新型可降解農(nóng)用非織造地膜工藝性能優(yōu)化研究

文/孫月 劉艷 康文華

20世紀(jì)70年代末，我國引進(jìn)了農(nóng)用塑料薄膜覆蓋技術(shù)，大大促進(jìn)了我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展。而塑料薄膜的主要成分為聚乙烯，不透水、不透氣并且難以分解，農(nóng)業(yè)上的大量使用使得土壤環(huán)境惡化，對(duì)生態(tài)造成了非常嚴(yán)重的損害。為了增加農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性，開發(fā)和使用基于生物可降解材料的地膜是非常必要的?？山到獾啬た梢栽谕寥乐凶匀唤到?，既可以利用自然資源，減少土壤污染，又能促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。因此，天然纖維制成的可降解地膜已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。本研究選擇的非織造農(nóng)用地膜主要原料為苧麻、蠶絲、棉纖維的紡織下腳料，ES纖維為熱粘合劑。我國為棉麻大國，擁有大量的纖維資源，棉、麻為天然纖維素纖維，蠶絲為天然蛋白質(zhì)纖維，均可自然降解，同時(shí)降解產(chǎn)生的纖維素和絲蛋白對(duì)土壤有增肥作用。通過控制不同的原料配比和熱軋溫度制成共12組樣品，測試其對(duì)地膜強(qiáng)力、保暖性、降解性的影響，并與塑料地膜進(jìn)行對(duì)比，分析各項(xiàng)性能的影響因素和可行性。本研究以增加農(nóng)業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性為目標(biāo)，為天然纖維在農(nóng)用地膜上的應(yīng)用和選擇提供方向，為新型可降解農(nóng)用非織造地膜的生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 工藝流程

原料準(zhǔn)備—纖維的開松與混合—梳理成網(wǎng)和機(jī)械鋪網(wǎng)針刺—熱軋。

1.2 試樣分組

制備完成后得到12組試樣，分組見表1。

表1 試樣的分組

1.3 試驗(yàn)儀器

電子織物強(qiáng)力儀，型號(hào)為YG065C；織物保暖性能測試儀，型號(hào)為YG606N；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，型號(hào)為GZX-GF-101；傅里葉變換紅外光譜儀，型號(hào)為J091。

1.4 試驗(yàn)材料及制備

拉伸斷裂強(qiáng)力試驗(yàn)每塊試樣的長度為250mm，寬度為50mm，經(jīng)緯向各5塊。保溫性試驗(yàn)的試樣面積為30cm×30cm，共12組，每組3塊。降解性試驗(yàn)為了區(qū)分地膜試樣，將每組試樣剪成不同形狀，共12組。

1.5 試驗(yàn)操作說明

拉伸斷裂強(qiáng)力試驗(yàn)先進(jìn)行預(yù)調(diào)濕，再調(diào)整上下夾鉗之間的隔距，夾裝試樣開始測試。

保溫性試驗(yàn)先進(jìn)行空板試驗(yàn)，再將地膜覆蓋在試驗(yàn)板上進(jìn)行有樣試驗(yàn)。

土壤保溫性試驗(yàn)分別將地膜試樣和塑料地膜覆蓋在土壤表層，連續(xù)3天定時(shí)測量地表溫度。

降解性試驗(yàn)要將試樣埋入一塊自然環(huán)境下的土地中，深度為5cm左右。設(shè)置降解時(shí)間分別為10天、25天、50天、100天。到時(shí)間后，從土中取出試驗(yàn)材料，先將試樣洗凈，自然晾干，晾干后放入恒溫干燥箱中在105℃的溫度下干燥至質(zhì)量不再變化。將試樣繼續(xù)埋到土里，等到下一階段時(shí)間結(jié)束后再取出測試。采用傅里葉變換紅外光譜儀分析降解前后的樣品，重復(fù)上述過程直到測試完成并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。按照公式(1)計(jì)算各組試樣質(zhì)量損失率：

D

M

M

2 結(jié)果與分析

2.1 斷裂強(qiáng)力分析

測試12組材料的斷裂強(qiáng)力，結(jié)果數(shù)據(jù)見表2。

表2 塑料地膜與各組材料的縱橫向強(qiáng)力

從表2可以看出，隨著苧麻配比的減少、廢蠶絲配比的增加，地膜的斷裂強(qiáng)力逐漸減少。因?yàn)槠r麻纖維的強(qiáng)度比廢蠶絲高，而且當(dāng)廢蠶絲配比增加后，廢蠶絲與苧麻纖維很難交纏在一起，僅有小部分纏結(jié)的蠶絲能用于增加斷裂強(qiáng)度。所以隨著苧麻配比的減少、廢蠶絲配比的增加，地膜的斷裂強(qiáng)力變小。

其余條件一定時(shí)，熱軋溫度升高，地膜斷裂強(qiáng)力逐漸增大。由于溫度越高，纖維軟化，更多作為熱粘合劑的ES纖維被融化，所以纖維之間結(jié)合得更為緊密，地膜變得更加緊實(shí)。

通過與塑料地膜進(jìn)行對(duì)比可知，本文所制得的可降解地膜的拉伸斷裂強(qiáng)力比塑料地膜大，能夠滿足農(nóng)用地膜需求。

2.2 保溫性數(shù)據(jù)分析

測試12組材料的熱阻，獲得的數(shù)據(jù)見表3。

表3 各組地膜試樣熱阻

從表3可以看出，隨著苧麻配比的減少、廢蠶絲配比的增加，地膜的熱阻逐漸變大，即保溫性更好。因?yàn)樾Q絲具有多孔隙纖維結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部有超過38%的部分是空心的，在這些空隙中能存儲(chǔ)很多空氣阻擋熱量的散發(fā)，因此蠶絲織物具有良好的保溫性。而苧麻纖維由于其纖維內(nèi)部細(xì)胞壁較厚，能鎖住的空氣不多，保溫性不及蠶絲，所以隨著苧麻配比的減少、廢蠶絲配比的增加，地膜的保溫性越好。

