸值見表3。

表3 目前各企業PBAT的大約酸值

（3）與降解速度低的樹脂共混

將降解速度低的樹脂與降解速度高的樹脂共混可以使兩者的降解速率得到中和。如PLA樹脂的降解速度遠遠低于PBAT樹脂，在PBAT中共混適量的PLA，可以大大減緩其降解速度。

◆解決保水性問題（1） 共混PPC阻隔樹脂

PPC樹脂對水、二氧化碳和氧氣的阻隔能力大大好于PBAT樹脂。但在PBAT中加入PPC后除了阻水能力提高外，其拉伸強度、耐熱性都有不同程度的降低。

表4 國內外已建APC項目

（2）選用PLA增塑材料

PLA的保水性很好，但因PLA硬度太高，單獨難以用做地膜原料。我們可以采用PLA為主體樹脂加入增塑劑增塑、PBAT類樹脂共混進行柔軟改性，以達到地膜軟硬度要求。

（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，作為地膜使用的PBAT原料，不應該采用添加淀粉的手段降低成本。

例如，在PBAT中分別加入30%的淀粉、碳酸鈣和滑石粉，其吸水性和降解性的變化如下：

吸水性  

淀粉填充PBAT的吸水率達到3.3%，是無機填充PBAT的3倍，是純PBAT的10倍。原因如下：

①無機填充在成膜加工過程中因為拉伸力的作用，會在膜內形成孔隙，這些孔隙會起到一個毛細管的作用，增大吸水率，比純PBAT提高3倍左右。

②淀粉填充除了在薄膜中產生孔隙外，因其本身含有大量的羥基，可以與水形成氫鍵，加大了吸水率，因此吸水率比純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，而無機填充基本不改變PBAT的降解速度。

（4）提高結晶度

結晶度的增加會使得材料的降解速度變慢。

◆解決成本問題

(1)導致成本高的因素

生物降解塑料地膜的成本之所以高，主要是基于以下幾個原因：

◆原料成本高 生物降解材料的原料價格比一般薄膜材料的價格高，一般每畝單價高出100%。如PE膜每畝50-60元左右，PBAT降解膜每畝120元左右。

◆樹脂密度大 PE樹脂的密度一般為0.96g/m3左右，PBAT一般為1.27g/m3左右。密度增加30%，則增加成本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，厚度增加則成本增加100%左右。

上述三者合計增加成本230%左右。

(2)降低成本的措施

◆添加無機填充物 如在PBAT中添加超細碳酸鈣，可以降低40%左右的成本，但因加入

◆將政府每畝120-130元的回收補助轉為生物降解薄膜推廣使用補助，可再降低一半的成本;

◆用生物降解地膜可以省去回收地膜這一步驟，可以節約更多的時間成本和回收成本。

推廣生物降解地膜的使用

生物降解地膜的推廣使用，技術問題不是難點。難點在于成本問題。采用上述降低成本的方法后，生物降解地膜比普通地膜還是貴了約100%。農民目前可接受成本增加20%左右，如何讓農民接受成本高出100%的生物降解地膜呢?

有兩個途徑：

◆政府的宣傳與推廣

生物降解薄膜的推廣使用，僅靠生產商、銷售商的推廣是不夠的，還需要政府的支持與宣傳。

◆政府的政策補助

推廣時期政府需要施行補助政策，例如第一年補助高出部分的80%、第二年補助高出部分的60%、第三年補助高出部分的40%、第四年補助高出部分的20%，這樣與農民高出20%級別持平。