小麥秸稈纖維基地膜制造工藝參數(shù)優(yōu)化

陳海濤，尚會(huì)敏，何昀陽(yáng)，徐 利，宗 浩，劉 爽，張 穎，李龍海

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.山東瑞博斯煙草有限公司，山東 臨沂 276400；3.山東臨沂煙草有限公司，山東 臨沂 276002）

小麥?zhǔn)鞘澜缛蠹Z食作物之一，2019年我國(guó)小麥秸稈產(chǎn)量達(dá)1.4億t[1]。然而大量秸稈被焚燒，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[2]。地膜覆蓋栽培是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要手段，國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛，但傳統(tǒng)塑料地膜降解性差，使用后殘留造成土壤“白色污染”問(wèn)題[3]。研究表明以農(nóng)作物秸稈為主要原料制造的秸稈纖維基地膜，不但可在作物生育期完全降解，還具有抑草、保墑、控溫、防止水土流失等多重功效[4-5]。因此，研究制造小麥秸稈纖維基地膜可同時(shí)實(shí)現(xiàn)秸稈資源利用及塑料地膜替代，對(duì)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

目前秸稈纖維基地膜制造主要采用濕法，經(jīng)纖維制取、打漿、配漿、抄造、定型烘干等工序，漿料性能是影響地膜性能關(guān)鍵因素之一[6]。機(jī)械制漿相對(duì)于化學(xué)制漿具有無(wú)污染、得率高優(yōu)勢(shì)。然而傳統(tǒng)機(jī)械制漿方法如磨石磨木制漿、盤(pán)磨制漿，存在能耗高、纖維質(zhì)量差等問(wèn)題。擠壓爆破法是指秸稈在喂入、擠壓各時(shí)間段內(nèi)，承受不同程度升溫、擠壓和揉搓作用，發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，導(dǎo)致小麥秸稈纖維的纖維素結(jié)晶度提高，且在纖維排出機(jī)體時(shí)，機(jī)體內(nèi)高溫高壓蒸汽急速減壓，秸稈急速膨脹產(chǎn)生“爆破”效果，實(shí)現(xiàn)纖維分離。該方法具有低能耗、高得率優(yōu)點(diǎn)，目前已應(yīng)用于水稻[7]、玉米[8]、大豆秸稈[9]。但關(guān)于小麥秸稈擠壓爆破加工鮮有報(bào)道。

秸稈纖維基地膜使用過(guò)程可以分為機(jī)械鋪設(shè)、覆蓋栽培和降解還田3個(gè)階段，其中鋪設(shè)過(guò)程要求地膜強(qiáng)度性能滿(mǎn)足機(jī)械作業(yè)要求；覆蓋過(guò)程為實(shí)現(xiàn)保溫、保墑、抑草等作用，要求地膜具有一定抗水性和尺寸穩(wěn)定性；同時(shí)為保證在生育期內(nèi)完全降解，地膜還需控制降解誘導(dǎo)期長(zhǎng)度。研究表明，上述因素除受到漿料質(zhì)量影響外還受到定量（每平方米地膜質(zhì)量/g·m-2，）、纖維組分、功能助劑影響[10-11]。為滿(mǎn)足農(nóng)藝要求，學(xué)者對(duì)秸稈地膜的制造工藝展開(kāi)研究。呂國(guó)華等研究分析紙基地膜的纖維類(lèi)型、制漿工藝、化學(xué)助劑類(lèi)型、生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)、功能評(píng)價(jià)及發(fā)展趨勢(shì)[12]；陳鵬超以黃麻落麻為主要原料，通過(guò)濕法制備成麻地膜，并對(duì)其展開(kāi)性能測(cè)試和工藝優(yōu)化[13]；潘剛偉等對(duì)小麥秸稈纖維性能及制備工藝展開(kāi)研究，得到幾種關(guān)鍵工藝參數(shù)與小麥秸稈纖維失重率關(guān)系，并測(cè)試所制備小麥秸稈纖維性能指標(biāo)[14]。目前尚未見(jiàn)關(guān)于制造小麥秸稈纖維基地膜綜合試驗(yàn)研究。

