紅麻非織造地膜的制備及性能研究

劉建華，楊景瑞，余　勇，徐芝元，張曉麗

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)輕紡工程與藝術(shù)學(xué)院，安徽合肥　230036)

塑料地膜具有保溫防凍、調(diào)節(jié)光照、節(jié)水、保墑、控制土壤鹽堿度、促進(jìn)作物早熟及提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量的作用，作為種植作物的覆蓋材料在世界上多數(shù)國(guó)家被廣泛使用[1]。地膜覆蓋是一種保護(hù)性栽培方式，該技術(shù)是一項(xiàng)人工調(diào)節(jié)控制和改善非生物環(huán)境因素的技術(shù)措施[2]。地膜覆蓋栽培技術(shù)的發(fā)展雖然極大地提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量，給農(nóng)民帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但同時(shí)也導(dǎo)致農(nóng)田土壤污染現(xiàn)象的產(chǎn)生，為此發(fā)展可降解地膜勢(shì)在必行。

目前通過(guò)非織造技術(shù)，可將廢棄的棉、麻等天然纖維回收利用起來(lái)，制成非織造薄膜，這些天然纖維在土壤中可被微生物降解，不僅不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何危害，且可以增加種植土壤的肥力[3,4]。將紅麻纖維作為原料，通過(guò)濕法成網(wǎng)和表面施膠，制備成非織造薄膜，通過(guò)對(duì)多種紅麻非織造地膜、普通地膜及露地栽培大豆進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，探討了紅麻非織造地膜在提高苗高、保持土壤溫度、保持土壤水分方面與普通地膜的差別，進(jìn)一步研究紅麻非織造地膜是否可以替代普通地膜廣泛地應(yīng)用于農(nóng)作物種植中。

1　材料和方法

1.1　材料

紅麻原麻(脫膠后線密度14dtex)、粘膠纖維(長(zhǎng)10～20mm，線密度1.1～1.4dtex)、聚乙烯塑料地膜、豆科種子。粘合劑(聚乙烯醇PVA)、分散劑(聚丙烯酰胺)、液體石蠟、NaOH、30%H2O2等均為分析純。

1.2　儀器

圓形分樣篩(150目，0.049m2)，HH-S恒溫水浴鍋(常州普天儀器制造有限公司)，YTH-4A測(cè)厚儀(杭州研特科技有限公司)，智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)XWL(PC)，GZX-GFC.101-3-S電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海博泰)，DHG-9240電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，全自動(dòng)織物透氣性能測(cè)試(1402296S)，JA3003N電子天平(上海精科天美科學(xué)儀器有限公司)，UV/V-16/18型紫外/可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海美譜達(dá)儀器有限公司)，傅立葉紅外光譜儀(美國(guó)Nicolet NEXUS-870)，SEMXL-20型掃描電子顯微鏡(日本日立S-4800掃描式)等。

1.3　實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1材料預(yù)處理

紅麻中除了纖維素外，還含有一些半纖維素、木質(zhì)素、果膠等成分，導(dǎo)致纖維剛硬且伸度小，不適合直接作為地膜制作的原材料，對(duì)紅麻纖維需進(jìn)行堿煮預(yù)處理，去除纖維中大部分部分膠質(zhì)和雜質(zhì)。

堿煮預(yù)處理工藝：原麻稱重→手工扯松→浸酸→水洗→裝蒸煮鍋(配制堿液加H2O2)→蒸煮3h→倒料→水洗、烘干→精干麻。

1.3.2工藝流程

在室溫25℃，相對(duì)濕度為40%～60%環(huán)境下，浴比1:50；分散劑(聚丙烯酰胺)濃度0.1%。采用濕法成網(wǎng)工藝：

脫膠后紅麻纖維和粘膠纖維剪成4mm→稱取定量的兩種纖維原料，并按一定比例混合→將分散劑溶解后和潤(rùn)濕的纖維分散到水中→攪拌、制漿→濕法成網(wǎng)→烘至半干→石蠟一浸一軋(拒水整理)→力學(xué)性能測(cè)試和微觀結(jié)構(gòu)觀察，田間種植試驗(yàn)。

1.3.3單因素試驗(yàn)

