無土栽培用聚乳酸/苧麻落麻非織造布基質的制備及性能研究*

王思思 韋 煒 鄒漢濤 劉 濤 胡 奇 湯清倫

武漢紡織大學紡織科學與工程學院，湖北 武漢 430200

無土栽培用聚乳酸/苧麻落麻非織造布基質的制備及性能研究*

王思思 韋 煒 鄒漢濤 劉 濤 胡 奇 湯清倫

武漢紡織大學紡織科學與工程學院，湖北 武漢 430200

以聚乳酸纖維和苧麻落麻纖維為原料制成的針刺非織造布為研究對象，著重分析纖維原料的不同混合比對非織造布的拉伸斷裂強力、透氣性、保暖性、芯吸效應和含液率等性能的影響及其原因，并將聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布作為無土栽培基質進行草坪種植試驗，結果顯示種植出的小麥草生長狀況良好，發芽率高達97.7%，證明其作為無土栽培基質可行。

聚乳酸纖維，苧麻落麻纖維，針刺非織造布，無土栽培

無土栽培是指不使用天然土壤，利用營養液或固體基質加營養液的方式栽培作物的一種方法。我國無土栽培技術的研究始于20世紀90年代初期，主要開發的栽培基材產品有合成纖維織物基速生天然草毯和合成纖維非織造布無土栽培基質等。其中，非織造布具有的獨特的三維立體網絡結構和足夠的力學強度，以及所形成的孔隙空間較穩定等，有利于根系擴張固定植物，使植物分布均勻，同時還擁有足夠大的孔隙率，可容納大量的營養液和空氣，是一種理想的無土栽培基質[1- 3]。近年非織造布以其獨特的性能優勢,如可人工調節、孔隙率大、透氣透水性好、整塊連片、無病蟲害、清潔衛生，以及比土壤能更好地滿足植物生長所需的水、肥、氣、熱等四大條件等，在無土栽培領域得到了廣泛的關注[4-9]。

非織造布無土栽培基質多數以合成纖維(如聚丙烯、聚酯和聚酰胺纖維等)為原料，存在廢棄物不能降解或降解物會對環境產生污染等問題，因此，開發可自然降解的產品是其重要的發展方向[10-13]。苧麻在紡織過程中會產生大量的落麻纖維。利用苧麻落麻纖維開發天然可降解的非織造布無土栽培基質，可提升苧麻落麻纖維的使用價值，為苧麻落麻纖維的利用找到新的增值途徑，這具有很大的意義。本研究主要采用完全可生物降解的聚乳酸纖維和苧麻落麻纖維為原料，通過針刺加工制成環境友好型非織造布，測試分析該非織造布的相關性能，并進行草坪種植試驗，探索其作為無土栽培基質的應用可行性。

1 試驗部分

1.1 原料的選擇

聚乳酸纖維(長度55 mm、線密度1.54 dtex)，苧麻落麻纖維(長度30～50 mm、線密度4.67 dtex)。

1.2 設備與儀器

YG(B)026-250型電子織物強力儀；YG(B)461D型數字式織物透氣量儀；YG(B)606D型平板式保溫儀；YG(B)871型毛細管效應測定儀。

1.3 試樣制備

將聚乳酸纖維和苧麻落麻纖維按一定質量配比進行混合，再通過針刺加工工藝制備出不同的非織造布樣品。

1.4 性能測試

1.4.1 拉伸斷裂強力

將不同質量配比的非織造布樣品在YG(B)026- 250型電子織物強力儀上測試其拉伸斷裂強力。試樣大小為20 cm×5 cm。每種試樣測試10組，測試結果取平均值。

1.4.2 透氣性

將不同質量配比的非織造布樣品在YG(B)461D型數字式織物透氣量儀上測試其透氣性。試樣面積為20 cm2。每種試樣測試10組，測試結果取平均值。

1.4.3 保暖性

將不同質量配比的非織造布樣品在YG(B)606D型平板式保溫儀上測試其傳熱系數。試樣大小為30 cm×30 cm。每種試樣測試10組，測試結果取平均值。

1.4.4 芯吸高度與芯吸速率

將不同質量配比的非織造布樣品在YG(B)871型毛細管效應測定儀上測試其芯吸高度，記錄規定時間內液體沿織物縫隙上升或滲入的高度，即為芯吸高度。試樣大小為20 cm×5 cm，測試溫度保持30 ℃恒溫，測試時間為30 min。芯吸速率利用樣品30 min內每間隔5 min的芯吸高度來表征。

