無(wú)土栽培基質(zhì)用紅麻/低熔點(diǎn)纖維材料的開發(fā)

王洪++張玟籍++康成文

摘要

本文通過(guò)非織造氣流成網(wǎng)和熱風(fēng)加固技術(shù)，將紅麻纖維設(shè)計(jì)制備成一種用于無(wú)土栽培的種植基材，探究了纖維配比、纖網(wǎng)加固方法及其工藝參數(shù)對(duì)所得材料性能的影響規(guī)律，并進(jìn)行了種植試驗(yàn)驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn)，低熔點(diǎn)纖維與紅麻纖維按照8：2的配比成網(wǎng)及熱風(fēng)加固后，所得材料的透氣性好，拉伸性能可以滿足卷裝要求，并具有非常好的種植效果。

關(guān)鍵詞：無(wú)土栽培；紅麻；低熔點(diǎn)纖維

1 引言

無(wú)土栽培可以有效解決植物在土壤中生長(zhǎng)時(shí)遇到的根系水分、養(yǎng)分、肥料分布不均勻的問(wèn)題，可以為大多數(shù)植物提供一個(gè)良好的生長(zhǎng)環(huán)境，并具有節(jié)水、省肥、環(huán)境污染小及生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)[1-4]。世界各國(guó)在無(wú)土栽培的應(yīng)用方面主要體現(xiàn)在生產(chǎn)水果、蔬菜、花卉和草坪上。我國(guó)無(wú)土栽培的歷史悠久，養(yǎng)水仙、生豆芽等都是原始的無(wú)土栽培，但我國(guó)真正進(jìn)行無(wú)土栽培技術(shù)的研究起步較晚。

無(wú)土栽培主要有水培、霧培和基質(zhì)培等形式，基質(zhì)是一種具有一定結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)介質(zhì)，它能夠?yàn)橹参锏纳L(zhǎng)提供穩(wěn)定協(xié)調(diào)的氣、水、養(yǎng)分的環(huán)境。養(yǎng)分和水分能夠在基質(zhì)中進(jìn)行中轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)移，使植物有選擇性地吸收所需物質(zhì)。合理選擇基質(zhì)是無(wú)土栽培的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到植物能否正常生長(zhǎng)。

非織造材料因具有特有的透氣、保濕、保形性、低成本等特點(diǎn)，在無(wú)土栽培基質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用受到諸多商業(yè)人士和學(xué)者的青睞[5-6]。相比于傳統(tǒng)的土壤，非織造材料可以通過(guò)人工調(diào)節(jié)其中的肥料，使肥料維持在一個(gè)合適的濃度范圍，并且在非織造材料中分布均勻，不會(huì)出現(xiàn)偏肥的現(xiàn)象。非織造材料具有良好的透氣性、孔隙率大、保水性好，對(duì)于植物根莖的生長(zhǎng)十分有利，并且非織造材料具有較高的伸長(zhǎng)率，在卷裝和轉(zhuǎn)移過(guò)程中不容易損壞。另外，非制作成本低廉，可以更換，相比于土壤的維護(hù)與養(yǎng)分水分等檢測(cè)與控制，無(wú)疑大大降低了成本[2]。

紅麻是錦葵科木槿屬植物，為一年生草本韌皮纖維作物，其韌皮纖維可用作紡織品、建筑材料等。紅麻纖維比較粗糙、可紡性差、支數(shù)低，一般只用于粗支稀織。如果將紅麻用作無(wú)土栽培基質(zhì)，不僅對(duì)植物的生長(zhǎng)頗有好處，而且綠色可降解，在公路綠化、屋頂綠化、花卉蔬菜的種植等方面都能得到良好的應(yīng)用。

對(duì)于無(wú)土栽培基質(zhì)的性能而言，重要的是纖網(wǎng)所能提供的氣體環(huán)境和根系生長(zhǎng)空間，也就是說(shuō)產(chǎn)品在滿足力學(xué)性能的同時(shí)，要具有足夠高的透氣性。非織造成形工藝技術(shù)可以將纖維材料制成蓬松透氣材料。因此，本文采用將紅麻纖維處理成一定的長(zhǎng)度和細(xì)度，再采用非織造成網(wǎng)和加固工藝，將其成形為無(wú)土栽培基質(zhì)材料的技術(shù)方案。其中，針刺加固工藝具有纖維適應(yīng)性廣、產(chǎn)品厚度較大等優(yōu)點(diǎn)。熱風(fēng)加固是在烘箱中利用熱空氣穿透纖網(wǎng)，使纖網(wǎng)中的熱熔纖維熔融加固的粘合方法。熱風(fēng)粘合因采用熱空氣流動(dòng)對(duì)纖網(wǎng)進(jìn)行加熱，產(chǎn)品具有良好的蓬松度。由于紅麻纖維本身不具有熱熔粘合性，本文通過(guò)在紅麻纖維中混入低熔點(diǎn)化學(xué)纖維的方法，將紅麻纖維粘合在一起。再對(duì)比分析兩種加固方法的可行性，并通過(guò)種植試驗(yàn)，驗(yàn)證所得材料作為無(wú)土栽培種植基質(zhì)的可行性。

