一种甘蔗纤维提取物制备缓释材料的方法
技术领域
本发明涉及纤维制膜领域，特别是涉及一种甘蔗纤维提取物制备缓释材料的方法。
背景技术
甘蔗是我国主要的糖料作物，面积占我国常年糖料面积的85％以上，产糖量占食糖总产量的90％以上，位于南亚热带季风气候区的广西，光照充足，雨水丰沛，适宜甘蔗生长，且广西是中国与东南亚国家西南腹地的“结合部”是中国西南最便捷的出海通道，广西甘蔗产业发展有着独特的区位优势。固甘蔗产业已成为广西区经济发展重要支柱和农民增收的主要来源。甘蔗渣是制糖工业的主要废弃物，来源集中、量大面广，是一种重要的可再生生物质资源，其结构组成主要包括纤维素、半纤维素以及木质素。
缓释型化肥符合环境保护和农业可持续发展的要求，是世界农业化肥的发展方向，其中包膜型缓释化肥是今后缓释化肥的主流。但是，现在包膜型缓释化肥产品的包膜是对作物无用的物质，大多不能环境降解，会残留土壤中污染环境，比如环氧树脂、聚氨酯、聚乙烯。采用甘蔗渣中纤维提取物制备缓释包膜，既对环境无害，可以在土壤中降解，又可以做到资源的二次利用，是包膜型缓释化肥领域的期望。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明目的在于提供一种甘蔗纤维提取物制备缓释材料的方法，以解决上述现有技术存在的缓释包膜不能降解、污染环境的技术问题。
为此，本发明提出以下方案：
一种甘蔗纤维提取物制备缓释材料的方法，包括以下步骤：
S1：在真空度为0.1-0.3Mpa、温度84-89℃的条件下，将N-甲基吗啉水溶液蒸发至质量分数为10-15.5％的粘稠状态；
S2:将纤维素和抗氧化剂加入粘稠状态的N-甲基吗啉溶液中，搅拌4-8min，然后在95-99℃下恒温油浴7.5-11h，得到稠浆A；
S3：将稠浆A放入真空干燥箱中，在0.1-0.4Mpa，温度108-117℃条件下，保持2-5h得到纤维素膜液；
S4：将纤维素膜液倒在恒温21-25℃的玻璃板上刮制成膜，然后浸入凝胶浴后，即得到纤维素缓释材料。
优选地，所述抗氧化剂为棓酸丙酯。
优选地，所述纤维素、抗氧化剂和粘稠状态的N-甲基吗啉溶液的质量比为：1:0.4:1.35。
优选地，步骤S4中所述的凝胶浴是在25-50℃条件下保持7-10h。
优选地，甘蔗纤维素提取包括以下步骤：甘蔗压榨后，甘蔗渣经过粉碎过筛；碱液浸泡，调节pH；加热烘干；最后进行吸附工序得到纤维素。
优选地，所述粉碎过筛为：甘蔗渣经过粉碎机粉碎后，过20-70目筛。
优选地，所述碱液浸泡，调节pH为：使用浓度为0.1-0.5mol/L的氢氧化钠溶液浸泡活化粉碎后的甘蔗渣15min，过滤后使用水对甘蔗渣冲洗至pH为7.1-7.3。
优选地，所述加热烘干为：将甘蔗渣放入烘箱，在60℃的恒温下烘干至水分含量≦8％。
优选地，所述吸附工序为：
S1：向甘蔗渣加入1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐离子液体，加热至69-78℃并保持温度15min，然后加入1-氯苯并三氮唑、吡啶搅拌5min；离心分离15min后得到纤维素液；
S2：使用水对步骤S1所得的纤维素液洗涤，然后过滤，放入烘箱在70℃的恒温下烘干至水分含量≦5％后，得到纤维素。
优选地，所述甘蔗渣和1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐的质量比为1.5-2:5-8；所述1-氯苯并三氮唑和吡啶的质量比为1:2-5。
本发明与现有技术对比的有益效果包括：
1.从表1可知，实施例1-3均达到了GB/T%2023348-2009的标准要求；其中实施例3为最优实施例，实施例3的缓释材料比国家标准要求在初期、28d的条件下分别提高了34.40％、16.11％。从对比例1-3可以看到，初期(24h)养分释放率中对比例1-3均未达标，28d养分释放率中对比例1、3未达标，说明工艺或组分的缺失会对缓释材料的性能造成较大的影响。本发明的纤维素缓释材料具有比较合理的肥料释放率，在满足农作物养分需求的同时，也避免了肥料施肥过多而导致作物死亡或土壤污染情况发生。
2.从表2可知，实施例1-3、对比例1-3均有较好的土壤降解率，在土壤中120天时降解率为26.1-30.1％，在土壤中200天时降解率为58.3-71.5％，膜的降解速度适中，有利于包覆的肥料长期缓释以达到满足农作物养分的需求；360天时实施例1-3的膜还有一定的量，适当的延长的肥料缓释的效果。对比例1-3的360天降解率可以看出，降解率较高，已经难以完整包覆肥料颗粒达到缓释的效果。本发明的纤维素缓释材料可以在土壤中得到降解，避免了对环境造成污染，也降免去了人工清理的步骤，提高了生产的效率。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
