木屑/粘膠纖維濕法非織造地膜的研制

張曉麗， 武 恒， 王傳貴

(1. 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； 2. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園林學(xué)院， 安徽 合肥 230036)

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木屑/粘膠纖維濕法非織造地膜的研制

張曉麗1， 武 恒2， 王傳貴2

(1. 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； 2. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園林學(xué)院， 安徽 合肥 230036)

為改善土壤環(huán)境，減少塑料地膜造成的白色污染，采用濕法成網(wǎng)制備以造紙木屑和粘膠短纖為原料的農(nóng)用非織造地膜。對非織造地膜的外觀形貌和表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并對其力學(xué)性能、滲水性、降解性、透光性進(jìn)行測試。結(jié)果表明：通過調(diào)節(jié)面密度、纖維混紡比及黏合劑濃度可制得性能良好的非織造地膜；結(jié)合40 d土埋試驗(yàn)后，非織造地膜的降解率達(dá)到70%以上。通過濕法成網(wǎng)制得的地膜具備優(yōu)良通透性，可有效改善作物生長環(huán)境。

木屑； 粘膠纖維； 非織造地膜； 濕法成網(wǎng)

普通農(nóng)膜來源于從石油中提煉并合成的高分子化合物，這些物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，在自然條件下很難自行生物降解或者光降解[1]。塑料地膜的碎片殘存在土壤里，嚴(yán)重破壞土壤結(jié)構(gòu)，造成土壤板結(jié)，使通透性能差，地力下降，影響作物生長發(fā)育和產(chǎn)量。國內(nèi)外有很多專家致力于可降解地膜的研制[2-3]。日本研制出不同用途的非織造地膜，但由于價(jià)格偏貴，使用較少。本文利用工業(yè)廢棄的木屑和紡織廠的廢棄粘膠短纖維經(jīng)過除雜、漂白、與粘膠短絨按比例混合、制漿、抄造、以液體石蠟進(jìn)行一浸一軋?zhí)幚碓偻ㄟ^膠液PVA溶液的涂布提高其強(qiáng)力，從而實(shí)現(xiàn)可降解地膜的制備。國內(nèi)有很多機(jī)構(gòu)利用天然廢棄植物纖維如麻、棉、甘蔗渣等研制紙地膜，利用廢棄木屑和粘膠等纖維制成農(nóng)用薄膜，可代替常規(guī)高分子農(nóng)用薄膜使用總量的9%左右，這些纖維在使用過程中可完全自然降解，不污染環(huán)境，同時(shí)變廢為寶，有效地利用了資源。對提高農(nóng)產(chǎn)品深加工技術(shù)和資源回收利用，彌補(bǔ)資源不足以及消除“白色污染”具有積極的作用[4-5]。

濕法成網(wǎng)制造工藝簡單方便，成本低，選用地下土埋法通過計(jì)算失重率來測試農(nóng)用地膜的降解周期[6]。采用抄紙法是生產(chǎn)自然降解農(nóng)用地膜的最佳工藝路線，可滿足農(nóng)用地膜的大部分物理機(jī)械性能，并可在短時(shí)間內(nèi)完全降解。

1 材料與方法

1.1 材 料

棉紡廠廢棄的粘膠短絨(長8～13 mm，線密度1.1～1.4 dtex)，造紙木屑(長2～5 mm)。聚乙烯醇(PVA)、分散劑聚丙烯酰胺、NaOH(分析純AR)、30%H2O2(分析純AR)、液體石蠟、普通PE膜。

1.2 儀 器

自制抄紙器(125目錦綸網(wǎng))，HH-S恒溫水浴鍋(常州普天儀器制造有限公司)，YTH-4A測厚儀(杭州研特科技有限公司)，YG(B)026D-250型電子織物強(qiáng)力機(jī)(溫州大榮紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠)，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，YG825E數(shù)字式織物滲水性測試儀(寧波紡織儀器廠)，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/可見分光光度計(jì)(上海美譜達(dá)儀器有限公司)，Nicolette 50傅里葉紅外光譜儀(美國賽默爾飛世爾公司)，SEMXL-20型掃描電子顯微鏡(荷蘭Philips公司)等。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 木屑的漂白

木屑在錦綸網(wǎng)上篩去細(xì)末除去較粗大的顆粒，按1∶3的料液比投放到置于50 ℃恒溫水浴鍋中的燒杯或電爐上的蒸煮鍋中進(jìn)行漂白。漂白配方：H2O2，NaOH混合溶液(pH=10.5～11)，50 ℃蒸煮30 min，漂白中不停攪拌，直至顯淺黃色或白色即可[7]。漂白后充分水洗，80 ℃電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘干待用。粘膠短纖與木屑經(jīng)洗凈烘干后，加入蒸餾水、分散劑聚丙烯酰胺不斷攪拌，形成均勻的懸浮液，以備后續(xù)打漿和抄造。