2 樣品制備及性能測(cè)試

2.1 樣品制備

采用聚乙烯/聚丙烯皮芯型雙組分纖維為低熔點(diǎn)纖維，皮層熔點(diǎn)145℃。紅麻纖維的細(xì)度為52μm。

采用型號(hào)為BG218A-100的雙道夫雜亂梳理機(jī)進(jìn)行開松梳理，使塊狀的低熔點(diǎn)纖維變成平行伸直的束纖維。采用型號(hào)為FZQ-1200的開松機(jī)對(duì)紅麻纖維進(jìn)行開松。然后將兩者按比例手工混合，進(jìn)入型號(hào)為FZQ-1200的氣流成網(wǎng)機(jī)進(jìn)行氣流成網(wǎng)。再將得到的纖維網(wǎng)分別進(jìn)行針刺加固和烘箱熱風(fēng)加固。

2.2 性能測(cè)試方法

使用織物厚度儀（YG141N），按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3820—1997，測(cè)試樣品厚度。

使用全自動(dòng)透氣儀（YG461H），按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5453—1997進(jìn)行樣品透氣性測(cè)試，測(cè)試壓力100Pa，測(cè)試面積20cm2。

采用多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)（HD026N-300），參照GB/T 3923.1—1997進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測(cè)試，樣品規(guī)格300mm×50mm，隔距200mm，拉伸速度100mm/min。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 紅麻/低熔點(diǎn)纖維網(wǎng)加固工藝探索

首先采用針刺和熱風(fēng)粘合兩種非織造加固工藝對(duì)紅麻/低熔點(diǎn)纖維網(wǎng)進(jìn)行加固預(yù)試驗(yàn)。所得樣品如圖1所示。

從圖1可以看出，采用針刺加固工藝所得材料的厚度小，樣品致密，并且樣品中還殘留若干斷針。因此，從無(wú)土栽培基質(zhì)的蓬松性要求來(lái)說(shuō)，針刺非織造材料過(guò)于致密，無(wú)法給植物根系生長(zhǎng)提供足夠的空間，也很難大規(guī)模量產(chǎn)。相比于針刺加固樣品，熱風(fēng)粘合加固的樣品具有更好的蓬松性、透氣效果好。所以，將樣品的加固工藝確定為氣流成網(wǎng)后熱風(fēng)粘合加固的技術(shù)路線。

（a）針刺加固 （b）熱風(fēng)加固（紅麻：ES纖維=7：3）

圖1 針刺和熱風(fēng)加固紅麻/低熔點(diǎn)纖維材料樣品

3.2 低熔點(diǎn)纖維含量對(duì)所得材料性能的影響

雙組分低熔點(diǎn)纖維的價(jià)格比紅麻纖維要高，并且兩種纖維的配比對(duì)產(chǎn)品性能也會(huì)有影響，特別是力學(xué)性能和降解性能。所以，接下來(lái)需要對(duì)紅麻/低熔點(diǎn)纖維材料的最佳配比進(jìn)行試驗(yàn)研究。

將紅麻纖維與低熔點(diǎn)纖維分別開松后，按比例混合，然后氣流成網(wǎng)和熱風(fēng)加固。熱風(fēng)粘合加固的溫度為150℃，時(shí)間為7min。所得樣品如圖2所示。

從圖1和圖2可以看出，隨著低熔點(diǎn)纖維含量的減少，所得材料越來(lái)越呈現(xiàn)出紅麻纖維本身的顏色。圖2中兩種樣品中的低熔點(diǎn)纖維分布皆較為均勻，說(shuō)明氣流成網(wǎng)較適合本產(chǎn)品的開發(fā)。進(jìn)一步對(duì)三種材料進(jìn)行面密度、厚度、透氣量和拉伸性能方面的分析測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

（a）8：2 （b）8.5：1.5

圖2 不同混合比例的紅麻/低熔點(diǎn)纖維熱風(fēng)加固非織造材料endprint

由于在試驗(yàn)過(guò)程中很難控制樣品的面密度，制備的三種樣品的面密度有差別，但基本都屬于厚型非織造材料，可以做性能的對(duì)比分析。從表1可以看出，紅麻/低熔點(diǎn)纖維配比為8：2的樣品，其拉伸強(qiáng)力最高、透氣性較好。而當(dāng)紅麻纖維與低熔點(diǎn)纖維的配比為7：3，所得樣品的拉伸強(qiáng)力較小。一般說(shuō)來(lái)，低熔點(diǎn)熱熔纖維含量越高的熱風(fēng)粘合非織造材料，其纖維之間的粘結(jié)點(diǎn)較多，強(qiáng)力應(yīng)該更好。而在本文試驗(yàn)中，可能是由于當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)纖維含量較高時(shí)，造成了纖網(wǎng)中低熔點(diǎn)纖維的抱團(tuán)，反而無(wú)法達(dá)到均勻分布，從而降低了整體材料的拉伸性能。從圖1（b）中也可以看到團(tuán)塊狀的低熔點(diǎn)纖維。當(dāng)紅麻纖維與低熔點(diǎn)纖維的配比為8.5：1.5時(shí)，由于整體纖維網(wǎng)中的熱熔纖維含量太低了，無(wú)法使纖網(wǎng)中的紅麻纖維有效粘合纏結(jié)，所以拉伸強(qiáng)力也較低。