本研究以擠壓爆破法制取小麥秸稈纖維為主要原料制造地膜，采用綜合試驗(yàn)系統(tǒng)研究定量、纖維組分、功能助劑對(duì)地膜性能的影響規(guī)律，優(yōu)化工藝參數(shù)，為制造小麥秸稈纖維基地膜提供技術(shù)支撐，促進(jìn)“一控、兩減、三基本”政策落實(shí)。

1 材料與方法

1.1 材料

小麥秸稈纖維：2019年收獲濟(jì)麥22秸稈，經(jīng)過(guò)除雜、晾曬等工序后，由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料實(shí)驗(yàn)室自制D200型秸稈纖維制取機(jī)以擠壓爆破方式制得。KP漿（未漂硫酸鹽針葉木漿）：金星牌商品漿，卡伯值37.5。功能助劑：濕強(qiáng)劑（本實(shí)驗(yàn)室自主合成，主要成分聚酰胺樹(shù)脂，固含量15%），中性施膠劑（本實(shí)驗(yàn)室自主合成，主要成分為脂肪酸和三乙胺預(yù)聚體，固含量15%）。

1.2 儀器設(shè)備

ZT4-00瓦利打漿機(jī)（中通試驗(yàn)設(shè)備公司），ZJG-100打漿度測(cè)定儀、ZCX-A紙頁(yè)成型設(shè)備、ZL-3006擺錘式紙張抗張力測(cè)量?jī)x器，YB502電子秤（精度0.01 g，海康電子設(shè)備有限公司），DGG-9070AD恒溫電熱干燥箱。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 工藝流程

參照GB/T 24325-2009標(biāo)準(zhǔn)將小麥秸稈纖維與KP漿打漿到57°SR和45°SR，將2種漿料按照試驗(yàn)方案中配比混合，再根據(jù)試驗(yàn)方案依次加入對(duì)應(yīng)中性施膠劑、濕強(qiáng)劑并均勻攪拌，抄片、烘干后在18℃、相對(duì)濕度30%～40%標(biāo)準(zhǔn)條件下靜置24 h。

1.3.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將小麥纖維填充到作為骨架的木漿纖維中，采用4因素5水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合優(yōu)化試驗(yàn)方法，以定量x1、KP混合比（KP漿占漿料的質(zhì)量百分比）x2、中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)x3和濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)x4為影響因子，以干抗張力、濕抗張力、撕裂度、耐破度、施膠度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)因素水平編碼見(jiàn)表1，共作36組試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見(jiàn)表2[15]。

表1 試驗(yàn)因素水平編碼Table 1 Factors level code

1.4 指標(biāo)測(cè)定與統(tǒng)計(jì)分析

干抗張力和濕抗張力參照GB/T 12914-2008測(cè)定，耐破度參照GB/T 454-2002測(cè)定，撕裂度參照GB/T 455-2002測(cè)定，施膠度參照GB/T 5405-1985測(cè)定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design-Expert 8.0.6軟件處理并分析[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，干抗張力y1（N）、濕抗張力y2（N）、撕裂度y3（mN）、耐破度y4（kPa）、施膠度y5（s）二次模型有意義（P＜0.0001），在信度0.05下作F檢驗(yàn)，去除非顯著項(xiàng)，各目標(biāo)函數(shù)回歸模型如式（1）～（5）所示。-2

式中，x1-定量（g·m）；x2-KP混合比（%）；x3-中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；x4-濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Experimental plan and results

2.2 回歸模型方差分析

式（1）～（5）回歸模型方差分析見(jiàn)表3。各指標(biāo)回歸模型中回歸項(xiàng)P＜0.05，表明回歸方程極顯著；回歸方程中擬合項(xiàng)P＞0.05，表明模型失擬不顯著。