实施例1
一种甘蔗纤维提取物制备缓释材料的方法，包括以下步骤：
S1：在真空度为0.1Mpa、温度84℃的条件下，将N-甲基吗啉水溶液蒸发至质量分数为10％的粘稠状态；
S2:将纤维素100份和抗氧化剂棓酸丙酯加入粘稠状态的N-甲基吗啉溶液中，搅拌4min，然后在95-99℃下恒温油浴7.5h，得到稠浆A；
S3：将稠浆A放入真空干燥箱中，在0.1Mpa，温度108℃条件下，保持2h得到纤维素膜液；
S4：将纤维素膜液倒在恒温21℃的玻璃板上刮制成膜，然后浸入凝胶浴，在25-50℃条件下保持7h，即得到纤维素缓释材料。
所述纤维素、抗氧化剂和粘稠状态的N-甲基吗啉溶液的质量比为：1:0.4:1.35。
甘蔗纤维素提取包括以下步骤：甘蔗压榨后，取甘蔗渣100份经过粉碎机粉碎后，过20目筛；使用浓度为0.1mol/L的氢氧化钠溶液250份浸泡活化粉碎后的甘蔗渣15min，过滤后使用水对甘蔗渣冲洗至pH为7.1；将甘蔗渣放入烘箱，在60℃的恒温下烘干至水分含量≦8％；最后进行吸附工序得到纤维素。
所述吸附工序为：
S1：向经过前序工艺处理的甘蔗渣100份加入1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐离子液体，加热至69℃并保持温度15min，然后加入1-氯苯并三氮唑25份、吡啶搅拌5min；离心分离15min后得到纤维素液；
S2：使用水对步骤S1所得的纤维素液洗涤，然后过滤，放入烘箱在70℃的恒温下烘干至水分含量≦5％后，得到纤维素。
所述甘蔗渣和1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐的质量比为1.5:5；所述1-氯苯并三氮唑和吡啶的质量比为1:2。
实施例2
一种甘蔗纤维提取物制备缓释材料的方法，包括以下步骤：
S1：在真空度为0.3Mpa、温度89℃的条件下，将N-甲基吗啉水溶液蒸发至质量分数为15.5％的粘稠状态；
S2:将纤维素100份和抗氧化剂棓酸丙酯加入粘稠状态的N-甲基吗啉溶液中，搅拌8min，然后在99℃下恒温油浴11h，得到稠浆A；
S3：将稠浆A放入真空干燥箱中，在0.4Mpa，温度117℃条件下，保持5h得到纤维素膜液；
S4：将纤维素膜液倒在恒温25℃的玻璃板上刮制成膜，然后浸入凝胶浴，在25-50℃条件下保持10h，即得到纤维素缓释材料。
所述纤维素、抗氧化剂和粘稠状态的N-甲基吗啉溶液的质量比为：1:0.4:1.35。
甘蔗纤维素提取包括以下步骤：甘蔗压榨后，取甘蔗渣100份经过粉碎机粉碎后，过70目筛；使用浓度为0.5mol/L的氢氧化钠溶液250份浸泡活化粉碎后的甘蔗渣15min，过滤后使用水对甘蔗渣冲洗至pH为7.3；将甘蔗渣放入烘箱，在60℃的恒温下烘干至水分含量≦8％；最后进行吸附工序得到纤维素。
所述吸附工序为：
S1：向经过前序工艺处理的甘蔗渣100份加入1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐离子液体，加热至78℃并保持温度15min，然后加入1-氯苯并三氮唑35份、吡啶搅拌5min；离心分离15min后得到纤维素液；
S2：使用水对步骤S1所得的纤维素液洗涤，然后过滤，放入烘箱在70℃的恒温下烘干至水分含量≦5％后，得到纤维素。
所述甘蔗渣和1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐的质量比为2:8；所述1-氯苯并三氮唑和吡啶的质量比为1:5。
实施例3
一种甘蔗纤维提取物制备缓释材料的方法，包括以下步骤：
S1：在真空度为0.2Mpa、温度86℃的条件下，将N-甲基吗啉水溶液蒸发至质量分数为12.5％的粘稠状态；
S2:将纤维素100份和抗氧化剂棓酸丙酯加入粘稠状态的N-甲基吗啉溶液中，搅拌5min，然后在97℃下恒温油浴9h，得到稠浆A；
S3：将稠浆A放入真空干燥箱中，在0.2Mpa，温度114℃条件下，保持3.5h得到纤维素膜液；
S4：将纤维素膜液倒在恒温23℃的玻璃板上刮制成膜，然后浸入凝胶浴，在39℃条件下保持9h，即得到纤维素缓释材料。
所述纤维素、抗氧化剂和粘稠状态的N-甲基吗啉溶液的质量比为：1:0.4:1.35。
