水稻秸秆解离纤维成膜及其增韧技术研究

作     者：范肖东 

作者单位：南京林业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：翟胜丞;孙恩惠

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：水稻秸秆 地膜 纤维解离 增韧改性 可降解性 

摘      要：地膜主要用于农田覆盖,可以起到保温、保湿、抑草和增加土壤肥力等作用。与传统塑料地膜相比植物纤维地膜具有更高的渗透性和生物降解潜力。然而,由于植物纤维地膜韧性较低,其应用与发展受到了限制。本文旨在提高水稻秸秆纤维地膜韧性,采用低共熔溶剂(Deep eutectic solvents,DES)预处理水稻秸秆,并使用娄彻氏链霉菌进行生物发酵,通过分析秸秆的微观构造及理化指标,来确定预处理对水稻秸秆纤维的影响;采用三种增韧改性方式依次对稻秸浆料改性,包括复配木纤维、添加增强剂和表面涂布。本研究也对地膜进行了降解、抑草、保温等应用试验,以确保增韧改性后的地膜满足田间应用标准。所得主要研究结论如下:(1)采用氯化胆碱/尿素DES体系对水稻秸秆进行预处理,再经盘磨机均质化处理,DES添加量为秸秆质量的1.5%、2.5%、3.5%、4.5%,制备的纤维浆料分别标记为DES、DES、DES和DES。对纤维浆料进行X射线衍射(X-Ray Diffraction,XRD)、荧光显微镜、扫描电镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)、傅里叶红外光谱(Fourier Transform Infrared,FTIR)等表征,通过国家可再生能源实验室(NREL)方法分析纤维浆料的化学组分,并计算盘磨机械能耗及纤维浆料成膜的抗张、耐破、撕裂性能。结果表明:与未处理秸秆相比,DES处理后秸秆在1504 cm处芳香环吸收峰的峰强度明显减弱,1654cm处形成两个分裂峰,说明秸秆中有部分木质素溶出,氯化胆碱和尿素共混形成了H-O·H氢键;纤维有不同程度的破损,表面粗糙度增加,并且纤维显露度提高。随着DES添加量的增加,细胞壁的自发荧光效应逐渐减弱,木质素含量分别下降2.7%、3.7%、5.3%和6.2%,纤维素结晶度分别增加5.0%、3.3%、8.8%和12.8%。在地膜的力学性能测试中,当DES添加量为3.5%时,抗张指数达到最高为11.9 N·m/g,而后开始下降;撕裂指数和耐破指数分别为2.4 m N·m/g、0.6 k Pa·m/g,而后增加趋势减弱。据加权平均计算公式进行计算,DES秸秆纤维地膜综合力学性能最好。(2)以DES预处理后的稻秸为主要原料添加娄彻氏链霉菌,接种量分别为稻秸质量的1%、3%和5%,在65℃下处理15天。在第0、3、5、7、10、15天取样,对处理后稻秸进行微生物酶活、质量损失、稻秸段拉伸性能、单根纤维拉伸性能、SEM、化学组分等表征,并对预处理后稻秸盘磨制浆成膜,分析其抗张、撕裂、耐破性能。结果表明:DES联合生物预处理能较好的提高地膜的韧性,并在DES预处理添加比例为3.5%、添加3%娄彻氏链霉菌、处理7天时效果最好。随着发酵时间增长,秸秆表面出现较大的空洞,秸秆呈现断裂状并出现了凹凸不平的断层,许多大小不一的孔隙也在表面出现。蜡质硅化层下面的表皮组织已经逐渐显现,细胞壁和纤维结构已被明显破坏,整体结构被严重破坏。在第7天添加3%娄彻氏链霉菌的稻秸质量损失率达到17%且酶活性最高。秸秆段拉伸性能整体呈上升趋势,纤维素与半纤维素含量的比值与秸秆段力学强度呈负相关,并且在第7天添加3%娄彻氏链霉菌稻秸段的拉伸性能最大为46.2 Mpa。在秸秆发酵的过程中,单根纤维拉伸强度在不断下降,其趋势与秸秆段的拉伸性能和秸秆段的微纤丝角呈负相关。在地膜的力学性能测试中,DES联合生物预处理后的地膜比仅经DES预处理的地膜力学性能有显著提高,抗张指数提高14.1%,耐破指数提高5%,撕裂指数提高21%。(3)以DES联合3%娄彻氏链霉菌处理七天的稻秸为原料,盘磨为稻秸原浆。对稻秸原浆进行依次增韧改性:(1)复配杨木/杉木浆料,添加量为浆料总体的10%、20%、30%、40%、50%;(2)在添加40%杨木浆料的基础上添加助剂:聚酰胺环氧氯丙烷树脂(PAE)、硫酸铝、阳离子分散松香胶,并将助剂相互复配形成7种配方;(3)在添加40%杨木浆料、硫酸铝与阳离子分散松香胶基础上制模涂布B-大豆蛋白胶/G-大豆蛋白胶。对三次增韧改性浆料成膜,分析其抗张、撕裂、耐破性能。结果表明:秸秆原浆复配40%杨木浆料,并添加硫酸铝与阳离子分散松香胶成膜涂布G-大豆蛋白胶能显著提高地膜的力学性能,干抗张指数提高117.4%,湿抗张指数提高354.5%,耐破指数提高235.7%,撕裂指数提高66.7%,增加了地膜的韧性。并满足地膜干抗张力大于30 N,湿抗张力大于10 N的原则。(4)将稻秸纤维地膜与市购地膜浸入稻田土稀释液63天,记录地膜降解率;以水接触角计进行地膜动态接触角的测定,进而分析地膜表面疏水性的变化;进行水稻盆栽试验,覆盖市购地膜、水稻秸秆地膜和无覆盖,跟踪水稻秧苗株高、茎粗、分蘖数及杂草生长的动态变化,每隔10天测量土壤下5cm处的温度。结果表明:水稻秸秆地膜相对于市购地膜延长了地膜降解时间,在实际应用中可以更好对植物产生保护和增产的效果。覆盖水稻秸秆纤维地膜可以提高水稻的分蘖比例,覆盖地膜的水稻秸秆分蘖数为10.15个,比裸地对照高1.52个,比市购地膜高1.68个。覆盖制备的水稻纤维地膜可以显著抑制杂草的萌发和生长,与无覆膜裸地对照相比,覆盖地膜后的抑草率达到了80%,与市购地膜相比,覆盖地膜的抑草率提高了26.92%。土壤下5cm处无地膜覆盖的最高温度为14.2℃时,覆盖市购地膜和水稻秸秆纤维地膜温度分别为14.4℃和14.5℃,覆盖水稻秸秆纤维地膜土壤温度相较于其他覆盖最高。