一种可降解水稻秸秆容器及其应用试验_热压成型

论文导读:：以稻秸为原料，通过秸秆堆腐与添加改性玉米淀粉胶粘剂，进行可降解秸秆容器压制和容器产品育苗试验。首先，将粗破碎秸秆粉碳氮质量比、氮磷质量比及含水率分别调节至30∶1、1∶1和75%，接种2%（W/W）秸秆堆腐菌剂，进行条垛堆肥发酵50d，每隔5天采样进行容器压制试验，观测物料可塑性变化。再在可满足压制成型的堆腐样品，选取堆腐时间最短的样品进一步添加聚乙烯醇和脲醛树脂联合改性玉米淀粉胶，设计胶黏剂与秸秆粉质量比为0∶1、0.25∶1、0.5∶1、0.75∶1和1∶1进行容器压制试验，考察胶粘剂对腐解秸秆模压产品外观影响，同时测试不同胶粘剂含量产品的耐水性。利用以上试验优化配方工艺，压制秸秆容器进行红叶石楠育苗与栽培试验。结果显示：1) 未经堆腐或堆腐时间少于25d秸秆物料，在不添加外源性粘结剂条件下很难在120℃下压制成型，堆腐25d及更长时间则可以压制出成型产品；2)添加适量改性淀粉胶有利于秸秆粉压制成型，不加或过少会造成容器外观粗糙、耐水性差，过多添加会造成粘模现象；3）用秸秆容器育苗，容器对红叶石楠幼苗生长无不利影响，随幼苗移栽到大田后对植物存活和生长均有明显的促进作用。
论文关键词：水稻秸秆，育苗容器，生物可降解，改性淀粉胶，热压成型，红叶石楠
 

0 引言 可降解育苗容器是一次性育苗容器，育成苗后不需要拔秧，器、苗同移大田，不伤根、不伤苗。随着时间的推移，育苗钵会自然分解，其分解物不仅可生物生长提供额外养分，对预防土传病发生也起到一定作用[1, 2]。

目前，发达国家生物可降解容器生产原料主要是草炭和纸张，因资源所限这类容器造价较高。近年来，东南亚和美国利用椰子壳纤维及牛粪等制作可降解容器取得成功，产品很受市场欢迎。虽然自50年代我国广东和广西一带就用旧报纸袋、稻草袋、竹筐等作为育苗容器培育桉树和木麻黄苗木造林，70年代以后因受塑料容器冲击可降解容器制作技术研究一直未取得大的进展。众所周知，水稻是世界上主要粮食作物，全球每年稻秸产生量达5.8亿t[3]，但国内尚无有关于利用稻秸成功制作可降解容器的报道。水稻秸秆制作育苗容器存在两大障碍：1）稻秸主要由纤维素和半纤维素分子组成，含有大量羟基，吸水性强，耐水性差，成型产品吸水后容易解体；2）稻秆表面有较厚的蜡质和硅质，材料颗粒间粘结难度大[3, 4, 5]。

为克服秸秆成型困难和产品耐水性差的技术问题，本文尝试将水稻秸秆预先进行堆腐处理、在添加自制胶黏剂条件下，进行热压制作育苗容器试验，并以观赏苗木红叶石楠（Photina frasery）为被试植物验证该容器应用效果。

1.材料与方法

1.1试验材料、压机及模具

秸秆材料：水稻秸秆取自江苏省农科院本部试验田，水稻品种南粳42。秸秆基本性状见表1

表1 水稻秸秆基本性状

胶粘剂：以聚乙烯醇和脲醛树脂对自制氧化淀粉改性制得，用量分别氧化淀粉干基8%

资助项目：江苏省科技支撑项目SBE200830672

（W/W）和50%（W/W）热压成型，制得的改性胶固形物含量为38.5%（W/W），pH7.5。

育苗基质：园土20%+有机肥10%+砻糠10%+草炭60%（V/V）。

红叶石楠：取自南京市农科所红叶石楠苗圃，育苗用红叶石楠种苗为穴盘扦插生根苗。

1.2 试验设计

1.2.1 秸秆容器制作

秸秆堆腐试验500kg稻秸用破碎机破碎成长度为10-20cm碎片，添加尿素和过磷酸钙，将物料碳氮质量比和氮磷质量比分别调节至30∶1和1∶1，调节含水率至75%，接种自制腐熟菌剂10kg。物料经调制后堆肥发酵，每隔5d翻堆一次，翻堆前随机取样约5kg，风干后破碎至细度2-3cm进行模压试验以考察堆腐处理对秸秆可塑性影响，堆肥周期为50d。试验压机为YQ30-25T液压机，模具为两腔组合不锈钢模具，型腔圆台状。成型秸秆容器上口外径60mm，底部外径40mm，高度60mm，壁厚2mm，容器质量约32g。

胶黏剂用量试验设计胶黏剂质量与秸秆粉质量比即胶草比 0︰1、 0.25︰1、 0.5︰1、 0.75︰1、1︰1 共5个不同胶黏剂用量水平，每个水平重复6次核心期刊。秸秆粉与胶粘剂通过SHR-10A高速搅拌机混匀，依靠高速搅拌摩擦产热蒸发多余水分，待含物料水率降低至15%左右进行模压试验。