1.4.5 含液率

分別對不同質量配比的非織造布樣品的干態質量和芯吸完成后的濕態質量進行測試，再按照下式分別計算試樣的含液率(w)：

式中：m1——試樣的干態質量，g；m2——試樣芯吸后的濕態質量，g。

1.4.6 小麥草的栽培

以聚乳酸/苧麻落麻(質量配比為40∶60)針刺非織造布作為無土栽培基質，將浸種后的300粒小麥草種子均勻撒于基質表面，定期澆水，觀察小麥草的生長情況并進行記錄。

2 結果與分析

圖1 聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的拉伸斷裂強力

2.1 拉伸斷裂強力

圖1為不同質量配比的聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的拉伸斷裂強力圖。從圖1可知，純聚乳酸針刺非織造布拉伸斷裂強力為334 N，遠高于純苧麻落麻針刺非織造布的拉伸斷裂強力(59 N)，聚乳酸/ 苧麻落麻針刺非織造布樣品的拉伸斷裂強力隨著苧麻落麻纖維質量分數的增加而降低。產生這種結果的原因在于聚乳酸纖維(55 mm)略長于苧麻落麻纖維(30～50 mm)，故聚乳酸纖維經針刺加固后纖維纏結效果優于苧麻落麻纖維，加之聚乳酸纖維的單纖強度略大于苧麻落麻纖維，故隨著苧麻落麻纖維質量分數的增加，非織造布樣品的力學性能變差。

2.2 透氣性

圖2為不同質量配比的聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的透氣性能圖。從圖2可知，純聚乳酸針刺非織造布透氣率為1 489 mm/s，遠低于純苧麻落麻針刺非織造布的透氣率(3 341 mm/s)，聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的透氣性隨著苧麻落麻纖維質量分數的增加而變大。這是因為苧麻落麻纖維為天然纖維，其直徑(線密度為4.67 dtex)較聚乳酸纖維(線密度為1.54 dtex)大，制成的苧麻落麻針刺非織造布結構更為疏松，孔隙率大，故隨著苧麻落麻纖維質量分數的增加，非織造布樣品的透氣性越好。由此可見，將聚乳酸纖維和苧麻落麻纖維按適當的質量配比制成無土栽培用針刺非織造布，可獲得良好的透氣性能，用其作為培養基質，能滿足植物生長對空氣的需要。

圖2 聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的透氣率

2.3 保暖性

圖3為不同質量配比的聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的保暖性能圖。從圖3可知，純聚乳酸針刺非織造布傳熱系數為3.5 W/(m2·K)，小于純苧麻落麻針刺非織造布的傳熱系數[5.3 W/ (m2·K)]，聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的傳熱系數隨著苧麻落麻纖維質量分數的增加而變大，即保暖性變差。造成這一現象的原因可能與聚乳酸纖維較苧麻落麻纖維細，比表面積較大，可“捕捉”的靜止空氣量多有關。此外，聚乳酸纖維的公定回潮率為0.4%，苧麻落麻纖維的公定回潮率可達12.0%，回潮率越小則保暖性較好。由此可見，將聚乳酸纖維和苧麻落麻纖維按適當的質量配比制成針刺非織造布，作為無土栽培基質，能夠為植物的生長提供適宜的溫度環境。

圖3 聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的傳熱系數

2.4 芯吸高度和芯吸速率

芯吸效應是指由于織物內纖維的毛細管彎曲面附加引力的作用，進入織物內的水分自動引導傳輸流動，以維持毛細管內流體遷移的一種性能。芯吸效應能使水分子沿纖維內孔隙形成的毛細管上升，并出現潤濕現象。芯吸高度反映的是作為無土栽培基質的非織造布在垂直方向導水的重要特征。芯吸高度高則液體傳輸的高度高。芯吸速率在微觀上取決于纖維的物理化學性能，以及液體分子的熱平衡過程，在宏觀上取決于纖維孔隙的形態與方向。