其余條件一定時(shí)，熱軋溫度升高，地膜的熱阻變小。由于溫度越高，纖維軟化，更多作為熱粘合劑的ES纖維被融化，所以纖維之間變得更為緊密，地膜變得更加緊實(shí)，能鎖住的靜止空氣量也變少，保溫性變差。

2.3 土壤保溫性數(shù)據(jù)分析

選取熱軋溫度130℃時(shí)的地膜試樣1～4，與塑料地膜進(jìn)一步進(jìn)行土壤保溫性試驗(yàn)，測試數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同地膜的土壤增溫?cái)?shù)據(jù) ℃

從表4可以看出，地膜試樣的保溫性能較差于塑料地膜，是由于可降解地膜試樣厚度大，透光性較差，影響了光熱能的穿透。另外與塑料地膜相比，可降解地膜存在一定的透氣性，地膜與地表之間沒有較強(qiáng)的溫室效應(yīng)。熱軋溫度為130℃時(shí)，隨著苧麻配比的減少、廢蠶絲配比的增加，地膜的土壤保溫性更好，但各組地膜間增溫的溫差較小。與無覆蓋地表相比，可降解地膜增溫效果明顯，具有良好的保溫性能，滿足農(nóng)用地膜需求。

2.4 降解性數(shù)據(jù)分析

2.4.1 紅外測試結(jié)果分析

從圖1可以看出，試樣在3313cm處有一條不飽和烴C—H伸縮振動(dòng)吸收譜帶，而降解后該吸收峰減弱，譜帶移至3259cm處，且飽和烴C—H伸縮振動(dòng)峰在2900cm處消失，這說明分子間氫鍵等次價(jià)鍵斷裂，分子間的作用力減弱。

圖1 試樣降解前后的紅外吸收光譜圖

蠶絲纖維中的蛋白質(zhì)多肽鏈中的酰胺等基團(tuán)結(jié)構(gòu)特征所產(chǎn)生的不同振動(dòng)波帶在3280cm、3080cm、1600cm、1545cm、1480cm～1340cm和1280cm～1230cm處出現(xiàn)，由圖上很明顯可以看出降解后1480cm處的C—H伸縮振動(dòng)吸收峰和1280cm處的C—N伸縮振動(dòng)吸收峰減弱，這說明降解后大分子鍵斷裂，分子間的作用力減弱。

2.4.2 試樣質(zhì)量損失率(D)分析

測試降解后12組材料的質(zhì)量損失，獲得的數(shù)據(jù)顯示在表5中。

表5 各組試樣質(zhì)量損失率 %

從表5可以看出，隨著苧麻配比的減少、廢蠶絲配比的增加，質(zhì)量損失率逐漸減小，即降解性變差。主要原因?yàn)槠r麻是纖維素纖維，而蠶絲是蛋白質(zhì)纖維，纖維素纖維在土壤中易降解，且降解速度更快。

其余條件一定時(shí)，熱軋溫度升高，地膜的質(zhì)量損失率變小。由于溫度越高，纖維軟化，更多作為熱粘合劑的ES纖維被融化，所以纖維之間變得更為緊密，地膜變得更加緊實(shí)，導(dǎo)致質(zhì)量損失率減少，降解性變差。

塑料地膜的主要成分為聚乙烯，有毒性且極難分解，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生巨大危害。

3 結(jié)論

本研究探討了不同工藝性能對(duì)新型可降解農(nóng)用非織造地膜性能的影響，通過采取控制單一變量的方法，在不同的原料配比和不同的熱軋溫度下制出12組地膜成品后，對(duì)各組地膜的斷裂強(qiáng)力、保溫性、降解性進(jìn)行進(jìn)一步測試，分析各項(xiàng)性能的影響因素，并與塑料地膜進(jìn)行對(duì)比得出以下結(jié)論：

（1）熱軋溫度一定時(shí)，隨著苧麻配比的減少、廢蠶絲配比的增加，地膜的保溫性變好，而斷裂強(qiáng)力、降解性變差。

（2）纖維配比一定時(shí)，隨著熱軋溫度逐漸升高，地膜的保溫性、降解性逐漸變差，而斷裂強(qiáng)力增大。

（3）苧麻/廢蠶絲/棉纖維地膜的斷裂強(qiáng)力、降解性優(yōu)于塑料地膜，而保溫性能較差于塑料地膜。當(dāng)纖維配比一定、熱軋溫度為130℃時(shí)，保溫性、降解性最優(yōu)，斷裂強(qiáng)力最小。而斷裂強(qiáng)力的最小值也大于塑料地膜，滿足農(nóng)用地膜需求。當(dāng)熱軋溫度一定、苧麻配比最多、廢蠶絲配比最少時(shí)，斷裂強(qiáng)力、降解性最優(yōu)，保溫性最低。通過土壤保溫性試驗(yàn)可得，熱軋溫度130℃時(shí)，4種不同配比的地膜試樣間的溫差不大，均能明顯提高地表溫度，滿足農(nóng)用地膜需求。

（4）在綜合可行性、實(shí)用性、成本等各方面的考慮后，得出本次最佳工藝方案為第1組，即苧麻∶廢蠶絲∶棉∶ES纖維為6∶1∶2∶1，熱軋溫度130℃。