2.3 各因素對(duì)性能指標(biāo)貢獻(xiàn)率

上述因素對(duì)各性能指標(biāo)貢獻(xiàn)率見(jiàn)表4。對(duì)干抗張力影響最大因素是定量，其次是濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，KP混合比影響程度最小。對(duì)濕抗張力影響因素遞減次序是KP混合比、定量、濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)。對(duì)撕裂度影響最大因素是定量，然后依次為KP混合比、濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)。對(duì)耐破度影響最大因素是定量，然后依次為KP混合比、中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)。對(duì)施膠度影響最大因素是中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，然后依次為KP混合比、定量、濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Regression model analysis of variance

表4 因素對(duì)性能指標(biāo)貢獻(xiàn)率Table 4 Contribution ratio of factors to response index

2.4 各因素對(duì)應(yīng)性能指標(biāo)影響規(guī)律

2.4.1 各因素對(duì)干抗張力影響

2.4.1.1 KP混合比與定量對(duì)干抗張力的影響

中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%，濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.6%時(shí)，KP混合比、定量對(duì)地膜干抗張力的影響見(jiàn)圖1。

圖1 KP混合比與定量對(duì)干抗張力的影響Fig.1 Effects of KP mixing ratio and grammage on dry tensile strength

由圖1可知，KP混合比、定量與干抗張力呈正相關(guān)，KP混合比與定量越大，干抗張力越大。因?yàn)殡S著KP混合比、定量提高，單位面積上木漿纖維數(shù)量增加，地膜強(qiáng)度增加[17]。KP混合比對(duì)干抗張力影響程度大于定量，此時(shí)干抗張力最大值出現(xiàn)在KP混合比50%、定量80 g·m-2處。

2.4.1.2 濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與定量對(duì)干抗張力的影響

圖2 濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與定量對(duì)干抗張力的影響Fig.2 Effects of wet strength agent and grammage on dry tensile strength

中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%，KP混合比40%時(shí)，濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、定量對(duì)干抗張力的影響見(jiàn)圖2。可知，當(dāng)定量處于0水平以下時(shí)，濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與干抗張力呈正相關(guān)，干抗張力隨著濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大。因?yàn)闈駨?qiáng)劑中帶有陽(yáng)離子電荷，與細(xì)小纖維表面陰離子電荷相互吸引形成交聯(lián)，干抗張力增強(qiáng)[18]；當(dāng)定量處于0水平以上時(shí)，濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與干抗張力呈負(fù)相關(guān)，干抗張力隨濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而減??；濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)在定量較大時(shí)對(duì)干抗張力作用不明顯。定量對(duì)干抗張力影響程度大于濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，此時(shí)干抗張力最大值出現(xiàn)在定量80 g·m-2、濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%處。

2.4.1.3濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)干抗張力的影響

圖3 濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)干抗張力的影響Fig.3 Effects of wet strength agent and neutral sizing agent on dry tensile strength

KP混合比30%，定量為70 g·m-2時(shí)，濕強(qiáng)劑、中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)干抗張力的影響見(jiàn)圖3。當(dāng)中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于0水平以下時(shí)，濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與干抗張力呈正相關(guān)，干抗張力隨濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大。因?yàn)闈駨?qiáng)劑可增強(qiáng)纖維間結(jié)合力，濕強(qiáng)劑越多，纖維間結(jié)合力越強(qiáng)，干抗張力越大；當(dāng)中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于0水平以上時(shí)，濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與干抗張力呈負(fù)相關(guān)，干抗張力隨濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而降低，因?yàn)橹行允┠z劑與濕強(qiáng)劑均呈陽(yáng)性，隨著中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，漿料中陽(yáng)離子增加形成陽(yáng)離子體系，附著率降低，地膜干抗張力下降[19]；當(dāng)中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于0水平時(shí)，濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)干抗張力影響不明顯。濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)干抗張力的影響程度大于中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，此時(shí)干抗張力最大值出現(xiàn)在中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.7%、濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%處。