通過(guò)預(yù)試驗(yàn)，確定基本工藝條件，粘膠:紅麻2:1(3:1、2:1、1:1、1:2、全紅麻)，平方米克重40g/m2(30、35、40、45、50)，粘合劑PVA濃度2%(1%、2%、3%、4%、5%)，固定其中兩個(gè)因素的水平，第三個(gè)因素分別取5個(gè)水平進(jìn)行地膜的制備并測(cè)試各項(xiàng)性能。

1.3.4性能測(cè)試

地膜厚度測(cè)試參照GB/T 6672-2001《塑料薄膜和薄片厚度測(cè)定》中的機(jī)械測(cè)試法，在ZH-3-0604019的厚度測(cè)試儀上測(cè)試， 地膜的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率參照FZ/T60005-1991《非織造布斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長(zhǎng)的測(cè)定》的方法，測(cè)試前將地膜裁成2cm×15cm大小，在XLW(PC)智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試[5]。依據(jù) GB/T 5453-1997《紡織品織物透氣性的測(cè)定》使用全自動(dòng)織物透氣性能測(cè)試儀(1402296S)對(duì)地膜進(jìn)行透氣性能的測(cè)試[6]。

吸濕性參照非織造布試驗(yàn)方法(第6部分)：吸收性的測(cè)定(GB/T 24218.6-2010)，采用簡(jiǎn)易測(cè)試方法：將地膜剪成6cm×6cm稱重后放在裝滿水的50ml的燒杯上，使其保持靜止不動(dòng)。在室溫下放置24小時(shí)后，對(duì)其進(jìn)行稱重、記錄、并按公式(1)計(jì)算其吸濕率。

吸濕率=(吸濕后重量-吸濕前重量)/吸濕前重量

(1)

微觀形貌分析采用傅立葉紅外光譜ATR-FTIR分析，將五種地膜樣品保存在干燥器中， 20℃恒溫 相對(duì)濕度65%條件下進(jìn)行紅外測(cè)試，掃描50次，分辨率在4cm-1，波普范圍為0cm-1～4000cm-1，并在掃描電子顯微鏡下觀察其微觀結(jié)構(gòu)和表面形貌特征[6-7]。

1.3.5田間試驗(yàn)

研究不同地膜覆蓋下種子的生長(zhǎng)發(fā)芽情況，在七個(gè)相同種植盆中放入等量的土壤如表1，一個(gè)種植盆上不覆膜，其余六個(gè)種植盆上分別覆蓋五種紅麻非織造地膜和PE透明薄膜，定期觀察記錄種子的萌芽生長(zhǎng)狀態(tài)，大豆種子萌芽后長(zhǎng)出胚根，隱藏于土壤中不便觀察，故以胚根長(zhǎng)度的對(duì)比，選出最適于大豆生長(zhǎng)的非織造地膜。此外，當(dāng)種子萌發(fā)后，測(cè)試土壤的含水率和溫度，比較不同地膜種子發(fā)芽率和株高。

表1　田間試驗(yàn)方案

栽培試驗(yàn)：地膜覆蓋→播種→測(cè)量苗高、計(jì)數(shù)種子發(fā)芽情況，計(jì)算發(fā)芽率→土壤含水率、孔隙度、pH、溫度等分析→地膜在作物生長(zhǎng)過(guò)程中各項(xiàng)性能測(cè)試和微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試。

土壤栽培試驗(yàn)：

土壤含水率：室外土壤表層下10cm處的土樣，計(jì)算出土壤的含水率為15.7%(晴天)21.3%(陰雨天)如公式(2)。

W=(G1-G2)÷G1×100%

(2)

式中：W為土壤含水率，G1為新鮮土樣質(zhì)量，G2為烘干后土樣質(zhì)量。

土壤pH值的測(cè)定：從試驗(yàn)田取10g土壤試樣放入100ml的水中，攪拌充分后，靜置一段時(shí)間，取上清液于pH試紙上測(cè)試。

土壤含水率的測(cè)定：含水率=(干燥前土壤質(zhì)量—干燥后土壤質(zhì)量)/干燥前土壤質(zhì)量×100%。

土壤整理→播種→覆蓋地膜→測(cè)量苗高、計(jì)數(shù)種子發(fā)芽情況，計(jì)算發(fā)芽率→土壤溫度、pH、含水率、孔隙度等分析。

降解性：埋土降解期間自然條件及光照作用基本相同，土壤相對(duì)濕度保持在60%左右，土壤pH值6.0～7.0，大氣晝夜溫度10℃～20℃。降解率[7]計(jì)算如公式(3)。

