低定量環保型水稻秸稈纖維地膜制造工藝參數優化

明向蘭，陳海濤，魏志鵬

（1.嶺南師范學院機電工程學院，湛江524048；2.東北農業大學工程學院，哈爾濱150030）

0 引 言

目前中國農用化肥單位面積平均施用量（434.3 kg/hm2）是國際公認的化肥施用安全上限（225 kg/hm2）的1.93倍[1-3]。化肥的過量施用造成了土壤板結和酸化，增加了農作物病害幾率，從而增加了農藥的使用量，據調查統計，2015 年中國農業用藥30 萬t[4-5]。由于過度的肥藥施用造成土壤微生態環境受損嚴重，農戶為了保產施用更多的肥藥，中國農業生產正陷入這樣一個惡性循環中[6]。合理減少化肥農藥的使用迫在眉睫，使用地膜是有效減少化肥、農藥使用量的方法之一。

傳統塑料地膜可以提高地溫，保墑性能好。但是其難回收、難降解、污染嚴重的缺點一直無法解決。不能被土壤微生物分解，不能被農作物吸收利用，也不易于回收利用的殘留在土壤中的塑料地膜（以下簡稱殘膜），成為分隔土壤的“隔膜”，不僅破壞土壤的團粒結構，還造成土壤及生活環境的重度污染[7-11]。

中國是農業大國，根據中國農作物種植面積測算，2017年中國秸稈理論資源量為8.84億t，可收集資源量約為7.36 億t，全國秸稈的綜合利用率超過82%，主要以肥料化利用為主，其次是飼料化、燃料化，最后是基料化、原料化。但每年中國仍然存在著農作物秸稈被就地焚燒或閑置的情況（約2億t的農作物秸稈），造成了極大的資源浪費和環境污染[12-15]。

由于化肥、農藥的長期不合理加之過量的施用，以及農作物秸稈和土壤中殘膜等農業廢棄物不合理的處置等，造成了農業面源的嚴重污染，加劇了農產品質量安全風險。為此農業部制定出臺了《農業部關于打好農業面源污染防治攻堅戰的實施意見》，要求確保到2020年要實現“一控兩減三基本”的目標[16-17]。因此，按照取自自然，造福人類，回歸自然的原則，從高效、優質和可持續發展的視角出發，充分利用可再生資源，采用植物秸稈為原料制造植物纖維地膜可以實現對其高值無害化利用，減少化肥農藥的施用，避免土壤和環境污染，是一種理想的秸稈利用方式，是構建資源環境和諧發展、循環經濟型社會的必然趨勢。

低定量涂布紙，基本是指定量在70 g/m2以下的涂布紙。同時，把其中定量在45 g/m2以下的稱為超低定量涂布紙或超輕量涂布紙。國際上，低定量涂布紙廣義上指的是總定量不超過50～60 g/m2[18]。以秸稈纖維基地膜的技術經濟性為出發點，在保證性能的基礎上降低地膜的定量可以節約纖維用量，降低生產成本，提高生產效率，更重要的是它可以滿足市場需求。

為了充分利用水稻秸稈纖維的綠色環保性[19-20]，并使所得低定量纖維地膜具有較好的力學性能。本研究旨在通過正交旋轉中心組合試驗，研究水稻秸稈纖維抄制55 g/m2低定量環保型可降解纖維地膜制造工藝參數優化組合，為水稻秸稈制造可降解地膜提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

試驗材料：水稻秸稈纖維原料（2018年秋收獲的東農425水稻秸稈，由D200型秸稈纖維制取機制取，經過FB-1型分析篩篩分保留≤10 mm纖維，平均長寬比的分布范圍為22.8～58.3[21]，＜1 mm 組分的最小，＞5 mm 組分的最大），商品漿。功能助劑：施膠劑分散松香膠（質量分數50%）（以下簡稱“松香”）、硫酸鋁（質量分數10%）（以下簡稱“礬土”）、濕強劑（質量分數15%）。

試驗儀器與設備：FB-1 型分析篩，ZJG-100 紙漿打漿度測定儀（長春市月明小型試驗機有限公司），ZT4-00 瓦利打漿機（陜西中通試驗裝備有限公司），ZCX-A 紙頁成型器（長春市月明小型試驗機有限公司），YB502 電子秤（精度0.01 g，上海海康電子儀器廠），DGG-9070 AD 型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海森信實驗儀器有限公司），ZL-300 擺錘式紙張抗張強度試驗機（濟南德瑞克儀器有限公司），ZDNP-1 型電子式紙張耐破度測定儀（長春市月明小型試驗機有限責任公司）。