1.3.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用面密度、木屑和粘膠纖維的混合比例、PVA溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)三因素，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，如表1所示。

1.3.3 工藝流程

在室溫25 ℃，相對濕度為40%～60%環(huán)境下：

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

原料準(zhǔn)備(經(jīng)人工除雜的粘膠短纖和木屑)→木屑漂白→打漿→抄紙(自制錦綸網(wǎng)抄紙器)→脫水→烘干→浸漬液體石蠟→施膠→烘干→卷紙[8]。

1.3.4 性能測試

參照GB/T 6672—2001《塑料薄膜和薄片厚度測定》中的機(jī)械測試法測試地膜厚度， 參照FZ/T 60005—1991《非織造布斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長的測定》測地膜斷裂強(qiáng)力，在YG(B)026D-250型電子織物強(qiáng)力機(jī)上測試。依據(jù)GB/T4744—1997《紡織織物 抗?jié)B水性測定 靜水壓試驗(yàn)》在YG825E型滲水性測試儀上測滲水性,透光性采用紫外可見分光光度計(jì)測試，依據(jù)GB/T 2410—2008《透明塑料透光率和霧度的測定》，檢測波長為400～750 nm[9]。

室外土壤表層下10 cm處的土樣，計(jì)算出土壤的含水率晴天為15.7%，陰雨天為21.3%，按式(1)計(jì)算。

(1)

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。

埋土前降解期間自然條件及光照作用基本相同，土壤相對濕度保持在60%左右，土壤pH值為6.0～7.0，大氣晝夜溫度為10～20 ℃。降解率按公式(2)計(jì)算。

(2)

式中：P為降解率；W1為降解前質(zhì)量；W2為降解后質(zhì)量。

形貌分析采用傅里葉紅外光譜顯微ATR-FTIR分析，并在掃描電子顯微鏡下觀察其微觀結(jié)構(gòu)，對比降解前后的差異[10-11]。

2 試驗(yàn)部分

2.1 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，面密度和PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對地膜的強(qiáng)力和滲水壓影響最大，粘膠纖維和木屑的投料比例其次，面密度越大地膜的強(qiáng)力越大，由于粘膠纖維和木屑的長度和成分接近，故兩者比例對地膜的強(qiáng)力影響不大。面密度對地膜的滲水壓影響最大，面密度越大，地膜滲水壓越大，即抗沾水性越好，保溫性越好[12]。粘膠纖維和木屑投料比例以及PVA溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對地膜的滲水性影響明顯遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于面密度的影響。木屑地膜在400 nm處透光率受面密度影響最大，可見地膜越薄越透光，粘膠纖維含量增加時(shí)，能顯著增加地膜的透光性，因?yàn)檎?/p>

膠纖維屬再生纖維，具有一定的透明度，可折射光線，PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對地膜的透光性影響較小。綜合其他兩項(xiàng)性能分析，各因素對木屑地膜各指標(biāo)的影響次序?yàn)椋簭?qiáng)力：C3>A3>B3，滲水壓：A3>C2>B3，透光率：A1>B3>C2。平衡各因素條件得出最優(yōu)工藝為A3B3C2。因此確定地膜制備最佳工藝條件為：面密度60 g/m2，粘膠纖維與木屑投料比2∶1，PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%。此條件下測得地膜斷裂強(qiáng)力27 N，滲水壓69 Pa，透光率63%。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2 地膜的降解性

最優(yōu)工藝制備地膜可見光透光率如圖1所示。PE膜在各個(gè)波長段的透光性能均優(yōu)于非織造地膜，但非織造地膜也能滿足一定的透光性要求，不同材料在相同波長范圍內(nèi)透光性不同，不同波長范圍內(nèi)同一種材料透光率差異較大。木屑非織造地膜成分是以纖維素、半纖維素和木質(zhì)素為主，還含有少量的蠟質(zhì)、黏合劑、雜質(zhì)等，造成地膜在不同波長范圍的透光性差異較大，可見光透光率高達(dá)63%。