P=(W1-W2)÷W1×100%

(3)

式中：P為降解率，W1為降解前質(zhì)量，W2為降解后質(zhì)量。

2　實(shí)驗(yàn)部分

2.1　單因素試驗(yàn)

圖1　平方米克重對(duì)紅麻地膜厚度的影響

圖2　纖維比對(duì)紅麻地膜厚度的影響

圖3　粘合劑濃度對(duì)紅麻地膜厚度的影響

由圖1～圖3可以看出紅麻紙基地膜中，粘膠纖維所占比例越大，膜的厚度越大；平方米克重越大，纖維總量越多，地膜越厚，粘合劑PVA濃度在2%～4%范圍時(shí)，地膜較厚，濃度過(guò)低不足粘附所有纖維，過(guò)高則使粘附緊密，孔隙度減小。

圖4　平方米克重對(duì)地膜強(qiáng)力的影響

圖5　纖維比對(duì)地膜強(qiáng)力的影響

圖6　粘合劑濃度對(duì)地膜強(qiáng)力的影響

由圖4～圖6可知，紅麻紙基地膜的斷裂強(qiáng)力，隨著平方米克重增加而增加，因?yàn)槔w維總量增加厚度也增加；紅麻所占比重越大，地膜的斷裂強(qiáng)力越大，因?yàn)榧t麻纖維結(jié)晶度取向度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粘膠纖維，其強(qiáng)力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粘膠纖維。PVA濃度的增加也會(huì)增大紅麻紙基地膜的斷裂強(qiáng)力，PVA能與粘膠或紅麻纖維粘附緊密，大大增加了纖維材料的強(qiáng)力。

圖7　平方米克重對(duì)地膜透氣性的影響

圖8　纖維比對(duì)地膜透氣性的影響

圖9　粘合劑濃度對(duì)地膜透氣性的影響

由圖7～圖9發(fā)現(xiàn)，隨著平方米重的增加，紅麻紙基地膜的透氣性先增大然后迅速降低，因?yàn)殡S著平方米克重增加纖維總量增加，地膜中空隙減小導(dǎo)致透氣性下降。隨著紅麻在地膜中的含量增加，地膜透氣性迅速增大，由于紅麻纖維較粗，其纖維間空隙較粘膠纖維間空隙大，導(dǎo)致透氣性明顯增大。隨著紅麻地膜中粘合劑PVA用量增大，纖維間的空隙逐漸被PVA填充，PVA本身具有較好的成膜性，所以導(dǎo)致地膜透氣性下降。

圖10　平方米克重對(duì)地膜吸濕率的影響

圖11　纖維比對(duì)地膜吸濕率的影響

圖12　粘合劑濃度對(duì)地膜吸濕率的影響

從圖10～圖12中可以看出，隨著平方米克重的增加，地膜的吸濕率成下降趨勢(shì)，單位面積纖維總量增加，孔隙度下降，通過(guò)毛細(xì)效應(yīng)可吸收的自由水減少。紅麻地膜中粘膠所占比重越大，地膜吸濕率越大，因?yàn)檎衬z吸濕性較好，紅麻纖維吸濕散濕快，使得全紅麻地膜吸濕性最低。PVA用量會(huì)影響紅麻地膜的吸濕性，PVA用量增大，地膜中纖維吸附更多粘合劑，孔隙度會(huì)下降，從而使吸濕率也下降。

綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果分析，粘麻混合比1:2，平方米克重為40g/m2, PVA濃度3%時(shí)，測(cè)得非織造地膜透氣率為3715.5mm/s，厚度為0.236mm，斷裂強(qiáng)力38.9N，吸濕率1.47%。

2.2　地膜降解率影響因素分析

圖13　不同纖維比非織造地膜土埋20d的降解率

圖13為不同纖維混合比的紅麻地膜土埋20d后的降解率，土埋前測(cè)得土壤PH值大約在6.5，土壤含水率為29%。紅麻非織造地膜在土埋20天后，降解率最高的是粘麻3:1的地膜，達(dá)45%，降解率最低的是全紅麻膜。因?yàn)橄啾燃t麻纖維，粘膠纖維的聚合度和結(jié)晶度都較低，比紅麻纖維降解更快一些。因此可通過(guò)調(diào)整纖維比達(dá)到控制地膜降解的時(shí)間。

