可降解黃麻/棉地膜的制備與性能研究

1. 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620 2. 東華大學(xué)信息學(xué)院，上海 201620

近年來，塑料地膜因具有保溫保水、提高農(nóng)作物產(chǎn)量等優(yōu)良特性，得到了大面積使用，而塑料地膜的廣泛使用所帶來的環(huán)境污染問題也逐漸引起了人們的重視。塑料地膜使用后難以降解，容易在土壤中形成細(xì)小顆粒，造成土壤板結(jié)，長時間使用會影響農(nóng)作物的生長[1-3]。

目前，利用植物纖維生產(chǎn)完全可降解的地膜已成為地膜發(fā)展的主要趨勢。我國具有豐富的麻類纖維資源，麻地膜具有很好的保溫、保濕和促進農(nóng)作物生長發(fā)育的作用，而且在自然條件下可以降解，不會對環(huán)境造成污染，降解后的麻地膜還有改良培肥土壤的作用[4-5]。因此，利用麻纖維制備環(huán)保型可降解地膜對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護都具有重要意義。

采用黃麻落麻纖維制備麻地膜可降低制備成本，減少環(huán)境污染。聚乙烯醇本身有良好的生物適應(yīng)性，可以自然降解，經(jīng)微生物降解后可以轉(zhuǎn)化為無機物，綠色環(huán)保無污染[6]。本文利用麻紡廠的黃麻落麻纖維作為制備麻地膜的主要原料，將其與棉纖維混合后梳理成纖網(wǎng)，再利用聚乙烯醇作為黏合劑將纖網(wǎng)固結(jié)成型得到黃麻/棉地膜，探究不同原料配比對黃麻/棉地膜的力學(xué)性能的影響，并對其透氣性、透濕性、彎曲剛度、光透過率進行測試和分析。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

選用黃麻落麻纖維(郴州湘南麻業(yè)有限公司)與棉纖維為原料，聚乙烯醇(PVA 1799)顆粒為黏合劑。黃麻落麻纖維的線密度為27.48 dtex(363.9公支)，斷裂強度為4.079 cN/dtex，斷裂伸長率為2.67%。

1.2 試驗儀器與設(shè)備

DK-S28電熱恒溫水浴鍋(上海森信試驗儀器有限公司)；XLB-400×400×2平板硫化機(上海齊才液壓機械有限公司)；AS181A梳棉機(上海紡織工學(xué)院機械工廠)；FA-1004電子天平(上海天平儀器廠)；YG141數(shù)字式織物厚度儀(南通宏大實驗儀器有限公司)；YG026MB-250多功能電子織物強力機(溫州方圓儀器有限公司)；YG461E全自動透氣性測試儀(溫州方圓儀器有限公司)；YG601H電腦式織物透濕儀(寧波紡織儀器廠)；LLY-01電子硬挺度儀(萊州市電子儀器有限公司)；UV-3600紫外可見近紅外分光光度計(日本島津公司)。

1.3 制備工藝

1.3.1 黏合劑的制備

稱取適量PVA顆粒，加入一定量的水，使PVA顆粒吸水膨脹，然后加溫溶解并不斷攪拌，制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的黏合劑，待用。

1.3.2 黃麻/棉地膜的制備

將黃麻落麻纖維與棉纖維以90 ∶10、85 ∶15、80 ∶20、75 ∶25、70 ∶30的質(zhì)量比(下文中的“原料質(zhì)量比”均表示“黃麻 ∶棉”)混合開松后送入梳理機，梳理成網(wǎng)，得到不同面密度的纖維網(wǎng)。然后在硫化機上利用黏合劑將纖維網(wǎng)固化成型，制備黃麻/棉地膜。

1.4 性能測試

1.4.1 面密度測試

將黃麻/棉地膜裁剪成10 cm×10 cm的試樣，在標(biāo)準(zhǔn)大氣中調(diào)濕、稱重，通過計算得到黃麻/棉地膜的面密度。

1.4.2 厚度測試

根據(jù)GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第2部分：厚度的測定》，測試黃麻/棉地膜的厚度。

1.4.3 斷裂強度測試

參照GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第3部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》，取試樣長度滿足隔距長度100.0 mm，測試黃麻/棉地膜的斷裂強度。

1.4.4 硬挺度測試

根據(jù)GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測定 第1部分：斜面法》，測試黃麻/棉地膜的抗彎剛度。

1.4.5 透氣性測試

根據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，測試黃麻/棉地膜的透氣性。

1.4.6 透濕性測試

根據(jù)GB/T 12704.2—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第2部分：蒸發(fā)法》中的正杯法，測試黃麻/棉地膜的透濕率。

1.4.7 光透過率測試

選擇不同波段的光線照射黃麻/棉地膜，利用UV-3600紫外可見近紅外分光光度計，測試黃麻/棉地膜的透過率，波長范圍200～1 000 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 黃麻/棉地膜的斷裂強度

2.1.1 原料質(zhì)量比的影響

選取模壓溫度為120 ℃、模壓壓力為5 MPa、黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.50%，采用不同原料質(zhì)量比(90 ∶10、85 ∶15、80 ∶20、75 ∶25、70 ∶30)，制備面密度為40 g/m2的黃麻/棉地膜，其強伸曲線如圖1所示。