甘蔗纤维素提取包括以下步骤：甘蔗压榨后，取甘蔗渣100份经过粉碎机粉碎后，过40目筛；使用浓度为0.36mol/L的氢氧化钠溶液250份浸泡活化粉碎后的甘蔗渣15min，过滤后使用水对甘蔗渣冲洗至pH为7.1；将甘蔗渣放入烘箱，在60℃的恒温下烘干至水分含量≦8％；最后进行吸附工序得到纤维素。
所述吸附工序为：
S1：向经过前序工艺处理的甘蔗渣加入1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐离子液体，加热至73℃并保持温度15min，然后加入1-氯苯并三氮唑35份、吡啶搅拌5min；离心分离15min后得到纤维素液；
S2：使用水对步骤S1所得的纤维素液洗涤，然后过滤，放入烘箱在70℃的恒温下烘干至水分含量≦5％后，得到纤维素。
所述甘蔗渣和1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐的质量比为1.7:6；所述1-氯苯并三氮唑和吡啶的质量比为1:4。
对比例1
制备方法和实施例3基本相同，唯有不同的是吸附工序中未加入1-氯苯并三氮唑。
对比例2
制备方法和实施例3基本相同，唯有不同的是甘蔗纤维提取物制备缓释材料工艺中，直接使用N-甲基吗啉水溶液，未将N-甲基吗啉水溶液蒸发至粘稠状态。
对比例3
制备方法和实施例3基本相同，唯有不同的是甘蔗纤维提取物制备缓释材料工艺中凝胶浴只进行2h。
将本实施例制得的包膜缓释材料用于制备包膜缓释肥，具体步骤如下：
取万地宝复合肥分成6组，每组50g，选取粒径为2-4mm的肥料颗粒，将肥料颗粒在温度为50℃下预热15min。将实施例1-3、对比例1-3所制得的纤维素缓释材料使用高压喷枪在肥料颗粒表面进行雾化喷涂，同时用85℃的热风干燥，肥料颗粒包膜后自然冷却至室温即可，得到的缓释肥包覆率为42.37-45.17％。所述包覆率计算方式为：包覆率＝(MY-Mx)/My×100％；Mx＝包膜前肥料颗粒的质量，MY＝包膜后包膜肥料的质量。
根据GB/T%2023348-2009的方法及要求，对实施例1-3、对比例1-3所制备的甘蔗纤维包膜缓释肥进行缓释性能的测试，试验结果如表1所示。
表1各组甘蔗纤维包膜缓释肥进行缓释性能的测试结果
从表1可知，实施例1-3均达到了GB/T 23348-2009的标准要求，即：初期(24h)养分释放率≦15％，28d养分释放率≦80％；其中实施例3为最优实施例，实施例3的缓释材料比国家标准要求在初期、28d的条件下分别提高了34.40％、16.11％。从对比例1-3可以看到，初期(24h)养分释放率中对比例1-3均未达标，28d养分释放率中对比例1、3未达标，说明工艺或组分的缺失会对缓释材料的性能造成较大的影响；其中因N-甲基吗啉易溶于水，纤维素膜液中的部分N-甲基吗啉分子回向凝胶浴中扩散，会在成膜界处不断进行溶剂与非溶剂的双向扩散作用，纤维素分子量大，链运动较为缓慢，所以进行一段时间的凝胶浴后，由于溶剂减少，在纤维素膜液中N-甲基吗啉分子对纤维素溶解的能力下降，膜液逐渐变为热力学不稳定状态，发生聚合物的液-固相分离，迅速形成两相，构成了纤维素膜液的富相和贫相，富相在分相后不久则固化成膜的连续相，而分散的贫相会形成膜的孔结构，所以通过控制凝胶浴的工艺条件和N-甲基吗啉的浓度等可以影响膜的结构形态和性能。综上可知，本发明的纤维素缓释材料具有比较合理的肥料释放率，在满足农作物养分需求的同时，也避免了肥料施肥过多而导致作物死亡或土壤污染情况发生。
将实施例1-3、对比例1-3的纤维素缓释材料固定干燥成缓释膜，每组取100g缓释膜，埋在土壤40cm深处，自然条件下进行土壤降解试验；其中降解率＝(M1-M2)/M1×100％，M1＝膜初始质量，M2＝x天后取出膜称取的质量。结果如表2所示。
表2缓释膜土壤降解情况表
从表2可知，实施例1-3、对比例1-3均有较好的土壤降解率，在土壤中120天时降解率为26.1-30.1％，在土壤中200天时降解率为58.3-71.5％，膜的降解速度适中，有利于包覆的肥料长期缓释以达到满足农作物养分的需求；360天时实施例1-3的膜还有一定的量，适当的延长的肥料缓释的效果。对比例1-3的360天降解率可以看出，降解率较高，已经难以完整包覆肥料颗粒达到缓释的效果，说明工艺的改变也会影响缓释膜的降解率。综上可知，本发明的纤维素缓释材料可以在土壤中得到降解，避免了对环境造成污染，也降免去了人工清理的步骤，提高了生产的效率。
以上内容是结合具体的/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施例做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