1.2 試驗方法

由教研室前期試驗結果可知，影響低定量環保型水稻秸稈纖維地膜性能的因素主要有打漿度、混合比、松香質量分數、礬土質量分數、濕強劑質量分數。采用五因素五水平1/2實施正交旋轉組合設計的試驗方法，分別測定其干抗張力、濕抗張力和耐破度，并以此為評價指標，分析各因素對試驗結果影響的大小，各項評價指標均以10次重復的均值為試驗結果。混合比是指商品漿干物質占總漿量干物質的百分比。干濕抗張力表征了纖維地膜承受縱向負荷而斷裂時的最大負荷，耐破度是指纖維地膜在單位面積上所能承受的均勻增大的最大壓力[21]。影響因素水平編碼表，如表1 所示。試驗過程中商品漿打漿度設定為40°[22]。

表1 因素水平編碼表Table 1 Factor level code

1.3 制膜工藝

對水稻秸稈纖維和商品漿按照QB/T24325-2009 標準，打漿至表2 中試驗方案相應的打漿度，2 種漿料按照試驗方案中的比例混合，對照方案加入相應的松香、礬土、濕強劑進行攪拌[23]，然后參照QB/T24324-2009 標準將漿料抄成定量為55 g/m2樣片，經過壓榨、干燥（真空度達96 kPa，溫度約97℃，干燥5～7 min）。測定干抗張力參照GB/T22898-2008標準，將輕輕拉直的試樣夾在ZL-300擺錘式紙張抗張強度試驗機的2 個夾頭上，使試驗機以100 mm/min 的拉伸速度將規定尺寸的試樣拉伸至斷裂，試驗機自動記錄抗張力，重復10 次試驗并記錄試驗數據計算均值。測定濕抗張力參照GB/T465.2-2008 標準，將浸入蒸餾水中2 h后的試樣取出，使用濾紙輕輕吸去試樣表面的水，然后輕輕拉直迅速夾在ZL-300擺錘式紙張抗張強度試驗機的2 個夾頭上測試其抗張力，重復10 次試驗并記錄試驗數據計算均值。測定耐破度參照GB/T454-2002 標準，將處理好的試樣放置于ZDNP-1 型電子式紙張耐破度測定儀的彈性膠膜上，緊緊夾住試樣周邊，使之與膠膜一起自由凸起[24]。當液壓流體以穩定速率泵人，使膠膜凸起直至試樣破裂時，測定儀記錄所施加的最大壓力，即試樣耐破度，重復20 次試驗并記錄試驗數據計算均值。最后應用Design-Expert 6.0.10 軟件對數據進行統計分析[25]。

2 結果與分析

2.1 試驗結果

試驗結果如表2所示。

2.2 回歸模型

對試驗結果進行分析，干抗張力y1（N）、濕抗張力y2（N）、耐破度y3（kPa）二次項模型（quadratic）有意義（P＜0.000 1），在置信度α=0.05下，進行F檢驗，剔除不顯著項后，得到的回歸模型，如式（1）～式（3）所示。

式中x1為打漿度，（°）；x2為混合比，%；x3為松香質量分數，%；x4為礬土質量分數，%；x5為濕強劑質量分數，%。

2.3 回歸模型方差分析

對式（1）～式（3）進行方差分析，結果如表3所示。

由表3 可知，每個指標擬合項的F1＜F0.05，說明模型擬合效果好，回歸項F2＞F0.05，說明回歸方程極顯著。

2.4 各因素對各項性能指標影響主次分析

參照徐中儒關于多元二次回歸中各因素重要性的計算方法[25]。對于由試驗數據所建立的二次回歸方程，可利用對二次方程系數的檢驗結果，來判斷因素對y 作用的程度。

表2 試驗方案與結果Table 2 Experimental plan and results

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

各因素對各項指標的貢獻率如表4。

結果表明，對于干抗張力，各因素的貢獻率大小依次是x2＞x5＞x4＞x1＞x3。各因素對濕抗張力貢獻率大小依次為x2＞x5＞x4＞x1＞x3。各因素對耐破度貢獻率大小依次為x2＞x4＞x5＞x3＞x1。