圖1 不同原料質(zhì)量比的黃麻/棉地膜的強伸曲線

由圖1可以看出，隨著棉纖維含量的逐漸增多，黃麻/棉地膜的斷裂強度呈上升趨勢。當(dāng)棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%、30%時，黃麻/棉地膜的斷裂強度分別為654、696 N/m。棉纖維細(xì)軟，它的可紡性好，與較粗硬的黃麻纖維混合，提高了梳理成網(wǎng)的均勻度，制成黃麻/棉地膜也較均勻，這有利于地膜斷裂強度的提升。當(dāng)棉纖維含量達(dá)25%時，黃麻/棉地膜的斷裂強度增加幅度趨緩。此外，考慮到棉纖維的成本較黃麻落麻纖維高，因此選擇黃麻與棉的質(zhì)量比為75 ∶25或80 ∶20進行后續(xù)試驗。

2.1.2 面密度的影響

選取原料質(zhì)量比為80 ∶20、模壓溫度為120 ℃、模壓壓力為2 MPa、黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)(即PVA質(zhì)量與黃麻/棉地膜質(zhì)量的比值的百分?jǐn)?shù))為3.80%，制備不同面密度(45、50、55、60、65 g/m2)的黃麻/棉地膜，其強伸曲線如圖2所示。

圖2 不同面密度的黃麻/棉地膜的強伸曲線

由圖2可以看出，隨著黃麻/棉地膜的面密度增大，其斷裂強度逐漸增大。黃麻/棉地膜的面密度為65 g/m2時，其斷裂強度達(dá)744 N/m。隨著黃麻/棉地膜的面密度增加，纖維在纖維網(wǎng)中分布均勻，纖維之間發(fā)生相互作用的機會增加且作用力增強，因此黃麻/棉地膜的斷裂強度提高。

2.1.3 模壓溫度的影響

選取原料質(zhì)量比為80 ∶20、面密度為40 g/m2、模壓壓力為2 MPa、黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.50%，采用不同模壓溫度(110、120、130、140、150 ℃)制備黃麻/棉地膜，其強伸曲線如圖3所示。

圖3 不同模壓溫度下黃麻/棉地膜的強伸曲線

由圖3可以看出，模壓溫度為110 ℃時，黃麻/棉地膜的斷裂強度較低；隨著模壓溫度逐漸升高，黃麻/棉地膜的斷裂強度逐漸增大；但在高溫作用下，黃麻落麻纖維的強度受損，黃麻/棉地膜的斷裂強度呈下降趨勢。模壓溫度為130 ℃時，黃麻/棉地膜的斷裂強度最高。

2.1.4 模壓壓力的影響

選取原料質(zhì)量比為80 ∶20、面密度為40 g/m2、模壓溫度為130 ℃、黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.50%，采用不同模壓壓力(1、2、3、4、5 MPa)制備黃麻/棉地膜，其強伸曲線如圖4所示。

圖4 不同模壓壓力下黃麻/棉地膜的強伸曲線

由圖4可以看出，模壓壓力為1 MPa時，黃麻/棉地膜的斷裂強度較低，隨著模壓壓力逐漸提高，黃麻/棉地膜的斷裂強度逐漸增長，但增長速度較緩慢，這表明模壓壓力對黃麻/棉地膜的斷裂強度的影響不顯著。

2.1.5 黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

選取原料質(zhì)量比為80 ∶20、面密度為40 g/m2、模壓溫度為130 ℃、模壓壓力為4 MPa，采用不同黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)(2.95%、3.78%、4.81%、5.89%、8.17%)制備黃麻/棉地膜，其強伸曲線如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時，黃麻/棉地膜的斷裂強度較低；隨著黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，黃麻/棉地膜的斷裂強度逐漸提高，黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.89%時黃麻/棉地膜的斷裂強度最大，這是因為黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大使得纖維與黏合劑之間的作用增強；之后，繼續(xù)增加黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，黃麻/棉地膜的斷裂強度不再增大而呈現(xiàn)下降趨勢。

圖5 不同黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下黃麻/棉地膜的強伸曲線

2.2 黃麻/棉地膜的彎曲剛度

地膜在使用過程中需要一定的柔軟性、貼伏性，以保證地膜與地面有良好的接觸，避免地膜由于風(fēng)的作用而遭受破壞。目前市場上的麻地膜的彎曲剛度較大，不夠柔軟。因此，對黃麻/棉地膜的彎曲剛度進行測量，用以表征地膜在使用過程中貼伏地面的性能。選取原料質(zhì)量比為70 ∶30、面密度為40 g/m2、模壓溫度為130 ℃、模壓壓力為4 MPa、黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.50%，制備黃麻/棉地膜，測試其彎曲剛度及其變異系數(shù)，并與市售麻地膜比較(表1)。

表1 黃麻/棉地膜與市售麻地膜的彎曲剛度及其變異系數(shù)

