为实现保温保墒、高效抑草并提高作物产量，商业化的低密度聚乙烯（LDPE）地膜被广泛应用于农业生产。据统计，全球塑料地膜年使用量约为400万吨，其中60%以上都在中国。地膜长年累月的使用与回收不及时导致农田“白色污染”加剧、土壤结构破坏，对我国的耕地质量与食品安全构成严峻挑战。生物降解地膜替代使用被视为解决传统LDPE地膜污染问题的有效方案，但当前仍受制于成本高昂、降解周期不可控、性能与作物生长不匹配等问题，难以实现大规模推广应用。

图1 秸秆复合生物降解地膜的制备流程示意图

装备所农用新材料团队徐磊副研究员携手南京林业大学娄志超副教授，创新提出一种协同提升现有聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯（PBAT）基生物降解地膜力学、抗紫外老化和水汽阻隔性能的新方法。该方法以低成本的小麦秸秆为原料，利用碳酸钙粉与小麦秸秆共研磨过程中提供的强剪切力及热、动能，实现小麦秸秆颗粒尺寸大幅度降低，同时为其表面赋予了极强的活性。在此基础上设计优化小麦秸秆-PBAT共挤-吹膜工艺，即可基于秸秆粉与生物降解聚酯之间的π-π相互作用，在PBAT聚酯周围形成兼具力学增强与紫外、水汽屏蔽效果的小麦秸秆“屏蔽层”，从而协同提高生物降解地膜的紫外耐受、力学与水汽阻隔性能。研究发现，少量共球磨获得的超细秸秆粉并不会在膜内形成重大缺陷，但却可以基于自身与聚酯基体的相互作用阻碍分子链迁移，从而改善薄膜的力学性能。10%小麦秸秆的引入增强了膜表面疏水性，并增大曲折因子，从而阻碍水分子的溶解和扩散，提高水汽阻隔性能；但当添加量增大至30%时，尽管增强的表面疏水性可降低水分子在膜表面的溶解速率，曲折因子却因缺陷的产生而降低，从而导致水分子扩散加剧。此外，研究团队还发现秸秆中的木质素组分也为其良好的紫外屏蔽和耐候性能提供了条件。试验表明，秸秆复合生物降解地膜的紫外屏蔽率（UVA）可达89.1%以上，远高于原始PBAT膜的22.6%；同时可将满足国家标准（GB/T-35795）下地膜在紫外辐照条件纵向力学性能的保持时长由57.1 h延长至65.8-80.9h；横向力学性能保持时长则由78.2 h延长至85.2-96.6 h，制造成本却降低了8.14%-20.96%。该技术可为全生物降解地膜围绕种植场景需求“量身定制”、为农作物生产“量体裁衣”提供了重要技术支撑。

该研究得到了国家自然科学基金、江苏省重点研发计划、江苏省农业科技自主创新资金等项目资助，并以“Preparation of ultrafine wheat straws with co-milling and its incorporation for biodegradable mulch film production with enhanced performance”为题发表于Chemical Engineering Journal（中科院1区，IF=16.74）上，装备所农用新材料团队徐磊副研究员为论文的第一作者，严旎娜博士与南京林业大学娄志超副教授为论文的通讯作者。

图2 秸秆复合生物降解粒子与膜

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723027092