2.4.2 各因素對(duì)濕抗張力影響

2.4.2.1 KP混合比與定量對(duì)濕抗張力的影響

中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%，濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.6%時(shí)，KP混合比、定量對(duì)濕抗張力的影響見(jiàn)圖4?？芍琄P混合比、定量與地膜濕抗張力呈正相關(guān)，KP混合比與定量越大，地膜濕抗張力越大。因?yàn)殡S著KP混合比與定量提高，單位面積上木漿纖維數(shù)量增加，使地膜強(qiáng)度增強(qiáng)。當(dāng)KP混合比較小時(shí)，定量增減對(duì)濕抗張力影響相對(duì)不明顯。KP混合比對(duì)濕抗張力影響程度大于定量，此時(shí)濕抗張力最大值出現(xiàn)在定量80 g·m-2、KP混合比50%處。

圖4 KP混合比與定量對(duì)濕抗張力的影響Fig.4 Effects of KP mixing ratio and grammage on wet tensile strength

2.4.2.2濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與定量對(duì)濕抗張力的影響

KP混合比30%，中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%時(shí)，濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與定量對(duì)濕抗張力的影響見(jiàn)圖5。

可看出濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與濕抗張力呈正相關(guān)，濕抗張力隨濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大。因?yàn)闈駨?qiáng)劑帶有陽(yáng)離子電荷能與纖維上負(fù)電荷相互吸引，使?jié)駨?qiáng)劑附著在纖維表面，形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，隨濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加，交聯(lián)作用加強(qiáng)，地膜濕抗張力增大[20]；定量和濕抗張力呈正相關(guān)，濕抗張力隨定量增加而增大，因?yàn)殡S著定量增加，地膜單位面積上木漿纖維數(shù)量增加，地膜濕抗張力增大。定量較大時(shí)濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)地膜濕抗張力影響相對(duì)不明顯。定量對(duì)濕抗張力影響程度大于濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，此時(shí)濕抗張力最大值出現(xiàn)在定量80 g·m-2、濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%處。

圖5 濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與定量對(duì)濕抗張力的影響Fig.5 Effects of wet strength agent and grammage on wet tensile strength

2.4.3 各因素對(duì)耐破度影響

2.4.3.1 濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與定量對(duì)耐破度的影響

中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%，KP混合比30%時(shí)，濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與定量對(duì)耐破度的影響見(jiàn)圖6。當(dāng)定量處于0水平以下時(shí)，濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與耐破度呈正相關(guān)，耐破度隨濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大。因?yàn)闈駨?qiáng)劑中陽(yáng)離子與細(xì)小纖維表面陰離子產(chǎn)生吸附作用，形成網(wǎng)絡(luò)，地膜耐破度增加；當(dāng)定量處于0水平以上時(shí)，濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與耐破度呈負(fù)相關(guān)，耐破度隨濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而減小。定量對(duì)耐破度的影響程度大于濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，此時(shí)耐破度最大值出現(xiàn)在定量80 g·m-2、濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%處。

圖6 濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與定量對(duì)耐破度的影響Fig.6 Effects of wet strength agent and grammage on bursting strength

2.4.3.2濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)耐破度的影響

定量70 g·m-2，KP混合比為30%時(shí)，濕強(qiáng)劑與中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)耐破度的影響見(jiàn)圖7。當(dāng)中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜1.2%時(shí)，耐破度與中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)；當(dāng)中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于0水平以下時(shí)，耐破度與中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)。因?yàn)橹行允┠z劑使纖維間結(jié)合力增大，地膜耐破度增強(qiáng)[21]，當(dāng)濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜1.6%時(shí)，濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與耐破度呈負(fù)相關(guān)；當(dāng)濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞1.6%時(shí)，濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與耐破度呈正相關(guān)。濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)耐破度影響程度大于中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，此時(shí)耐破度最大值出現(xiàn)在濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%、中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.7%處。

