淀粉在農(nóng)業(yè)用非織造材料上的應(yīng)用

(1.浙江省普瑞科技有限公司(浙江省造紙研究所)，杭州，311215;2.浙江省特種纖維紙基功能材料技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州，311215)

農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，當(dāng)今人口數(shù)量不斷增長(zhǎng)，而農(nóng)村在城市化過程中耕地面積逐漸減少，因此需將現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)的規(guī)模經(jīng)營(yíng)提到議事日程上。人類社會(huì)物質(zhì)生活水平提高，對(duì)生態(tài)環(huán)境、生態(tài)平衡提出新要求，不僅要求農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量高、品種多、質(zhì)量好，而且要求使用的材料不能對(duì)環(huán)境和土壤產(chǎn)生負(fù)面影響?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)、遙控技術(shù)及機(jī)械制造技術(shù)，為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化提供了基礎(chǔ)條件，同時(shí)也需要相應(yīng)的新材料給予配套。

農(nóng)產(chǎn)品的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和反季節(jié)培育，讓農(nóng)業(yè)從播種到收割都有了重大改革。例如:農(nóng)用大棚、地膜、育秧筒等配套材料相繼得到應(yīng)用;育苗技術(shù)從插秧到拋秧，進(jìn)而采用機(jī)械播種。目前具有價(jià)格低廉、強(qiáng)度高、厚度薄、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)的塑料制品得到了廣泛應(yīng)用，但是在給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)可觀經(jīng)濟(jì)效益、推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的同時(shí)，不得不看到塑料制品的不可降解性對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的問題。尤其是長(zhǎng)期使用后殘留在土壤中的廢舊塑料對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞，使土壤中含水量減少，透風(fēng)透氣性下降，對(duì)作物根系生長(zhǎng)和機(jī)械化作業(yè)必將造成嚴(yán)重影響。

20世紀(jì)90年代，人們開始嘗試用纖維材料取代塑料制品，如使用紡粘非織造布制作大棚，研究紙質(zhì)地膜、育苗筒等，但是由于眾多原因，推廣應(yīng)用還不夠理想，或者說取代率不高，尤其是紙質(zhì)材料。

對(duì)于直接在土壤上或埋入土壤中的應(yīng)用，塑料制品無(wú)法滿足使用要求，而使用面密度較低(如15 g/m2)的產(chǎn)品，如紙質(zhì)(濕法非織造)材料將具有特殊的優(yōu)勢(shì)。

1 濕法非織造材料的優(yōu)勢(shì)

應(yīng)用于土壤中的農(nóng)用材料不能用塑料制品，這給纖維質(zhì)材料開拓了應(yīng)用領(lǐng)域。該特定應(yīng)用領(lǐng)域?qū)w維原料的選擇范圍限制性很大，僅局限于可降解的黏膠纖維、天絲纖維等纖維素類再生纖維和木漿、棉花等天然植物纖維。

該類農(nóng)用材料曾以常規(guī)黏膠纖維為原料，采用干法氣流成網(wǎng)、化學(xué)浸漬工藝制造，但由于面密度低且波動(dòng)大，產(chǎn)品呈網(wǎng)狀，均勻性差，以及長(zhǎng)度為38 mm的纖維制品在埋入土壤中后降解速度仍較慢，不是理想的適用材料。如使用細(xì)旦纖維作原料，價(jià)格相對(duì)偏高，而干法工藝制品降解速度慢的問題仍將存在。

按紙質(zhì)地膜工藝(以木漿纖維為原料，采用傳統(tǒng)造紙工藝)生產(chǎn)時(shí)，利用纖維素鏈上的羥基，借助氫鍵結(jié)合，可以在不添加黏結(jié)劑的條件下使紙張具有一定的強(qiáng)度。若進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇驖{，借助機(jī)械作用打碎纖維初生壁，使纖維吸水潤(rùn)脹，比容增加，內(nèi)聚力下降，纖維的柔軟性和可塑性提高，并利于對(duì)微細(xì)纖維進(jìn)一步細(xì)纖維化(相當(dāng)于纖維行業(yè)的“原纖化”)增加纖維的比表面，游離出大量極性羥基，則紙張的強(qiáng)度更高。紙張的均勻性，特別是低面密度產(chǎn)品的均勻性是干法工藝無(wú)法比擬的。通過工藝調(diào)節(jié)，可以達(dá)到適宜的降解速度，但是紙張相對(duì)致密，使其透氣性受到影響，會(huì)影響種子出芽。

濕法非織造工藝的原料采用化學(xué)纖維或以化學(xué)纖維為主。與紙張相比較，濕法非織造材料的致密性低、透氣性高，且通過選擇化學(xué)纖維的粗細(xì)可調(diào)節(jié)產(chǎn)品的透氣性，又能保持紙張具有的均勻性。

除天然植物纖維外，合成纖維、無(wú)機(jī)纖維大多沒有游離羥基，無(wú)法依靠氫鍵結(jié)合獲得強(qiáng)度，因此濕法非織造材料幾乎都需借助黏結(jié)劑。目前常規(guī)使用的黏結(jié)劑大多是通過化學(xué)合成方法制得的，如聚乙烯醇類、丙烯酸酯類等液態(tài)黏結(jié)劑以及水溶性的聚乙烯醇纖維和聚乙烯纖維、ES纖維等纖維狀黏結(jié)劑。對(duì)于與土壤親密接觸的農(nóng)用非織造材料是相當(dāng)忌諱這類黏結(jié)劑的，因此必須尋找一種與纖維原料匹配，易降解，對(duì)土壤不會(huì)造成污染的黏結(jié)劑。

