完全降解紙基棉質(zhì)地膜的制備及性能研究*

張燕杰 羅 軍 葛明橋

(江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點實驗室，無錫，214122)

完全降解紙基棉質(zhì)地膜的制備及性能研究*

張燕杰 羅 軍 葛明橋

(江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點實驗室，無錫，214122)

利用廢棄棉纖維經(jīng)濕法造紙工藝制備可完全降解農(nóng)用地膜。通過正交試驗對抄造工藝進行優(yōu)化設(shè)計，抄造制得的紙基棉質(zhì)地膜小樣經(jīng)石蠟浸漬、聚乙烯醇(PVA)膠液后處理，得到紙基棉質(zhì)地膜試樣，并對試樣的主要物理性能進行了測試。結(jié)果表明:在面密度35 g/m2、膠液PVA質(zhì)量分數(shù)4%、打漿度40°SR工藝條件下制得的紙基棉質(zhì)地膜具有良好的力學(xué)性能，干態(tài)斷裂強力17 N，撕裂度2.48 N，耐破度97.8 kPa，厚度0.085 mm，達到或超過農(nóng)用塑料地膜的質(zhì)量要求;可見光透過率達68%;土埋28 d的降解率超過20%，且降解產(chǎn)物有利于增加土壤有機質(zhì)。

棉質(zhì)地膜，濕法造紙，力學(xué)性能，透光性，降解性

我國塑料農(nóng)用膜的產(chǎn)量和使用量均居世界第一。據(jù)農(nóng)業(yè)部門統(tǒng)計，2008—2009年度全國塑料農(nóng)用膜的消耗量達207.9萬t，其中:棚膜102.3萬t，覆蓋面積達335億m2;地膜105.6萬t，覆蓋面積達2 067億m2，達歷史最高［1］。我國農(nóng)業(yè)廣泛應(yīng)用聚氯乙烯(PVC)和聚乙烯(PE)塑料膜，這對提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，解決高寒地區(qū)提前育苗、栽種問題，以及反季節(jié)性蔬菜、瓜果種植等問題，起到了積極的作用，但是塑料農(nóng)用膜的回收異常困難，其降解時間更是長達200～300年，長期使用會造成土壤板結(jié)，通透性變差，肥力下降，最終良田變荒地。因此，為了保護人類賴以生存的環(huán)境資源，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，各國都在大力研制和推廣可降解環(huán)保地膜［2］。

另據(jù)統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生的棉、麻等廢棄天然纖維約50萬t，且逐年增加。如能利用這些廢棄纖維制成農(nóng)用膜，則可替代用常規(guī)高聚物生產(chǎn)的塑料農(nóng)用膜使用總量的9%左右，且該類產(chǎn)品可完全自然降解，不僅綠色環(huán)保，而且有效利用廢棄資源，對緩解“白色污染”、減少石油等不可再生資源的消耗具有積極意義［3-4］。

本研究采用軋花棉短絨、棉紡廠落棉等6 mm長的棉纖維，經(jīng)濕法造紙工藝制備可在較短時間內(nèi)完全自然降解的棉質(zhì)薄膜，將抄出的棉質(zhì)薄膜在聚乙烯醇(PVA)膠液中充分浸漬黏合，烘干后得到具有一定力學(xué)性能的農(nóng)用地膜。利用正交試驗得到最佳工藝方案，并測試了樣品的各項物理性能。

1 試驗部分

1.1 材料

精梳落棉為主的棉紡廠落棉;

PVA;

透明劑(液體石蠟)、羧甲基纖維素、鄰苯二甲酸二甲酯等試劑(均經(jīng)純化處理);

普通PE塑料地膜(用于與棉質(zhì)地膜進行對比試驗)。

1.2 設(shè)備與儀器

ZQS1型電熱蒸煮鍋，ZQS2-23型打漿機，ZQS12-100型打漿度測試儀，GBJ-A型纖維標準解離器，ZQJ1-B-Ⅱ型紙樣抄取器，TV-1901型雙光束紫外可見分光光度計，以及均由四川長江造紙儀器有限責(zé)任公司制造的DC-KZ300C型電腦測控抗張試驗機、DCP.SLY1000型電腦測試紙張撕裂度儀和DC-KZ300C型電腦測控耐破度儀。