表4 各因素對性能指標的貢獻率Table 4 Importance of factors effecting response functions

2.5 各因素對各項性能指標影響規律

2.5.1 干抗張力

混合比和松香質量分數在其他因素為0 水平時對干抗張力的影響如圖1a所示，混合比處于0水平以下時，干抗張力隨松香質量分數加入量的增大緩慢減小，主要是由于松香的加入對纖維之間的結合影響較大；當混合比處于0 水平以上時，干抗張力隨松香質量分數的增加呈增大趨勢，這是因為混合比增加，單位膜面積中木材纖維所占比例提高，干抗張力增加[21]。通過響應曲面圖1a可知，混合比對干抗張力的正面影響遠大于松香質量分數的負面影響，最大值出現在混合比50%、松香質量分數1.4%。

混合比和礬土質量分數在其他因素為0 水平時對干抗張力的影響如圖1b所示，混合比處于0水平以下時，隨著礬土質量分數的增大，干抗張力呈現逐漸增大趨勢，當混合比處于0 水平以上時，干抗張力隨礬土質量分數加入量的增大緩慢減小。這是由于混合比增加，單位膜面積中木材纖維所占比例提高，礬土在濕部起到了助留作用，因此干抗張力增加[21]，而礬土的過量加入會對力產生副作用。通過響應曲面圖1b 可知，混合比對干抗張力的影響程度大于礬土質量分數，最大值出現在混合比50%、礬土質量分數3%。

松香質量分數和濕強劑質量分數在其他因素為0 水平時對干抗張力的影響如圖1c 所示，當松香質量分數處于0 水平以下時，干抗張力隨濕強劑質量分數加入量的增大緩慢減小，這可能是由于系統中的纖維對濕強劑的吸附已經達到飽和狀態；松香質量分數處于0 水平以上時，干抗張力隨濕強劑質量分數的增加呈增大趨勢。這可能是因為松香質量分數加入量增加，施膠度增加。同時濕強劑提供陽離子電荷，對帶陰離子電荷的松香有吸附和助留作用，加入的濕強劑被纖維強烈吸附后，干抗張力增加[26-27]。通過響應曲面圖1c 可知，濕強劑質量分數對干抗張力的影響程度大于松香質量分數，最大值出現在松香質量分數1.4%、濕強劑質量分數2.2%。

圖1 各因素對干抗張力的影響Fig.1 Effects of factors on dry tensile strength

2.5.2 濕抗張力

混合比和松香質量分數在其他因素為0 水平時對濕抗張力的影響如圖2a所示，混合比處于0水平以下時，濕抗張力隨松香質量分數加入量的增大呈緩慢下降趨勢，主要是由于松香的過量加入對力產生副作用，導致力下降；當混合比處于0水平以上時，濕抗張力隨松香質量分數的增加而顯著增大，這是因為混合比增加，漿料中含有細小纖維增多，濕抗張力增加[28-29]。通過響應曲面圖2a可知，混合比對濕抗張力的正面影響遠大于松香質量分數的負面影響，最大值出現在混合比50%、松香質量分數1.4%。

松香質量分數和濕強劑質量分數在其他因素為0水平時對濕抗張力的影響如圖2b 所示，當松香質量分數處于0 水平以下時，濕抗張力隨濕強劑質量分數加入量的增大無明顯變化，這可能是由于一部分濕強劑受到礬土的影響，使濕強劑作用減弱；松香質量分數處于0水平以上時，濕抗張力隨濕強劑質量分數的增加而增加。這可能是由于松香質量分數加入量增加，地膜的抗水性逐漸增強。同時濕強劑提供陽離子電荷，松香帶陰離子電荷，加入的濕強劑被松香強烈吸附后，地膜試樣的濕抗張力增加[30-31]。通過響應曲面圖2b 可知，濕強劑質量分數對濕抗張力的影響程度大于松香質量分數，最大值出現在松香質量分數1.4%、濕強劑質量分數2.2%。