由表1可知，黃麻落麻纖維本身較粗硬，因此黃麻/棉地膜的彎曲剛度較大，地膜鋪設(shè)時應(yīng)盡可能地使其與地面貼伏。

2.3 黃麻/棉地膜的透氣透濕性

2.3.1透氣性

選擇面密度為40 g/m2、模壓溫度為110 ℃、模壓壓力為5 MPa，采用不同原料質(zhì)量比(90 ∶10、85 ∶15、80 ∶20、75 ∶25、70 ∶30)制備黃麻/棉地膜，其透氣率見表2。

表2 不同原料質(zhì)量比下黃麻/棉地膜的透氣率

由表2可知，黃麻/棉地膜的透氣率在1 987.06～3 385.04 mm/s，隨著黃麻含量減少(即棉纖維含量提高)，黃麻/棉地膜的透氣率逐漸下降，原料質(zhì)量比為70 ∶30時黃麻/棉地膜的透氣率最低(1 987.06 mm/s)。這主要是由于黃麻落麻纖維的剛性較大而棉纖維較細(xì)軟，黃麻/棉地膜中的棉纖維含量越多，黃麻/棉地膜的結(jié)構(gòu)越致密，其透氣率越小，這有利于地膜在冬季使用時的保溫效果；同時，由于黃麻/棉地膜的透氣率遠(yuǎn)大于塑料地膜，可避免在夏季由于地膜覆蓋導(dǎo)致溫度過高而發(fā)生燒苗現(xiàn)象?？傮w而言，黃麻/棉地膜的透氣率應(yīng)選取較小的值，因此可選擇原料質(zhì)量比為70 ∶30～80 ∶20。

2.3.2 透濕性

選取面密度為40 g/m2、模壓溫度為120 ℃、模壓壓力為5 MPa，采用不同原料質(zhì)量比(90 ∶10、85 ∶15、80 ∶20、75 ∶25、70 ∶30)制備黃麻/棉地膜，其透濕率如圖6所示。

圖6 不同原料質(zhì)量比下黃麻/棉地膜的透濕率

地膜的透濕率低，即保濕性好，有利于作物生長。由圖6可見，黃麻/棉地膜的透濕率隨著黃麻落麻纖維含量增加呈先減小后增大的趨勢，但變化幅度不大。原料質(zhì)量比為75 ∶25時黃麻/棉地膜的透濕率最低，其次是原料質(zhì)量比為80 ∶20時。

2.4 黃麻/棉地膜的光透過率

不同的植物對光的吸收光譜基本相同，主要集中在波長為400～460 nm的藍(lán)紫光和波長為600～700 nm的紅橙光。這兩種波段的光如同植物所需的兩種“光肥”，藍(lán)紫光可促進植物的根、莖、葉子的生長，紅橙光可為葉綠素提供養(yǎng)分。圖7所示為黃麻/棉地膜(原料質(zhì)量比為80 ∶20、面密度為40 g/m2、模壓溫度為130 ℃、模壓壓力為4 MPa、黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.89%)的光透過率，可以看到，在波長為400～460 nm的藍(lán)紫光波段，黃麻/棉地膜的光透過率為48%；在波長為600～700 nm的紅橙光波段，黃麻/棉地膜的光透過率為62%。這與文獻[7]中地膜的光透過率接近，說明本試驗制備的黃麻/棉地膜不會影響農(nóng)作物的正常生長，可用于農(nóng)作物的栽培與覆蓋。

圖7 黃麻/棉地膜的光透過率

3 結(jié)論

黃麻落麻纖維和PVA都是可生物降解的環(huán)境友好型材料，可自然降解，將它們用于制備地膜，對我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文采用可生物降解的黃麻落麻纖維與棉纖維混合梳理成纖維網(wǎng)，再采用PVA作為黏合劑將纖維網(wǎng)固化成型制備黃麻/棉地膜，分析了不同工藝條件下制備的黃麻/棉地膜的強伸曲線，并測試了黃麻/棉地膜的彎曲剛度、透氣率、透濕率、光透過率等指標(biāo)。

(1) 當(dāng)黃麻與棉的質(zhì)量比為80 ∶20、面密度為40 g/m2、模壓溫度為130 ℃、模壓壓力為4 MPa、黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.89%時，制備的黃麻/棉地膜的斷裂強度最高，達(dá)到946 N/m。在其他工藝條件一定的情況下，隨著面密度增加，黃麻/棉地膜的斷裂強度增大。模壓壓力對黃麻/棉地膜的斷裂強度的影響不顯著。

(2) 黃麻/棉地膜的彎曲剛度較大，具有良好的透氣透濕性能，其透氣率在1 987.06～3 385.04 mm/s、透濕率在87.99～103.18 g/(m2·h)，而且光透過率可以滿足農(nóng)作物的生長需求。

(3) 綜合斷裂強度、彎曲剛度、透氣率、透濕率、光透過率等指標(biāo)，得到黃麻/棉地膜的較佳工藝條件：黃麻與棉的質(zhì)量比為80 ∶20、面密度為40 g/m2、模壓溫度為130 ℃、模壓壓力為4MPa、黏合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.89%。