圖4和圖5分別反映了不同質量配比的聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的芯吸高度和芯吸速率狀況。由圖4和圖5可知，聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的芯吸高度和芯吸速率隨苧麻落麻纖維質量分數的增加而變大。這是因為苧麻落麻纖維親水性好，聚乳酸纖維親水性差，因此含苧麻落麻纖維多的非織造布樣品的吸濕導濕性好，故單位時間內芯吸高度增加越多，芯吸速率越大。

圖4 聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的芯吸高度

圖5 聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的芯吸速率

2.5 含液率

含液率是衡量無土栽培基質的一項重要指標。無土栽培基質中含液率越高，則所能包含的植物營養液就越多，越有利于植物根系的吸收，為植物生長提供充足的肥料及無機鹽等。

圖6為不同質量配比的聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的含液率狀況。由圖6可知，隨苧麻落麻纖維質量分數的增加，聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的含液率升高。究其原因可能在于，隨著苧麻落麻纖維質量分數的增加，非織造布的結構變得更為疏松，孔隙率更大，可容納液體的空間更多，從而促使含液率增加。

圖6 聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的含液率

2.6 小麥草的栽培

圖7對小麥草的生長進行了記錄，可以看出：在開始的7 d內，大部分作為培養基質的聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品表面，小麥草的生長較為迅速。播種1 d后即長出約1.0 cm長的須根；2～3 d左右長出芽苗，草種發芽率可達97.7%，此時根長約2.0 cm，株高約1.5 cm；4～5 d時草根穿過非織造布樣品，根長約3.0 cm，株高約4.0 cm。 播種7 d后小麥草生長速度放緩。7～8 d時草根長可達5.0 cm，株高可達8.0 cm；10 d時根長為8.0 cm，株高為10.0 cm；15 d時根長為9.0 cm，株高為11.0 cm；15～25 d時小麥草生長狀況良好，根長和株高幾乎未繼續變化。圖8為小麥草生長25 d后的實物照片。

圖7 小麥草生長記錄

圖8 小麥草生長25 d后的實物照片

3 結論

本研究將聚乳酸纖維和苧麻落麻纖維以不同的質量配比混合，再通過針刺加工工藝制成聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布，測試分析其各項性能，并探索其作為無土栽培基質的可行性，研究分析發現：

(1) 在不同質量配比的聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品中，隨著苧麻落麻纖維質量分數的增加，非織造布樣品的拉伸斷裂強力降低、保暖性能下降，但透氣性、芯吸高度、芯吸速率和含液率等有所增加。

(2) 利用聚乳酸纖維和苧麻落麻纖維混合制成的針刺非織造布具有一定的強力、透氣性、保暖性和親水性，符合作為無土栽培基質的要求。且草坪種植試驗結果表明，聚乳酸/苧麻落麻(質量配比為40∶60)針刺非織造布作為無土栽培基質時，種植出的小麥草生長狀況良好，發芽率高達97.7%。此外，聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布較目前市場上常見的合成纖維無土栽培基質而言，前者可完全降解，并在使用過程中不造成環境污染，完全滿足國家提出的可持續發展要求。

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Preparation and performance study of polylactic acid/ramie noil nonwovens substrate for non-soil cultivation

WangSisi,WeiWei,ZouHantao,LiuTao,HuQi,TangQinglun

Textile Institute of Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan 430200, China

Needle punched nonwovens which was prepared with polylactic acid (PLA) fibers and ramie noil fibers was taken as research objects, and the effects and reasons of fiber materials blended at various ratios on the properties of nonwovens were mainly analyzed, such as tensile strength, permeability, warmth retention, wicking effect and liquid fractions. And the lawn planting experiment with the PLA/ramie noil needle punched nonwovens used as substrate for non-soil cultivation was carried out, the results showed that the growth of wheat straw was good and the germination rate reached 97.7%, which proved that it was feasible to use PLA/ramie noil needle punched nonwovens for the non-soil cultivation.

PLA fiber, ramie noil fiber, needle punched nonwovens, non-soil cultivation

*國家級大學生創新訓練計劃資助項目(2013CXZD004)

2016-04-26

王思思，女，1993年生，在讀本科生，研究方向為新型功能非織造產品的設計與開發

韋煒，Email：wei.wei@wtu.edu.cn

TS176+.3

A

1004-7093(2016)09-0025-05