青岛农业大学在【International Journal of Biological Macromolecules】发文,研发新型玉米芯基可降解地膜,助力可持续发展
农业地膜是现代农业生产的重要农资，却因传统石油基地膜的大量使用引发了严重的白色污染，同时现有可降解地膜还存在成本高、功能性单一等问题，制约了其规模化应用。为破解这一难题，青岛农业大学团队以农业废弃物玉米芯为核心原料，通过水热改性制备木质纤维素增强填料，研发出一款低成本、环保且多功能的聚乙烯醇基可降解地膜（PUCH），该材料兼具优异的力学性能、隔热性、紫外屏蔽性和肥料缓释性，为可持续农业发展提供了绿色解决方案。
通讯作者及单位及邮箱Manli Yang, College of Chemistry and Pharmaceutical Sciences, Qingdao Agricultural University, Qingdao, 266109, PR China; E-mail address: mlyang@qau.edu.cnYongchao Ma, College of Chemistry and Pharmaceutical Sciences, Qingdao Agricultural University, Qingdao, 266109, PR China; E-mail address: yongchaoma@126.com
核心内容1.水热改性显著优化玉米芯木质纤维素结构，经 200℃水热处理 1h 的玉米芯粉呈现剥离层状结构，粒径从 937.98nm 降至 95.15nm，结晶度从 52.50% 提升至 61.18%，大幅提升了其在成膜体系中的分散性与相容性，为地膜性能提升奠定结构基础。2.PUCH 地膜的力学性能随玉米芯木质纤维素添加量呈现先升后降趋势，PUCH-20（添加 20wt% 改性玉米芯粉）表现出最优力学性能，韧性、拉伸强度和断裂伸长率较纯 PVA 地膜（PU-0）分别提升 92.82%、80.54% 和 51.37%，且可承受 500g 重物负载，符合我国农用地膜国标要求。3.改性玉米芯粉的掺入显著提升地膜阻隔性能，PUCH-40 的水汽透过率、水蒸气渗透系数较 PU-0 分别降低 40.25% 和 41.80%，氧气透过率降幅达 89.86%，同时地膜含水率降低、水接触角提升至 67.2°，疏水性能改善，兼具一定的吸水溶胀性，适合农业保水场景。4.PUCH 地膜具备优异的紫外屏蔽能力，PUCH-40 对 UVC、UVB、UVA 的屏蔽率分别达 92.1%、95.6% 和 96.9%，可有效阻挡紫外线对作物的伤害，同时地膜颜色随玉米芯粉添加量加深，为后续光热转换和隔热提供了条件。5.玉米芯木质纤维素的引入提升了地膜热稳定性，PUCH-40 的最大热降解温度较 PU-0 提升 81℃，残炭率从 3.15% 增至 14.24%，且地膜隔热性能优异，较无膜空白组升温近 10℃，实现白天快速升温、夜间缓慢降温的温控效果。6.PUCH 地膜具有良好的尿素缓释性能，PUCH-20 在 120h 内尿素累积释放量仅 21.32%，远低于纯尿素的 89.65%，释放过程符合扩散控制零级动力学模型，尿素完全释放约需 23 天，可持续为作物供给养分。7.PUCH 地膜能有效促进作物生长，PUCH-20 覆盖下上海青种子发芽率较 PU-0 提升 130%，幼苗叶面积最大，而高添加量组因透光性降低略影响作物生长，证明 20wt% 为玉米芯粉的最优添加比例。8.PUCH 地膜生物降解性能优异，在自然土壤中 100 天，PUCH-40 的降解率达 40.10%，远高于 PU-0 的 23.60%，玉米芯木质纤维素为土壤微生物提供碳氮营养，加速了地膜的微生物降解，从源头减少白色污染。
图解图 1：PUCH 复合地膜的制备工艺示意图，清晰展示了玉米芯酸解 - 水热改性、与 PVA 共混、添加戊二醛（交联剂）、尿素（肥料）、甘油（增塑剂），经搅拌成膜、干燥成型的完整制备流程。图 2：包含玉米芯粉和 PUCH 地膜的红外、XRD 图谱，以及 PU-0、PUCH-20、PUCH-40 地膜的实物图和表面、截面电镜图；红外和 XRD 图谱证实了地膜中各组分间的氢键作用与结晶结构变化，电镜图显示地膜表面均匀、截面粗糙度随玉米芯粉添加量增加而提升，PUCH-40 出现轻微团聚。图 3：PU-0 和 PUCH 地膜的应力 - 应变曲线、韧性 / 拉伸强度 / 伸长率对比图，以及 PUCH-20 地膜的弯折、扭转、折叠、拉伸和负重实物图；直观呈现了 PUCH-20 的最优力学性能和良好的柔韧性、负载能力。图 4：玉米芯粉添加量对地膜水汽阻隔性能的影响、水接触角实物图、紫外屏蔽性能曲线，以及地膜在 254nm 和 365nm 紫外光下对 100 元人民币的屏蔽效果图；证实了地膜阻隔性能、疏水性能、紫外屏蔽性能的提升，且紫外屏蔽效果可通过人民币荧光消失直观验证。图 5：PUCH 地膜的热重（TGA）和微商热重（DTG）曲线、尿素释放速率曲线、释放动力学曲线，以及地膜实际应用的升 / 降温曲线和阳光照射半小时后的红外热成像图；展示了地膜热稳定性提升、尿素缓释特性，以及优异的升温和隔热效果，热成像图直观呈现不同地膜的温度差异。图 6：15 天内上海青种子在不同地膜覆盖下的生长情况图、发芽率对比图、LDPE 和 PUCH 地膜在自然土壤中的降解失重曲线，以及 PUCH 地膜在 10cm 深自然土壤中的降解实物图；体现了 PUCH-20 对作物生长的促进作用，以及 PUCH 地膜远优于传统 PE 膜的生物降解性能。
展望本研究以农业废弃物玉米芯为原料，通过绿色水热改性工艺制备高性能可降解地膜，实现了农业固废的高值化利用，同时解决了传统可降解地膜性能不足、功能性单一的问题。该 PUCH 地膜兼具力学强度高、隔热保水、紫外屏蔽、肥料缓释和生物降解等多重功能，能有效促进作物生长并减少农业面源污染，具有显著的经济、环境和农业应用价值。未来研究将围绕地膜服役寿命与降解速率的平衡展开，通过材料配方设计、成膜工艺优化和田间管理调控，进一步优化地膜的性能参数；同时将开展规模化田间试验，验证地膜在不同作物、不同土壤环境下的应用效果，推动这款绿色多功能地膜的产业化落地，为我国农业绿色转型和可持续发展提供更实用的技术支撑。
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