基本信息
- 项目名称：
- 适应北疆植棉区的可控降解农膜的研制与应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目基于热氧催化剂的可控降解母粒配方的设计，开发一种新型可控降解农膜制品。为提高农膜的降解可控性，项目针对北疆主要植棉区气候环境特点，建立生态区气候环境因子和农膜降解规律之间的内在关系，以实验室模拟和大田观测相结合的方法，开展覆膜区各环境因素与农膜降解速率变化规律实验研究，建立农膜降解模型和生产施用推荐决策支持系统，实现因地制宜、一区一配方、精准施用、降解可控。
- 详细介绍：
- 一、项目方向的确立 新疆是我国重要的棉花生产基地，广泛采用膜下滴灌模式，但带来的白色污染已经成为制约现代农业发展的瓶颈问题。为此，政府、企业、科研院所进行了大量的研发和投入，其中可降解农膜是重要的解决方案之一，虽已开展了二十余年的应用和示范工作，但至今未能大规模推广使用。项目团队在认真调研的基础上，剖析了前人工作的成败，从而确立了项目研究方向：提出了以基于热氧催化剂可降解母粒设计合成出发，引入生态区气候环境因子，建立其与可降解农膜结构、配方、加工和生产施用的内在联系，以提高可降解农膜的降解可控性。 二、项目研究内容 1、可控降解母粒及农膜产品生产工艺研究： 合成功能性热氧催化剂，设计配方制备可控降解母粒，并进行工艺优化，获得原料处理、混料时间和顺序、不同模块温度、挤出速率等相关参数；将可控降解母粒加入聚烯烃制得可控降解农膜产品，获得吹膜工艺参数，农膜制品进行检验，产品质量达到国家相关标准。 2、可控降解农膜人工耐老化试验和堆肥试验研究： 研究可控降解农膜人工老化和降解过程，获得人工加速老化和降解的试验数据，预测农膜在自然条件下的降解周期，为田间试验提供参考。包括人工模拟老化试验和堆肥试验。人工模拟老化试验是对不同可控降解农膜样品在紫外线耐侯实验机中进行照射，定时观察每个样的表观现象，同时取样进行红外测试，并根据红外光谱图计算羰基指数，从而得出样品随时间变化的光降解曲线；堆肥试验是在模拟的需氧堆肥条件下，测定试样最终需氧生物分解能力。根据实际测量的总有机碳（TOC）含量可以计算出二氧化碳的理论释放量，得出可控降解农膜的生物降解率。 3、不同生态区可控降解农膜光降解和生物降解过程实验研究： 研究在不同的试验区，可降解地膜暴露在外的部分在不同日照时间、紫外光强、温度、湿度条件下的降解过程，取得相关数据和农膜样品，分析降解率的时空变化情况；同时，研究在不同的试验区不同土壤质地、土壤温度、酸碱度、盐度分布对于可降解地膜生物降解过程的影响，建立土壤中降解农膜的降解率在不同季节的变化规律。 4、新疆主要植棉区可控降解农膜的降解机理模型和生产施用推荐决策支持系统的建立： 根据新疆主要植棉区日照时间、温度、湿度、盐度等变化的特点，汇总数据分析，确定模型参数，探明可控降解农膜的降解规律，建立可控降解农膜降解机理模型。根据各地不同日照时间、紫外光强、温度、湿度等因素，建立一个实际所需诱导期数学模型。 根据可控降解农膜的降解规律、不同地域条件降解模型及确定的相关实验参数，制定不同地域条件下降解农膜的生产技术方案用于指导生产配方及工艺，并编写基于windows平台下的可控降解农膜生产施用推荐决策支持系统。 5、可控降解农膜的应用示范： 与相关公司进行合作，在新疆兵团团场做可控降解农膜应用示范工作，为地方提供技术支持，协同相关团场建立了研究示范基地，已在兵团农五师81、84、89、90团植棉区进行了应用和示范，取得了理想的效果，得到了广大棉农的好评。 三、项目分工 本项目主要分为四个方面：可控降解母粒及农膜产品生产工艺研究、可控降解农膜人工耐老化试验和堆肥试验研究、不同生态区可控降解农膜光降解和生物降解过程实验研究、信息的采集分析及模型的建立。我们每个人重点负责一块儿，但分工不分家，仍通力合作完成了项目。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1、作品设计、发明的目的： 随着新疆植棉区的逐步扩大，地膜的应用也随之推广开来，但地膜的污染也逐年加剧。由于我国地膜覆盖面积大，企业生产的薄膜厚度太薄，回收起来异常困难，在经济上得不偿失。