目前市面上還沒(méi)有針對(duì)蓬松性非織造基質(zhì)種植材料的相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，因此需要進(jìn)行實(shí)際產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面的試驗(yàn)和探究，基于實(shí)際應(yīng)用情況建立樣品性能指標(biāo)，并對(duì)其工業(yè)化生產(chǎn)的工藝參數(shù)給出意見。對(duì)于無(wú)土栽培草坪材料來(lái)說(shuō)，特別是在斜坡上進(jìn)行鋪裝時(shí)，由于草卷自身重量的作用，草卷會(huì)沿著斜坡自動(dòng)下滾，使草卷受到拉扯。如果基質(zhì)的拉伸強(qiáng)力不夠大，可能就會(huì)在鋪展過(guò)程中被扯斷。因此，對(duì)于用作斜坡鋪裝的草坪基質(zhì)，需要建立其在鋪裝過(guò)程的受力模型。圖3為草卷基質(zhì)在斜坡上的受力情況。

以紅麻/低熔點(diǎn)纖維8：2配比的熱風(fēng)粘合非織造材料為例（其克重為276g/m2），進(jìn)行卷裝模擬分析。假設(shè)斜坡的角度為30?，基質(zhì)卷裝規(guī)格為1×X（m），其中X為基質(zhì)長(zhǎng)度，并假設(shè)草籽發(fā)芽后對(duì)基質(zhì)增重為100%，則整個(gè)卷裝重量在G2方向上的力就是底部纖網(wǎng)受到的最大拉力，假設(shè)坡面光滑無(wú)摩擦，摩擦力f為0，則纖網(wǎng)受到的最大的拉力為F [216]：

F=Gsin30°

基質(zhì)的重量為：

G=1×X×0.276kg×2×g

g=9.8N/kg

三式聯(lián)立，可得X=6.69m，則基質(zhì)的最大卷裝長(zhǎng)度為6.69m，此時(shí)基質(zhì)受到的最大拉扯力為18N。

因此，當(dāng)紅麻/ES纖維8：2混合時(shí)，所得材料用作斜坡草坪鋪裝時(shí)，其最大長(zhǎng)度不能超過(guò)6.69m，否則基質(zhì)在鋪裝過(guò)程中可能被扯斷。這也同時(shí)說(shuō)明，要嚴(yán)格控制基質(zhì)中的低熔點(diǎn)纖維含量，只有使材料達(dá)到一定的拉伸強(qiáng)力后，才可以用作斜坡鋪裝基質(zhì)。

3.3 無(wú)土栽培種植試驗(yàn)

對(duì)樣品的制作工藝及原料對(duì)樣品性能的影響研究后，對(duì)于其實(shí)際種植效果，還有待驗(yàn)證。所以將紅麻纖維與低熔點(diǎn)纖維配比為8：2的樣品進(jìn)行了無(wú)土栽培種植試驗(yàn)。選取綠化草本植物中最常見的三角草，將其種子均勻播種在纖網(wǎng)內(nèi)部，并添加少許營(yíng)養(yǎng)液[7-8]。

圖4 種植試驗(yàn)圖

如圖4所示，三角草在3天之后發(fā)芽，5天見綠，表示已經(jīng)可以進(jìn)行卷裝轉(zhuǎn)移種植，種植試驗(yàn)成功。

4 結(jié)論

本論文圍繞無(wú)土栽培對(duì)種植材料的要求和非織造材料成形工藝技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款以紅麻和低熔點(diǎn)纖維為纖網(wǎng)主體的熱風(fēng)粘合非織造種植材料，對(duì)其原料配比和成形工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)種植效果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。具體得到以下結(jié)論：

（1）當(dāng)紅麻纖維與低熔點(diǎn)纖維的配比在8：2時(shí)，所制備的材料具有優(yōu)良的拉伸強(qiáng)力、伸長(zhǎng)率、透氣量等綜合性能。通過(guò)草坪基質(zhì)在斜坡上的受力分析，該配比下所得材料才能基本滿足斜坡草坪鋪裝要求。

（2）從種植試驗(yàn)可以看出，本文采用氣流成網(wǎng)和熱風(fēng)粘合加固得到的非織造材料用于無(wú)土栽培種植三角草時(shí)，具有非常好的效果。本文設(shè)計(jì)制備的新型紅麻/低熔點(diǎn)纖維材料，可作為無(wú)土栽培種植基質(zhì)。

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（作者單位：王洪、康成文，東華大學(xué)；張玟籍，上海眾偉生化有限公司）endprint