新型可降解農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70年代末，我國引進了農用塑料薄膜覆蓋技術，大大促進了我國的農業(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，農業(yè)上的大量使用使得土壤環(huán)境惡化，對生態(tài)造成了非常嚴重的損害。為了增加農業(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。可降解地膜可以在土壤中自然降解，既可以利用自然資源，減少土壤污染，又能促進農業(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)成為國內外研究的熱點。本研究選擇的非織造農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，蠶絲為天然蛋白質纖維，均可自然降解，同時降解產(chǎn)生的纖維素和絲蛋白對土壤有增肥作用。通過控制不同的原料配比和熱軋溫度制成共12組樣品，測試其對地膜強力、保暖性、降解性的影響，并與塑料地膜進行對比，分析各項性能的影響因素和可行性。本研究以增加農業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性為目標，為天然纖維在農用地膜上的應用和選擇提供方向，為新型可降解農用非織造地膜的生產(chǎn)提供參考。

1 試驗方案設計

1.1 工藝流程

原料準備—纖維的開松與混合—梳理成網(wǎng)和機械鋪網(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 試驗儀器

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

1.4 試驗材料及制備

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

1.5 試驗操作說明

拉伸斷裂強力試驗先進行預調濕，再調整上下夾鉗之間的隔距，夾裝試樣開始測試。

保溫性試驗先進行空板試驗，再將地膜覆蓋在試驗板上進行有樣試驗。

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

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

式中：

D

——材料的質量損失率，%；

M

——材料的初始質量，g；

M

——材料的剩余質量，g。

2 結果與分析

2.1 斷裂強力分析

測試12組材料的斷裂強力，結果數(shù)據(jù)見表2。

表2 塑料地膜與各組材料的縱橫向強力

從表2可以看出，隨著苧麻配比的減少、廢蠶絲配比的增加，地膜的斷裂強力逐漸減少。因為苧麻纖維的強度比廢蠶絲高，而且當廢蠶絲配比增加后，廢蠶絲與苧麻纖維很難交纏在一起，僅有小部分纏結的蠶絲能用于增加斷裂強度。所以隨著苧麻配比的減少、廢蠶絲配比的增加，地膜的斷裂強力變小。

其余條件一定時，熱軋溫度升高，地膜斷裂強力逐漸增大。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，所以纖維之間結合得更為緊密，地膜變得更加緊實。

通過與塑料地膜進行對比可知，本文所制得的可降解地膜的拉伸斷裂強力比塑料地膜大，能夠滿足農用地膜需求。

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。因為蠶絲具有多孔隙纖維結構，其內部有超過38%的部分是空心的，在這些空隙中能存儲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部細胞壁較厚，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，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，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℃時的地膜試樣1～4，與塑料地膜進一步進行土壤保溫性試驗，測試數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同地膜的土壤增溫數(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的溫室效應。熱軋溫度為130℃時，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，滿足農用地膜需求。

2.4 降解性數(shù)據(jù)分析

2.4.1 紅外測試結果分析

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伸縮振動峰在2900cm處消失，這說明分子間氫鍵等次價鍵斷裂，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多肽鏈中的酰胺等基團結構特征所產(chǎn)生的不同振動波帶在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伸縮振動吸收峰和1280cm處的C—N伸縮振動吸收峰減弱，這說明降解后大分子鍵斷裂，分子間的作用力減弱。

2.4.2 試樣質量損失率(D)分析

測試降解后12組材料的質量損失，獲得的數(shù)據(jù)顯示在表5中。

表5 各組試樣質量損失率 %

從表5可以看出，隨著苧麻配比的減少、廢蠶絲配比的增加，質量損失率逐漸減小，即降解性變差。主要原因為苧麻是纖維素纖維，而蠶絲是蛋白質纖維，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，熱軋溫度升高，地膜的質量損失率變小。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，導致質量損失率減少，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，對環(huán)境產(chǎn)生巨大危害。

3 結論

本研究探討了不同工藝性能對新型可降解農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，對各組地膜的斷裂強力、保溫性、降解性進行進一步測試，分析各項性能的影響因素，并與塑料地膜進行對比得出以下結論：

（1）熱軋溫度一定時，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，而斷裂強力、降解性變差。

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

（3）苧麻/廢蠶絲/棉纖維地膜的斷裂強力、降解性優(yōu)于塑料地膜，而保溫性能較差于塑料地膜。當纖維配比一定、熱軋溫度為130℃時，保溫性、降解性最優(yōu)，斷裂強力最小。而斷裂強力的最小值也大于塑料地膜，滿足農用地膜需求。當熱軋溫度一定、苧麻配比最多、廢蠶絲配比最少時，斷裂強力、降解性最優(yōu)，保溫性最低。通過土壤保溫性試驗可得，熱軋溫度130℃時，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，滿足農用地膜需求。

（4）在綜合可行性、實用性、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℃。