1.2.2 容器育苗试验 根据压制试验获得最佳工艺参数，制作秸秆容器用于育苗田间试验。田间试验分大棚育苗和大田栽培两个阶段。

大棚育苗：设三个处理，生物可降解容器为处理A，规格为6cm×6㎝；塑料盆钵为处理B，规格为10cm×10㎝；土壤苗床为处理C。试验重复6次，共18个小区，每小区60盆。

大田栽培：大棚育苗6个月以后，将大棚育成的小苗移栽之大田进行大苗培育。试验设计与大棚育苗试验基本相同，但每个处理重复数减为3次。在大棚育苗当天、小苗移栽前3天和大田移栽5个月后分别测定幼苗的株高、地径、地上部分和地下部分鲜重和干重等生长指标，小苗移栽前3天和大田移栽5个月考察幼苗成活率。

1.3 主要测试方法

秸秆可塑性测定：因秸秆可塑性难以用某一可定量测定的特征性指标反映，本文测试采用5分制进行外观品质综合评价。未堆腐秸秆粉塑性差记0分，可模压成表面光滑外形完整容器的物料可塑性记5分。对于成型外观品质介于两者之间的物料，依据产品外形完整性与表面光洁度不同其可塑性分别记1、2、3和4分。

容器耐水性测试[5]：采用泡水试验进行测试，将模压成型秸秆容器浸没到水中24h，测定浸泡水前后容器质量及容器壁厚度。吸水倍数=（泡水后容器质量-泡水前容器质量）/泡水前容器质量，膨胀率=(泡水后容器壁厚度/泡水前容器壁厚度)×100%。

生长指标测试： 植物幼苗株高、地径等参考《主要造林树种苗木质量分级》GB600-1999。

2结果与分析

2.1 秸秆容器制作

2.1.1 堆腐过程对秸秆压制成型的影响

在植物性材料压缩成型过程中，加热是一个十分重要的条件[6]。为了了解植物材料是否通过一定程度的堆腐处理后有利于降低压制所需的温度，从而减少压制过程的能耗，本文对水稻秸秆进行堆腐处理，定期取样进行容器压制试验。压制试验压力为13MPa，温度上模（凸模）120℃，下模（凹模）110℃，保压时间为30S。压制试验结果见图1.

从图1可以看出，在50d时间内，随着堆肥时间的延长，堆肥物料可塑性逐渐增强。堆肥0d和5d秸秆粉，在试验压力条件下，不能成型。这两批样品压制时，物料只能流动到下模模腔中部位置，成型物结构松散。从10-30d的堆肥产物，压制效果显著变化，到25d时热压成型，物料基本能达到下模的顶部，可以压出形状较为完整的容器，但结构仍比密实，外观粗糙。30d及以后各批次样品，基本可以成功成型，外观也逐渐变得光滑，颜色逐渐由浅黄色变成深褐色。

2.1.2 胶粘剂用量对秸秆模压产品性能的影响

对堆腐产品模压成功产品进行泡水试验，结果发现泡水后容器容易崩解，这表明容器在没有外源性胶黏剂情况下被压缩成型后，材料内部可能主要依靠生物大分子的羟基、氨基和羧基等间氢键作用，易受水分子攻击[[7]。本文以玉米淀粉为基料，以聚乙烯醇和脲醛树脂为改性剂，制作出一种新型改性玉米淀粉胶粘剂。以氯化铵和草酸作为固化剂，进行秸秆容器压制试验和泡水试验，考察容器外观及耐水性，结果见图2、3。

从图2看出，适量添加胶粘剂有助于容器产品外观的改善。观察压制产品发现，不添加胶粘剂，腐解秸秆虽也能压制成型但表面较粗糙，特别是上口边缘有裂缝和缺口，添加胶粘剂，产品外观变得光滑，质地也变得实密。在本次压制条件下，添加的胶量达到秸秆粉干重的50%时产品外观整洁有光泽。但随着胶粘剂进一步增加产品出现粘模现象，造成产品局部拉断和撕裂，影响外观效果。

对产品进行24h水浸泡试验发现，胶粘剂可以明显改善产品的耐水性胶粘剂用量增加，成型产品单位料重的吸水量和器壁膨胀率均依次减少（见图3）。

1.3容器育苗试验

本文以腐解25d的秸秆添加25%胶粘剂压制成育苗容器，进行了观赏苗木红叶石楠育苗与栽培试验。大棚育苗起始于2007年12月25日，种苗为穴盘扦插20d后的生根苗，栽植后当天浇透水，以后见基质表面稍干时及时补充浇水。2008年6月3日移栽至大田，苗间距30cm×30cm。移栽时生物可降解容器苗连同容器和基质一同栽入土，塑料营养苗脱除掉容器后同培育基质栽土中，土壤苗床苗栽植时带土球栽入土。栽植后及时浇透水，以后见土壤表面稍干时及时浇水核心期刊。整个试验过程未施肥料和农药。

2.1 大棚育苗 大棚育苗初始测定种苗的株高和地径，移栽前两天再次测定植株的株高和地径，并调查育苗存活率，结果见图4、5和表1。

表1 红叶石楠大棚育苗成活情况

注：小写字母表示5%差异显著性水平，下同。

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