1.3 試樣制備

1.3.1 樣品制備

稱取一定量的經(jīng)人工除雜后的棉短絨，經(jīng)蒸煮、打漿、稀釋后，加入適量分散劑、柔軟劑和濕增強劑等，制得纖維均勻分布的懸浮液;將懸浮液倒入抄紙器平紋銅網(wǎng)上，濾除水分制得濕纖維網(wǎng)，經(jīng)初步烘烤后用化學(xué)黏合劑固結(jié)纖維網(wǎng)，再烘干，細心剝?nèi)?，即制得紙基棉質(zhì)地膜小樣。

1.3.2 后處理

將濕法成網(wǎng)制造的紙基樣品在室溫下放置24 h，然后放入液體石蠟浸漬槽中浸漬，由于液體石蠟極易滲入到樣品中，故采用一浸一軋工藝進行軋液整理;將經(jīng)過石蠟整理后的半成品在室溫下放置24 h，然后分別放入不同質(zhì)量分數(shù)的PVA膠液浸漬槽中充分浸漬，再采用二浸二軋工藝進行軋液整理，該工藝能使PVA膠液充分均勻地黏附在樣品表面;將經(jīng)過PVA膠液整理的樣品置于一定溫度的烘箱內(nèi)預(yù)烘一定時間，使其充分黏合，然后在室溫下晾干，即得到可用于性能測試的紙基棉質(zhì)地膜試樣。

1.4 性能測試

試樣測試的環(huán)境溫度控制在20℃左右，相對濕度控制在30%～60%。

1.4.1 強伸度

采用DC-KZ300C型電腦測控抗張試驗機，按照《最新造紙工業(yè)測試方法與產(chǎn)品標準手冊》，采用GB/T 453—1989標準《紙和紙板抗張強度的測定法》進行，測試不同條件下制得試樣的斷裂強力和斷裂伸長率，每個試樣測試5次，取平均值。試樣尺寸為90 mm×50 mm。

1.4.2 撕裂度

采用DCP.SLY1000型電腦測試紙張撕裂度儀，按照《最新造紙工業(yè)測試方法與產(chǎn)品標準手冊》，采用GB/T 455.1—1989標準《紙撕裂度的測定法》進行，測試不同條件下制得試樣的撕裂度，每個樣品測試5次，取平均值。試樣尺寸為63 mm×40 mm。

1.4.3 耐破度

采用DC-KZ300C型電腦測控耐破度儀，按照《最新造紙工業(yè)測試方法與產(chǎn)品標準手冊》，采用GB/T 454—1989標準《紙耐破度的測定法》進行，測試不同條件下制得試樣的耐破度，每個樣品測試5次，取平均值。試樣尺寸為100 mm×100 mm。

1.4.4 透光性

采用TV-1901型雙光束紫外可見分光光度計測量試樣的透光率，波長范圍200～900 nm。測試時，先從圓形紙基小樣的5個部位剪取獲得50 mm×50 mm的測試樣品，分別對該5個部位的樣品進行透光性能測試，最后取平均值代表該圓形小樣的透光性。按此方法分別對普通PE塑料地膜和紙基棉質(zhì)地膜樣品進行透光性能測試，每個樣品測試5次，取平均值。

1.4.5 降解性

將紙基棉質(zhì)地膜小樣裁剪成100 mm×100 mm的正方形，逐個稱量，做好標記，分別平鋪埋人5 cm深的土層中;按不同的土埋時間，逐個取出樣品，清理、烘干后用電子天平稱量。降解率的計算公式為:

降解期間，自然條件及光照作用相同，土壤相對濕度保持在50%左右，埋人土中的時間分別為7、14、21 和 28 d。

1.5 正交試驗設(shè)計

本試驗主要考慮面密度、膠液PVA質(zhì)量分數(shù)和打漿度三個因素對紙基棉質(zhì)地膜物理性能的影響，通過預(yù)試驗并參考有關(guān)資料，確定了本試驗的設(shè)計方案，見表1。

