农业食品系统在上个世纪经历了重大变革，塑料在农业中的引入是其中许多变革的催化剂。例如，使用地膜（通常由低密度聚乙烯制成）可保持土壤中的水分，防止杂草的生长，以更少的资源获得更高的粮食产量。然而，一旦收获完成，地膜必须被收集并妥善丢弃，这对生产者来说是一项非常费力且昂贵的任务。在这种情况下，许多研究人员正在研究开发适合替代LDPE的可生物降解地膜（BDM）。其可在耕作过程中融入土壤，并在生物降解后有可能促进土壤有机质和微量营养素的富集。
近日，意大利技术研究院的Athanassia Athanassiou、Danila Merino等人将含有10wt%的ESOME的增塑聚乳酸与不同浓度的不可食用蔬菜残渣（包括菠菜茎(SS)、番茄渣(TP)和可可粉(CS)）相结合，制备了具有高度拉伸性的生物基可生物降解地膜，并对其进行了表征。作为填料的蔬菜废料的种类不仅显著影响薄膜机械以及包装性能，而且也显著影响其生物降解性，并且显示了其作为肥料的潜力。这项研究的结果代表了一种可持续的、完全基于生物的覆盖膜，可以替代市场上已有的其他覆盖膜。
相关工作以“Biodegradable and Biobased Mulch Films: Highly Stretchable PLA Composites with Different Industrial Vegetable Waste”为题发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。
复合地膜的制备
首先将工业蔬菜废弃物（IVW）进行脱水处理，经过研磨、筛分收集小于50 μm的组分，随后与PLA共同进行真空干燥用于后续复合地膜的制备。将PLA颗粒与10wt%的ESCME（作为增塑剂）以及10，20和30wt%的IVW粉末在双螺杆挤出机中进行共混造粒，然后通过压缩成型得到不同复合地膜。此外制备了不含IVW的增塑PLA作为对照，具体配方如表1所示。
表1.样品名称以及配方。
化学与形态表征
增塑PLA基质以及含有IVW的复合地膜的红外光谱如图1A-E所示，ESOME以及不同含量的IVW加入均为PLA的红外光谱带来了一些不同。此外，不同地膜的横截面如图1F所示，在PLA中可以观察到均匀且光滑的表面，有一些条纹可能与脆性断裂有关。加入ESOME后，在表面上观察到了一些不规则的图案，对应于延展性提升，同时呈现出均匀的表面，表明在ESOME与PLA良好的相容性。对于含有SS、TP和CS的复合地膜，其表面呈现粗糙和异质性，并且随着掺入含量的增加而变得更加明显，这归因于疏水性PPLA与富含-OH的亲水性IVW之间的相容性较差。
图 1.PLA基复合地膜的化学和形态学表征结果。
热稳定性
图 2为不同地膜的TGA以及DTGA曲线。对于含有IVW的复合地膜，表现出两个阶段的降解。第一阶段发生在160-270 °C之间，与增塑剂的蒸发和填料中存在的一些化合物的热降解有关；第二阶段则发生在250-350°C之间，这归因于PPLA（增塑PLA）和SS，CS和TP中存在的其他化合物（如纤维素和木质素聚合物）的联合降解。随着掺入的IVW含量的增加，最大降解速率对应的温度降低。
图2.PLA基的复合地膜的热重分析。
机械性能
ESOME的加入对PLA起到了极大的增塑作用，杨氏模量降低了50%，断裂伸长率增加了约10 000%，TS值从56.1 MPa降低到32.5 MPa。添加IVW填料后，观察到PPLA+TP和PPLA+CS复合材料的抗塑化作用，尤其是TP或CS含量达到20和30wt %时（图3A-C），这些材料使材料杨氏模量显著增加，同时材料断裂伸长率显著降低。而对于拉伸强度，所有复合地膜都随着填料含量的增加显著下降（图3 B），这归因于PPLA与SS，TP和CS填充物之间的弱相互作用。综合考虑，使用10和20wt%的IVW制备的材料表现出合适的刚度和拉伸性，拥有巨大的应用潜力。
图 3.PLA基复合地膜的机械性能及其与文献中发现的其他地膜性能的比较。
水相互作用
通过测定PLA覆盖物的水分含量（MC）、在水中的溶解度和对水蒸气的渗透性，研究了其与水和湿度相互作用时的行为。从图4A可以看出，随着填料的添加，MC逐渐增加，并且SS变化最大，最高可达3%。同样，当添加30wt%的SS时，PLA-SS复合材料显示出最高的WS（图4 B）和WVP（图4C）。相反，添加量为10-20 wt%时，这些性能的增加非常小。这里获得的WVP值与先前报道的Mater-Bi地膜相似，再次展示了其在覆盖方面的巨大潜力。
图4.（A） 水分含量、水溶性（WS）和（C）水蒸气透过率等水相互作用作为填料含量的函数。
光学性能
地膜与光学性能是另一个关键参数，显著影响着其功能。当填料含量增加时，400-700 nm的透光率降低（图5A-C）。图5D中包含的该范围内的直接透射率值表明，光学特性还取决于用作填料的蔬菜废物的种类。填料含量为30 wt%的薄膜是最不透明的，但仍高于黑色PE覆盖薄膜（0%）。因此这些材料可以用作彩色覆盖物，并且应该进一步测试它们对不同作物的影响。
图5.复合地膜的光学性能。
生物降解性能
IVW含量为20wt%的复合地膜以及PPLA、PLA的生物降解测试如图6所示。IVW的添加对其生物降解性有着显著的影响。对于复合地膜，在一个月内显示出显著的重量减轻，发生明显的颜色以及表面形态变化，而PLA和PPLA几乎没有重量损失和表面形态的变化（图6B）。材料粗糙度和颜色变化的增加可能是由于能够降解混合物组分的微生物排泄的酶。最后作者还测试了含20wt% SS、TP和CS的PPLA复合地膜的矿物组成。结果表明，所开发的材料在生物降解后可以为土壤提供微量和宏量营养素，将有助于防止化肥的过度使用。同时证明了将蔬菜废料纳入新附加值材料生产链的一个额外好处。
图6. PLA基复合地膜在土壤中的生物降解性能。
总结
在本工作中，作者通过将塑化的非晶态聚乳酸与10、20或30wt%的不同工业蔬菜废料(菠菜茎、番茄渣和可可壳)结合，经过压缩成型得到了几种不同的复合地膜。填充量为10或20wt %的复合地膜在机械、水蒸气阻隔和光学性能方面表现出与商用BDM相似的覆盖潜力，尽管用蔬菜废料制成的PPLA复合材料的价格高于LDPE薄膜，但填料的添加显著影响了其生物降解性，当使用20wt% SS时，6个月后其生物降解率几乎达到40wt%。所研制的材料还含有多种微量和宏观营养素，有利于植物生长发育。未来的工作将进一步测试这些材料在真实农业条件下的性能。