2.4.4 各因素對(duì)撕裂度影響

2.4.4.1 KP混合比與定量對(duì)撕裂度的影響

濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.6%，中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%時(shí)，KP混合比與定量對(duì)撕裂度的影響見(jiàn)圖8。KP混合比和定量均與撕裂度呈正相關(guān)，隨KP混合比增高與定量增大，撕裂度明顯增高。因?yàn)槎颗cKP混合比越大，單位面積上木漿纖維越多，撕裂度測(cè)定儀在測(cè)量地膜試樣撕裂度時(shí)所受阻力越大，撕裂度越大。定量對(duì)撕裂度影響程度大于KP混合比，此時(shí)撕裂度最大值出現(xiàn)在定量80 g·m-2、KP混合比50%處。

圖7 濕強(qiáng)劑與中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)耐破度的影響Fig.7 Effects of wet strength agent and neutral sizing agent on bursting strength

圖8 KP混合比與定量對(duì)撕裂度的影響Fig.8 Effects of KP mixing ratio and grammage on tearing strength

2.4.4.2濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與定量對(duì)撕裂度的影響

KP混合比為30%，中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%時(shí)，濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與定量對(duì)撕裂度的影響見(jiàn)圖9。當(dāng)定量處于0水平以下時(shí)，濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和定量與撕裂度均呈正比，定量越大，地膜試樣越厚，撕裂度在測(cè)量時(shí)需要撕裂開(kāi)纖維越多，撕裂度越大；撕裂度隨濕強(qiáng)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大。因?yàn)闈駨?qiáng)劑帶有陽(yáng)離子電荷能與纖維上羥基形成共價(jià)鍵[22]，附著在纖維表面，增強(qiáng)纖維間聯(lián)結(jié)，隨著濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，形成共價(jià)鍵數(shù)量增多，地膜撕裂度增大；當(dāng)定量處于0水平以上時(shí)，定量與濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增減對(duì)撕裂度影響不大。定量對(duì)撕裂度影響程度大于濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，此時(shí)撕裂度最大值出現(xiàn)在定量80 g·m-2、濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%處。

圖9 濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與定量對(duì)撕裂度的影響Fig.9 Effects of wet strength agent and grammage on tearing strength

2.4.4.3 中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與KP混合比對(duì)撕裂度的影響

濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.6%，定量70 g·m-2時(shí)，中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與KP混合比對(duì)撕裂度的影響見(jiàn)圖10。KP混合與撕裂度呈正相關(guān)，隨著KP混合比增大，撕裂度提高明顯。因?yàn)镵P混合比越大，地膜單位面積長(zhǎng)木漿纖維含量越高，在撕裂過(guò)程中長(zhǎng)纖維斷開(kāi)數(shù)量越多，地膜撕裂度越大；當(dāng)KP混合比處于0水平以上時(shí)，撕裂度隨中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增大，因?yàn)橹行允┠z劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，提高纖維間結(jié)合度，地膜撕裂度增大[23]；當(dāng)KP混合比處于0水平以下時(shí)，中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)撕裂度影響相對(duì)不明顯。KP混合比對(duì)撕裂度的影響程度大于中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，此時(shí)撕裂度最大值出現(xiàn)在KP混合比50%、中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.7%處。

圖10 中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與KP混合比對(duì)撕裂度的影響Fig.10 Effects of neutral sizing agent and KP mixing ratio on tearing strength

2.4.5各因素對(duì)施膠度影響

2.4.5.1 濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與定量對(duì)施膠度的影響

中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%，KP混合比30%時(shí)，濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與定量對(duì)施膠度的影響見(jiàn)圖11。濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和施膠度呈正相關(guān)，濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，施膠度越大。因?yàn)闈駨?qiáng)劑中陽(yáng)電荷與纖維表面上負(fù)電荷相互吸引，在纖維表面形成一層膜，阻礙液體對(duì)纖維浸濕作用，施膠度增大；定量和施膠度呈正相關(guān)，隨著定量增加，施膠度也逐步增大，因?yàn)槎吭酱?，地膜單位面積纖維含量越多，地膜越厚，液體需要浸透紙張時(shí)間越長(zhǎng)，導(dǎo)致施膠度增大。當(dāng)濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)，定量對(duì)施膠度影響相對(duì)不明顯，因?yàn)榈啬ぽ^薄，易被液體滲透。定量對(duì)施膠度影響程度大于濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，此時(shí)施膠度最大值出現(xiàn)在定量80 g·m-2、濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%處。