表1 正交試驗因素水平表

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗結(jié)果分析

地膜制作工藝用正交試驗設(shè)計，試驗結(jié)果見表2。為了明確各因素對地膜物理指標的影響，并盡可能減少和消除試驗誤差，提高論證的可靠性，對上述試驗結(jié)果進行了極差分析，結(jié)果見表3。

通過正交試驗極差分析可知:

(1)對棉質(zhì)地膜干態(tài)斷裂強力、撕裂度和厚度的影響程度順序均是A＞C＞B，即面密度是影響可降解地膜干態(tài)斷裂強力、撕裂度和厚度的主要因素，打漿度是次要因素，膠液PVA質(zhì)量分數(shù)的影響最小。隨著面密度的增加，地膜的上述性能隨之提高。

(2)對棉質(zhì)地膜耐破度的影響程度順序是A＞B＞C。面密度越大，單位面積的纖維越多，其斷裂強力、撕裂度和耐破度都會隨之增大，地膜厚度也隨之增加，進而會增加地膜的生產(chǎn)成本。

表2 棉質(zhì)地膜制造工藝正交試驗結(jié)果

表3 正交試驗結(jié)果極差分析

(3)在一定范圍內(nèi)，隨著打漿度的提高，紙漿抄出的地膜斷裂強力、撕裂度和耐破度相應(yīng)變大，但超過一定值后，其物理性能呈下降趨勢;膠液PVA質(zhì)量分數(shù)越大，地膜經(jīng)浸漬后，黏附在纖維表面的液體越多，地膜越厚，但過厚的地膜其透光性變差，柔軟性也差，同時也會增加地膜成本。

綜合以上各因素對地膜性能的影響，確定較優(yōu)的工藝組合是 A2B2C2，即面密度35 g/m2，膠液PVA質(zhì)量分數(shù)4%，打漿度40°SR。

為驗證正交試驗的結(jié)果，在上述較優(yōu)工藝條件下進行重復(fù)性試驗，制得的紙基棉質(zhì)地膜的力學(xué)性能如下:

2.2 透光性能分析

透光性能是農(nóng)用地膜的一個重要指標。通過試驗對比了普通PE地膜、施膠棉質(zhì)地膜和未施膠棉質(zhì)地膜的透光性，得出波長與透光率的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 PE地膜和棉質(zhì)地膜的透光性對比

從圖1棉質(zhì)地膜和普通PE地膜透光性能對比可以看出:在各個波段內(nèi)，PE地膜的透光性大于可降解地膜的透光性;在350～900 nm波段內(nèi)PE地膜透光率保持在90%以上，在紫外光300～200 nm波段內(nèi)其透光率急劇下降，由90%下降到50%;在紅外光850～900 nm波段內(nèi)棉質(zhì)地膜透光率最高可達85%，在300～800 nm波段內(nèi)施膠棉質(zhì)地膜透光性比未施膠棉質(zhì)地膜的透光率略高5%;在可見光400～780 nm波段內(nèi)施膠棉質(zhì)地膜的透光率保持在68%左右，而未施膠地膜的透光率維持在63%左右;在紫外光400～200 nm波段內(nèi)施膠棉質(zhì)地膜的透光率由65%下降到5%左右，而未施膠棉質(zhì)地膜透光率由60%下降到5%左右。施膠棉質(zhì)地膜比未施膠棉質(zhì)地膜的透光性好，其原因是膠液的主要成分是PVA，而PVA是一種可完全生物降解的高分子聚合物，具有很好的透明性［5-6］。經(jīng)施膠處理后的棉質(zhì)地膜的透光性在可見光范圍內(nèi)透光率維持在68%左右，完全可以用于玉米、棉花、辣椒等農(nóng)作物和蔬菜的育苗［7］。