2.3　微觀測(cè)試

(1-粘麻3:1；2-全紅麻；3-粘麻1:1；4-粘麻2:1；5-粘麻1:2)

圖14五種紅麻地膜的ATR-FTIR圖

圖14為五種紅麻地膜的紅外光譜圖，圖中可看出五種地膜的紅外吸收光譜大體相似，出現(xiàn)明顯的2900 cm-1CH2的吸收峰、1050cm-1處 C-OH伸縮振動(dòng)的吸收峰、1160 cm-1處纖維素的特征吸收峰等等，說(shuō)明了紅麻紙基地膜中纖維素和半纖維素的大量存在[7-8]。

圖15　紅麻非織造膜降解前后ATR-FTIR圖

圖15為土埋降解前后紅麻地膜(粘麻3:1)的紅外吸收光譜圖。從圖中看出：土埋前后非織造膜的伸縮振動(dòng)吸收峰大體相同，土埋20天后，在2893cm-1處C-H伸縮振動(dòng)減弱，1367 cm-1處纖維素、半纖維素C-H伸縮振動(dòng)的吸收峰減弱，1160cm-1處纖維素、半纖維素上醚鍵C-O-C伸縮振動(dòng)的吸收峰減弱，表明地膜成分中有纖維素和半纖維素被降解[9-10]。

圖16　紅麻地膜土埋前

圖17　紅麻地膜土埋降解20d后

上頁(yè)圖16～17是粘麻1:2的非織造地膜在土埋前后的微觀形態(tài)掃描電鏡圖，地膜在土埋20天后，薄膜結(jié)構(gòu)明顯被破壞，空隙增多，部分纖維受到損傷，地膜發(fā)生了降解。若土埋時(shí)間更長(zhǎng)，預(yù)計(jì)可在50天左右完全降解。

2.4　纖維比對(duì)大豆長(zhǎng)勢(shì)的影響

種子萌發(fā)后，地膜覆蓋下土壤溫濕度見(jiàn)表2。

表2　土壤溫度和含水率記錄表

表2中可看出，有膜覆蓋的土壤溫度均高于無(wú)膜覆蓋的土壤溫度，說(shuō)明非織造膜對(duì)土壤具有保溫作用[11]。無(wú)膜覆蓋的土壤含水率為4.5%，其他有膜覆蓋的土壤含水率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)膜覆蓋的土壤含水率，說(shuō)明非織造膜具有較好保濕的作用；對(duì)比不同地膜覆蓋下土壤的含水率大小，而PE塑料地膜覆蓋的土壤含水率最大[12]。大豆種子萌芽胚根長(zhǎng)度如表3。

表3　大豆萌芽胚根長(zhǎng)度

如表3所示，沒(méi)有覆蓋地膜的G區(qū)種子沒(méi)有發(fā)芽，其余覆蓋了非織造地膜的種子均發(fā)芽，說(shuō)明非織造地膜具有促進(jìn)種子萌發(fā)的作用。對(duì)比不同地膜覆蓋下萌發(fā)種子胚根的長(zhǎng)度，得出E膜粘麻1:2的非織造膜覆蓋下的種子生長(zhǎng)最快。

3　結(jié)論

(1)當(dāng)粘麻混合比1:2，平方米克重為40g/m2, 分散劑(聚丙烯酰胺)濃度0.1%，粘合劑PVA濃度3%時(shí)，獲得較優(yōu)的紅麻紙基地膜制備工藝。

(2)較優(yōu)工藝制備的紅麻地膜性能：透氣率為3715.5mm/s，厚度為0.236mm，斷裂強(qiáng)力38.9N，吸濕率1 47%，保溫性略高于PE地膜，保濕性略低于PE地膜。

(3)紅麻地膜經(jīng)過(guò)土埋20天的降解率可高達(dá)45%，掃描電鏡和紅外光譜觀察顯示，紙基地膜在一定時(shí)間內(nèi)可充分降解?？筛鶕?jù)種子發(fā)芽時(shí)間長(zhǎng)短，選擇適當(dāng)粘麻纖維比的地膜覆蓋。

(4)田間種植試驗(yàn)表明，紅麻地膜可滿足大豆種子發(fā)芽的生長(zhǎng)需求，最適宜種子生長(zhǎng)的非織造膜的粘麻比為1:2。

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