我国已在不同功能农膜领域实现了可降解农膜的产业化，但因可控性不高，均未能实现大规模推广应用。本项目提出的可控降解农膜，研发可控降解母粒配方，针对不同生态区，一区一配方，精准施用，赋予农膜更可靠的降解可控性能。 2、基本思路： 针对新疆主要植棉区气候环境特点，建立环境因素和可控降解农膜结构之间的内在关系，设计可控降解母粒配方和加工工艺，开发一种新型可控降解农膜产品。建立可控降解农膜降解模型和农膜生产施用推荐决策支持系统，实现在不同植棉区农膜的降解可控。 3、创新点：设计合成功能性热氧催化剂，制备可降解母粒及农膜，建立生态区气候环境因子与可降解农膜结构、配方、加工和生产施用的内在联系，以提高农膜的降解可控性。实现因地制宜、一区一方、精准施用、降解可控。 4、技术关键： （１）可控降解母粒配方加工及农膜生产工艺； （２）新疆主要植棉区可控降解农膜降解机理模型和生产施用推荐决策支持系统的建立。 5、主要技术指标： （１）农膜性能：断裂强度为40 MPa；撕裂强度在3OkN／m～40kN／m的范围内；最大拉伸强度为51 MPa；最大伸长率纵向达到71.7%,横向达到58.9%；（２）诱导期：（60±5）/d ; （３）建立数学模型； （４）建立生产施用的决策系统。
科学性、先进性
- 本项目将可控降解母粒加入聚烯烃制得可控降解农膜产品，建立可控降解覆膜试验基地，母料中含有能够使聚合物进行光和热氧降解的金属离子预降解系统，还包含一种能促进第二步生物降解的物质，从而导致聚烯烃的分子量因分子链的断裂进一步下降，当分子量下降至4000-10000（摩尔质量）时，可以被土壤中的微生物侵蚀消化，最终使塑料降解为二氧化碳和水，完全被降解到自然环境中。 由于可控降解母粒配方的加入，在棉花的诱导期，保证了农膜正常的机械性能和力学性能，保障幼苗的正常生长。诱导期结束后，热氧催化剂开始发挥作用，迅速将农膜降解为小碎片。遗留在土壤当中的碎片，由于母粒当中含有促进生物降解的物质，而被进一步降解为二氧化碳和水。根据不同生态区环境气候因子与农膜结构之间的关系，建立降解机理模型和生产使用推荐决策支持系统指导配方的生产，提高不同生态区的可控性。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 专利技术
作品可展示的形式
- 实物、图片、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1、作品的技术特点与优势： （1）诱导期可控：功能性热氧催化剂可完成作物在诱导期结束时对农膜进行催化降解； （2）残膜降解可控：在诱导期结束后，降解母粒配方成分可将残膜进一步降解成小分子； （3）不同生态区降解可控：根据不同生态区环境影响因子进行降解母粒配方工艺调控，通过可控降解农膜生产施用专家推荐决策支持系统，实现一区一方，精准施用，提高不同生态区的可控。 2、适用范围及推广前景： 本项目研发的可控降解农膜目前只针对北疆植棉区。已在兵团农五师81、84、89、90团植棉区进行了应用和示范，取得了理想的效果，得到了广大棉农的好评。若资金充足，增加不同生态区示范点的设立，完善数学模型，添加母粒配方，进而能在全疆和其他地区的应用示范。 3、市场前景与效益分析： 可降解地膜价格较高，不利推广。而本项目研发的可控降解农膜与普通地膜相近，价格适中，棉农易于接受。而且本项目省去了普通农膜的回收费用，有效地解决了残膜污染，保障了棉花的产量。产生了良好的环境与经济效益。
同类课题研究水平概述
- 解决残膜污染最常用的途径主要有两个：一是回收塑料薄膜，二是开发可降解农膜。可降解地膜的开发与应用是解决农膜污染的重要发展趋势。国内外研究院所和企业开展了大量可降解农用薄膜的研究工作。 在国外，英国WELLS公司在欧洲进行了一定范围的可降解农膜的应用，加拿大EPI公司引进WELLS公司技术在北美进行了应用，但是由于价格及产品适用性等问题，上述产品的推广应用还存在问题。 在国内，已有多家企业从生物降解地膜、光降解地膜、光／生物降解地膜、植物纤维地膜、液态喷洒薄膜等功能农膜领域实现了可降解农膜的产业化，进行了一定范围的应用示范，但由于农膜的降解受到农膜生产工艺、覆膜区环境、气候因子等诸多因素的影响，农膜产品降解的可控性不高，而且价格较高，不利于棉农的接受，均未能实现大规模推广应用。