2.3 降解性能分析

圖2為紙基棉質(zhì)地膜在土壤中降解率的變化曲線。從圖2可知，隨著土埋時間增加，棉質(zhì)地膜的降解率也隨之提高，土埋7 d時降解率為4.5%，經(jīng)過28 d后棉質(zhì)地膜的降解率達到20.2%，而普通PE地膜在土埋28 d后質(zhì)量沒有明顯變化，說明紙基棉質(zhì)地膜能在較短時間內(nèi)快速降解，具有良好的降解性能。

紙基棉質(zhì)地膜的主要成分是纖維素和PVA，二者均能被完全生物降解［8-9］。影響棉質(zhì)地膜降解的主要因素有兩個:

圖2 棉質(zhì)地膜的降解率與土埋時間的關(guān)系曲線

(1)水和濕度的影響。棉纖維和PVA含有大量的親水基團，水分滲入薄膜后使其中增塑劑和含親水基團的物質(zhì)溶解，改變了聚合物材料的組成和比例，加速了材料的老化。

(2)微生物的影響。纖維素纖維富含碳源，經(jīng)土壤中微生物降解后增加了碳源、氮源和水等物質(zhì)，豐富了微生物所需的營養(yǎng)，有利于微生物的生長［10-11］，而微生物產(chǎn)生的分泌物(酶)又會進一步促使高聚物分子斷裂成穩(wěn)定的小分子(CO2和H2O)。

在以上兩個因素的共同影響下，加速了棉質(zhì)地膜的降解。

3 結(jié)論

(1)基于正交試驗設(shè)計得到紙基棉質(zhì)地膜的最佳抄制工藝是:面密度35 g/m2、膠液PVA質(zhì)量分數(shù)4%、打漿度40°SR;在此工藝條件下制得的樣品，其性能測試結(jié)果為:干態(tài)斷裂強力17 N，撕裂度2.48 N，耐破度97.8 kPa，厚度 0.085 mm，性能指標達到或超過農(nóng)用塑料地膜的要求。

(2)經(jīng)石蠟浸漬、表面施膠處理后的紙基棉質(zhì)地膜具有一定的透光性，在可見光范圍內(nèi)其透光率達到68%，可以滿足玉米、棉花、辣椒等農(nóng)作物和蔬菜育苗的要求。

(3)棉質(zhì)地膜小樣在經(jīng)過28 d土埋后降解率達20.2%，表明紙基棉質(zhì)地膜能在較短時間內(nèi)快速降解，具有良好的降解性能，降解產(chǎn)物有利于提高土壤的肥力。

(4)紙基棉質(zhì)地膜的柔軟性有待改進，透光性可進一步提高，同時需進一步控制紙基棉質(zhì)地膜的制備成本。

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Study on preparation and properties of completely degraded paper-based cotton film

Zhang Yanjie，Luo Jun，Ge Mingqiao
(Key Laboratory of Eco-Textiles，Ministry of Education，Jiangnan University)

The completely degraded cotton mulch films were produced by waste cotton fiber through wet paper making process.The process parameters were optimized throughout orthogonal test，and paper-based cotton film sample was impregnated in the liquid paraffin and PVA solution，and the specimen was prepared and the main mechanical properties were tested.The results showed that paper-based cotton films had better mechanical properties while processes conditions were 35 g/m2of area density，4%of PVA latex mass percentage and 40°SR of beat effect，the dry breaking strength was 17 N，tearing strength was 2.48 N，resistance to damage was 97.8 kPa and thickness was 0.085 mm，the material could met the quality needs of mulch plastic film，visible light permeability of the cotton films was at 68%，and degradation rate was over 20%for 28d degradation，and the degradation products would help to increase soil organic matter.

cotton film，wet paper-making，mechanical performance，permeability，degradability

TS176+.9

A

1004－7093(2011)11－0005－05

*中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(JUSRP21003)

2011－06－29

張燕杰，女，1986年生，在讀碩士研究生。主要研究廢棄天然纖維的回收利用。

羅 軍，E-mail:luoj@jiangnan.edu.cn