2.5.3 耐破度

圖2 各因素對濕抗張力的影響Fig.2 Effects of factors on wet tensile strength

混合比和松香質量分數在其他因素為0 水平時對耐破度的影響如圖3a所示，混合比處于0水平以下時，耐破度隨松香質量分數加入量的增大緩慢減小，主要是由于松香的加入影響纖維之間的結合力；當混合比處于0 水平以上時，耐破度隨松香質量分數的增加呈增大趨勢，這是因為影響耐破度的2 個主要因素是纖維間的結合強度和纖維長度，由于混合比增加，單位膜面積中木材纖維所占比例提高，耐破度增加[32-33]。通過響應曲面圖3a可知，混合比對耐破度的影響程度大于松香質量分數，最大值出現在混合比50%、松香質量分數1.4%。

松香質量分數和礬土質量分數在其他因素為0 水平時對耐破度的影響如圖3b 所示，礬土質量分數處于0水平以下時，隨著松香質量分數的增大，耐破度呈現逐漸增大趨勢，這是由于礬土在濕部起到助留作用，因此耐破度增加[26]；當礬土質量分數處于0 水平以上時，耐破度隨松香質量分數加入量的增大而減小，主要是由于礬土的過量加入會阻礙纖維對濕強劑等其他助劑的吸收，而松香的吸附也已趨于飽和，故耐破度下降。通過響應曲面圖3b 可知，礬土質量分數對耐破度的影響程度大于松香質量分數，最大值出現在松香質量分數1.4%、礬土質量分數3%。

松香質量分數和濕強劑質量分數在其他因素為0 水平時對耐破度的影響如圖3c 所示，當濕強劑質量分數處于0 水平以下時，耐破度隨松香質量分數加入量的增大緩慢減小，這可能是由于濕強劑用量較少時，松香作用較大，隨著松香加入量越來越大對指標產生了副作用；濕強劑質量分數處于0 水平以上時，耐破度隨松香質量分數的增加呈增大趨勢。這是因為濕強劑用量超過0 水平后，濕強劑的增強效果逐漸明顯，耐破度增加[27]。通過響應曲面圖3c 可知，濕強劑質量分數對耐破度的影響程度大于松香質量分數，最大值出現在松香質量分數1.4%、濕強劑質量分數2.2%。

圖3 各因素對耐破度的影響Fig.3 Response surface for effects of factors on bursting strength

2.6 優化分析

以滿足地膜田間鋪設機械性能要求，即地膜機械強度符合國家標準GB13735-2017，干抗張力≥32 N、濕抗張力≥12 N、耐破度≥100 kPa，并節省能源、降低成本為原則[21]，在打漿度30°～50°、混合比10%～50%、松香質量分數0.6%～1.4%、礬土質量分數3%～7%、濕強劑質量分數1.4%～2.2%的約束條件下，優化分析結果如圖4 所示。打漿度和混合比是對3 個評價指標影響較顯著的因素，并且考慮低定量環保型水稻秸稈纖維地膜的抄造工藝以及成本等因素，工藝參數優化組合為：打漿度31°～48°、混合比45%～50%、松香質量分數1.2%、礬土質量分數6%、濕強劑質量分數2.0%。

圖4 工藝參數優化結果Fig.4 Optimized result of technology parameters

2.7 驗證試驗

按最優工藝結果，打漿度選取40°、混合比45%、松香質量分數1.2%、礬土質量分數6%、濕強劑質量分數2.0%制造地膜試樣，分別測定各項評價指標，取10 次平行驗證，干抗張力33.4 N、濕抗張力11.9 N、耐破度137 kPa，表明優化結果正確可信。

3 結論

1）各因素對干抗張力影響貢獻率排序為混合比、濕強劑質量分數、礬土質量分數、打漿度、松香質量分數；對濕抗張力影響貢獻率排序為混合比、濕強劑質量分數、礬土質量分數、打漿度、松香質量分數；對耐破度影響貢獻率排序為混合比、礬土質量分數、濕強劑質量分數、松香質量分數、打漿度。

2）當工藝參數優化組合為打漿度31°～48°、混合比45%～50%、松香質量分數1.2%、礬土質量分數6%、濕強劑質量分數2.0%時，低定量環保型水稻秸稈纖維地膜干抗張力≥32 N、濕抗張力≥12 N、耐破度≥100 kPa，可滿足地膜田間覆蓋的機械性能要求。以水稻秸稈為原料制造低定量環保型可降解纖維地膜是切實可行的。

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