2 纖維品種的篩選

目前可降解的纖維原料主要是黏膠纖維和天絲纖維，天絲纖維價(jià)格貴，因此最佳選擇是黏膠纖維，而且有市售超短黏膠纖維，購(gòu)買黏膠絲束自行切短也很方便。

為盡可能少用黏結(jié)劑，借助植物纖維纖維素鏈上的羥基具有的氫鍵結(jié)合功能，可摻用部分植物纖維作為補(bǔ)強(qiáng)纖維，使非織造材料具備一定的強(qiáng)度。選擇了針葉木漿、三椏皮漿和馬尼拉麻漿三種植物纖維，分別與黏膠纖維以40∶60(質(zhì)量比)配抄，其制得的非織造材料性能的測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 摻用植物纖維的黏膠纖維非織造材料性能

由表1可見:純黏膠纖維濕纖網(wǎng)沒有強(qiáng)度，無(wú)法成型，而加入植物纖維后成型正常;加入上述三種植物纖維后的黏膠纖維非織造材料，其抗張強(qiáng)度差異不大;加入木漿的非織造材料抗張強(qiáng)度略低，而對(duì)透氣性能的影響最小?；谏鲜鼋Y(jié)果及價(jià)格因素，認(rèn)為以針葉木漿為補(bǔ)強(qiáng)纖維較合適。

3 淀粉在濕法非織造材料上的應(yīng)用探索

淀粉是一種來(lái)源豐富的天然碳水化合物，可生物降解。淀粉在造紙上的應(yīng)用已有上千年的歷史，成為造紙工業(yè)最重要原料之一，尤其在文化用紙、包裝用紙和紙板上應(yīng)用廣泛，在衛(wèi)生紙和新聞紙中也有添加。通過濕部添加、施膠和涂布等工藝，除可改善產(chǎn)品的干強(qiáng)度外，在造紙工藝方面還可以提高抄紙過程添加填料等的滯留性，改進(jìn)濕紙頁(yè)的濾水性。使用價(jià)低的短纖維時(shí)具有改善成形性，增強(qiáng)施膠效果，改善印刷性能等功效。

天然淀粉存在黏度很高、涂布在紙張表面的量無(wú)法控制、沒有陽(yáng)離子基團(tuán)和滯留性差等缺點(diǎn)，因此用于造紙的淀粉75%以上是經(jīng)物理或化學(xué)改性的變性淀粉。淀粉分子中每個(gè)無(wú)水葡萄糖基團(tuán)含有三個(gè)羥基，可形成化學(xué)衍生物，化學(xué)處理后分子間立體結(jié)構(gòu)變化，增加了極性基團(tuán)，使黏度穩(wěn)定。改性后的淀粉帶有了陽(yáng)離子或既帶有陽(yáng)離子又有陰離子基團(tuán)，可提高滯留性。變性淀粉種類很多，主要有陽(yáng)離子淀粉、兩性淀粉、氧化淀粉、酶轉(zhuǎn)化淀粉、羥烷基淀粉、預(yù)糊化淀粉和酸變性淀粉等。

要求埋入土壤的濕法非織造材料具有一定的強(qiáng)度指標(biāo)，主要是為了保證在埋入土壤前的整個(gè)使用過程中材料的干強(qiáng)度，材料不會(huì)因受力而遭破損，而材料在埋入土壤吸附水分后則期望其濕強(qiáng)度要低。為適當(dāng)提高特定的農(nóng)用濕法非織造材料的干強(qiáng)度，淀粉是一種不錯(cuò)的選擇。

筆者在斜網(wǎng)成型器生產(chǎn)線上，在唇口開度2.88 mm，前墻角度 10°，水腿流量 3 m3/min，流漿箱液位1.4 kPa，淀粉添加量2%的條件下抄造的產(chǎn)品的技術(shù)性能如下:面密度10.9 g/m2，干抗張強(qiáng)度0.288 kN/m，濕抗張強(qiáng)度0.057 2 kN/m，透氣度2 690 L/(m2·s)，吸水率44 mm/(2 min)。

用戶在多種經(jīng)濟(jì)作物培育上試用了該產(chǎn)品，認(rèn)為均勻性與透氣度好、干強(qiáng)度適合、吸水迅速、分解速度快，能滿足使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

淀粉是一種來(lái)源豐富的天然碳水化合物，在造紙上的應(yīng)用歷史悠久，是文化用紙、包裝用紙和紙板最重要原料之一。本文針對(duì)希望既具有一定干強(qiáng)度，又具有在土壤中分解速度快的農(nóng)用非織造材料進(jìn)行了利用淀粉作增強(qiáng)劑的探索。在多種經(jīng)濟(jì)作物培育上試用了經(jīng)淀粉增強(qiáng)的農(nóng)用濕法非織造材料，結(jié)果表明該材料能滿足使用要求。相信淀粉在有類似要求的干法(化學(xué)黏合)和其他濕法非織造材料中仍有應(yīng)用的可能性。