圖11 濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與定量對(duì)施膠度的影響Fig.11 Effects of wet strength agent and grammage on sizing degree

2.4.5.2 中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與KP混合比對(duì)施膠度的影響

濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.6%，定量70 g·m-2時(shí)，中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與KP混合比對(duì)施膠度的影響見(jiàn)圖12。當(dāng)KP混合比處于0水平以下時(shí)，中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與施膠度呈正相關(guān)，隨中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)越加，施膠度增大。因中性施膠劑中陽(yáng)電荷與纖維上負(fù)電荷相互吸引，使其附著在纖維上，與纖維表面羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，共價(jià)鍵結(jié)合，其憎水性長(zhǎng)鏈脂肪基轉(zhuǎn)向紙面，具有高度抗水性[24]；當(dāng)KP混合比處于0水平以上時(shí)，中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)施膠度的影響相對(duì)不明顯；當(dāng)中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，施膠度主要受定量影響，因?yàn)橹行允┠z劑添加量較少，施膠效果提高不明顯[25]，地膜定量提高導(dǎo)致地膜厚度增大，不易被液體滲透。中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)施膠度的影響程度大于KP混合比，此時(shí)施膠度最大值出現(xiàn)在KP混合比10%、中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.7%處。

圖12 中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與KP混合比對(duì)施膠度的影響Fig.12 Effects of neutral sizing agent and KP mixing ratio on sizing degree

2.5 優(yōu)化分析

為使擠壓爆破小麥纖維基地膜滿(mǎn)足田間鋪設(shè)和覆蓋栽培要求，地膜優(yōu)化原則為：干抗張力≥32 N、濕抗張力≥13 N、撕裂度≥520 mN、耐破度≥100 kP、施膠度≥150 s，優(yōu)化分析結(jié)果如圖13所示。工藝參數(shù)優(yōu)化組合為：定量70±2 g·m-2、KP混合比40%±2%、濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.60%±0.10%、中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.90%±0.05%。

圖13 擠壓爆破小麥秸稈纖維基地膜制造工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Fig.13 Optimum process parameters of extrusion explosion wheat straw fiber based mulch

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

按最優(yōu)工藝參數(shù)制成小麥秸稈纖維基可降解地膜試樣，測(cè)定各項(xiàng)性能指標(biāo)，取平均值驗(yàn)證得出：干抗張力為34.88 N、濕抗張力為13.6 N、耐破度為130.18 kPa、施膠度為235.7 s，滿(mǎn)足地膜機(jī)械化田間鋪設(shè)和覆蓋栽培要求，優(yōu)化結(jié)果正確可信。

4 結(jié) 論

a.以擠壓爆破小麥秸稈纖維為主要原料，可制取滿(mǎn)足機(jī)械化田間鋪設(shè)和覆蓋栽培要求地膜。

b.單因素定量、KP混合比對(duì)干抗張力、濕抗張力、撕裂度、耐破度、施膠度均有極顯著影響；定量與KP混合比交互作用對(duì)干抗張力、濕抗張力有極顯著影響；定量與濕強(qiáng)劑交互作用對(duì)耐破度有極顯著影響。

c.擠壓爆破小麥秸稈纖維基地膜最優(yōu)工藝參數(shù)組合為定量70±2 g·m-2、KP混合比40%±2%、濕強(qiáng)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.60%±0.10%、中性施膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.90%±0.05%，此時(shí)干抗張力≥32 N、濕抗張力≥13 N、撕裂度≥520 mN、耐破度≥100 kPa、施膠度≥150 s。