圖1 木屑地膜和PE膜的透光率曲線Fig.1 Transmittance curve of saw dust film and PE film

圖2 木屑地膜降解率隨時(shí)間的變化Fig.2 Degradation rate-time graph of saw dust film

木屑地膜經(jīng)土埋后的失重率變化體現(xiàn)其具有一定的降解性[12]。圖2示出地膜經(jīng)土埋后降解率變化，開始曲線的斜率較小，降解緩慢；隨著時(shí)間的延長，降解加速，降解率迅速上升；經(jīng)過40 d土埋后降解率達(dá)70%以上。而普通PE膜在土壤中40 d后質(zhì)量基本無變化，說明木屑地膜有良好的降解性能。

圖3、4示出木屑地膜原樣和土埋40 d后的掃描電鏡圖。可看出，地膜經(jīng)過土埋40天比地膜原樣表面纖維間空隙更為疏松,纖維內(nèi)部空隙增多，失重率較高，由于纖維在降解過程中，纖維吸收土壤中的水分膨脹表面吸附了土壤中大量微生物和土壤顆粒, 纖維大分子被大量的細(xì)菌和霉菌等微生物分解[13-14]。纖維素和木質(zhì)素都發(fā)生了自然降解，隨著土埋時(shí)間的延長,內(nèi)部纖維素結(jié)構(gòu)變得越來越蓬松,微生物和土壤顆粒不斷進(jìn)入,地膜強(qiáng)度降低直至破裂成碎片,最后完全降解。

圖3 木屑地膜原樣掃描電鏡圖Fig.3 SEM images of saw dust film

圖4 木屑地膜經(jīng)土埋40 d后掃描電鏡圖Fig.4 SEM images of saw dust film after soil buried 40 days

圖5示出土埋前后地膜的紅外譜圖。可看出：土埋前后非織造地膜的伸縮振動吸收峰大體相同，在土埋40 d后，2 920 cm-1處C—H伸縮振動減弱，1 510 cm-1處和1 595 cm-1處由木質(zhì)素引起苯環(huán)骨架伸縮振動減弱，1 460 cm-1處表征木質(zhì)素中CH2形變振動吸收峰減弱，說明地膜中木質(zhì)素含量降低；1 375 cm-1處表征纖維素、半纖維素C—H伸縮振動的吸收峰減弱，1 161 cm-1處表征纖維素、半纖維素上醚鍵C—O—C伸縮振動的吸收峰減弱，表明地膜成分中半纖維素和纖維素被降解[15]。

圖5 非織造地膜土埋前后的紅外光譜圖Fig.5 ATR-FTIR spectra of untreated and soil buried nonwoven film

3 結(jié) 論

1)由正交試驗(yàn)結(jié)果綜合分析，得出制備木屑/粘膠非織造地膜的最佳工藝為：面密度60 g/m2，粘膠纖維與木屑投料比2∶1，PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%。

2)最優(yōu)工藝條件下，木屑非織造地膜的強(qiáng)力27 N，滲水壓69 Pa，經(jīng)液體石蠟和PVA浸漬處理后的地膜透光性能得到改善，在可見光范圍內(nèi)，其透光率保持在63%左右，基本達(dá)到普通農(nóng)用地膜的強(qiáng)度要求。

3)木屑地膜小樣在經(jīng)過土埋40 d后，降解率達(dá)到了74%，掃描電鏡和紅外光譜觀察顯示，非織造地膜在一定時(shí)間內(nèi)可充分降解。

FZXB

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Preparation of nonwoven mulch film from saw dust and viscose by wet laying

ZHANG Xiaoli1, WU Heng2, WANG Chuangui2

(1.SchoolofLight-TextileEngineering&Art,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei,Anhui230036,China; 2.SchoolofForestry&LandscapeArchitecture,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei,Anhui230036,China)

In order to improve the soil environment and reduce the white pollution caused by plastic films, the agricultural nonwoven films were prepared from paper-making saw dust and viscose fiber by wet laying. The morphology and surface structure of the nonwoven film were characterized. The mechanical properties, water permeability, degradability and light transmittance of the films were tested. Results show that the agricultural nonwoven film with good performance can be prepared by adjusting the surface density, fiber blended ratio and nonwoven binder concentration. The degradation rate of nonwoven film reached above 70% after 40 d soil burial test. The mulch films prepared by wet laying have excellent permeability, which can effectively improve the crop′s growth environment.

saw dust; viscose fiber; nonwoven mulch film; wet laying

10.13475/j.fzxb.20140805305

2014-08-26

2015-04-09

“十二五”國家科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD23B0205)；安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)科骨干培育項(xiàng)目(2014XKPY-55)

張曉麗(1976—)，女，副教授，碩士。主要從事紡織材料功能化改性方面的研究。E-mail: iloaix@163.com。

TS 176.9

A