可降解機(jī)械竹漿地膜紙研究

張 斌 王 幸 夏新興，* 童樹(shù)華 孟 育 華飛果

（1.浙江理工大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，浙江杭州，310018；2.浙江華邦特種紙有限公司，浙江衢州，324400；3.浙江金昌特種紙股份有限公司，浙江衢州，324400）

長(zhǎng)期以來(lái)，塑料地膜的使用對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[1-2]，因此，以纖維素基材料制備可降解的地膜，成為了地膜發(fā)展的一種重要方向。竹材資源作為一種可再生資源，其生長(zhǎng)周期短、可再生性好、強(qiáng)度和回彈性高，被各行業(yè)廣泛使用[3-4]。竹材纖維的纖維素含量高[5-7]，纖維細(xì)長(zhǎng)，表現(xiàn)出良好的制漿性能。因此以竹材資源為原料制備可降解地膜紙來(lái)代替塑料地膜成為一種可能。傳統(tǒng)竹漿制備方法以化學(xué)法或化學(xué)機(jī)械法為主[8]，化學(xué)試劑的添加雖然有效除去了竹漿中木素，增強(qiáng)竹漿性能，但同時(shí)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[9-10]，因此，以機(jī)械法制備機(jī)械竹漿、生產(chǎn)地膜紙具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

3~5 cm長(zhǎng)竹簽（毛竹，直徑2 mm）、漂白化學(xué)針葉木漿（以下簡(jiǎn)稱針葉木漿，打漿度為40°SR），均由浙江金昌特種紙股份有限公司提供。聚乙烯醇（PVA）纖維、淀粉、纖維素納米纖絲（CNF）、聚酰胺聚環(huán)氧氯丙烷（PAE）、烷基烯酮二聚體（AKD）由浙江金加浩綠色納米材料股份有限公司提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

IMT-CNMJ型高濃 磨漿 機(jī)、HK-MJ01型PFI磨漿機(jī)，東莞市英特耐森精密儀器有限公司。TD1-15型電熱蒸煮鍋，咸陽(yáng)通達(dá)輕工設(shè)備有限公司。S41523003型抄紙機(jī)、S401400001型壓榨機(jī)、S401400002型干燥機(jī)，瑞典伊洛夫漢森公司。Phe?nom pro型臺(tái)式掃描電子顯微鏡，復(fù)納科學(xué)儀器有限公司。

1.3 機(jī)械竹漿制備

將直徑2 mm的長(zhǎng)竹條剪短至3~5 cm，加入旋轉(zhuǎn)蒸煮鍋中，按照固液比1∶5加入水[11-12]，加熱1 h達(dá)溫度150℃，保溫2 h后取出，用高濃磨磨漿，磨盤(pán)壓力1.0 MPa，依次設(shè)置磨盤(pán)間距1.25 mm、1 mm、0.5 mm。3次磨漿后得到打漿度18°SR的機(jī)械竹漿。

1.4 地膜紙制備工藝

不同打漿度機(jī)械竹漿的制備：用PFI磨漿機(jī)對(duì)機(jī)械竹漿進(jìn)一步打漿處理，控制不同打漿時(shí)間制備打漿度為20、30、40、50、60°SR的機(jī)械竹漿。

地膜紙的制備：將機(jī)械竹漿與針葉木漿按一定質(zhì)量比混合制備100 g/m2的地膜紙，控制不同機(jī)械竹漿打漿度及纖維配比。添加絕干漿質(zhì)量比10% PVA纖維、1.5%淀粉后，再分別加入CNF、PAE及AKD，制備地膜紙。

1.5 地膜紙的降解性

將地膜紙埋入微生物環(huán)境相同的地下5 cm處，每隔一段時(shí)間取出，觀察地膜紙實(shí)際形貌的變化情況，并用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)地膜紙降解前后形貌進(jìn)行觀察。

1.6 地膜紙的實(shí)際應(yīng)用

表1為實(shí)際應(yīng)用機(jī)械竹漿地膜紙基本物理性能指標(biāo)，由浙江金昌特種紙股份有限公司提供。

表1 機(jī)械竹漿地膜紙的基本物理性能Table 1 Basic physical properties of mulch paper from mechanial bamboo pulp

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：龍游某蔬菜專業(yè)合作社；實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2021年3~4月；實(shí)驗(yàn)作物：辣椒、地瓜藤。

實(shí)驗(yàn)方法：對(duì)辣椒苗和地瓜藤兩種實(shí)驗(yàn)作物分別鋪設(shè)可降解竹地膜與塑料地膜，對(duì)成長(zhǎng)后的作物進(jìn)行對(duì)比，實(shí)際種植方式按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 機(jī)械竹漿纖維分析

圖1為自制機(jī)械竹漿（18°SR）的纖維分析圖。由圖1可知，機(jī)械竹漿的質(zhì)均纖維長(zhǎng)度為238 μm，主要分布在200~290 μm間，占比為96.0%；纖維平均寬度為14.8μm，主要分布在10~20μm間，纖維占比為87.3%。機(jī)械竹漿的細(xì)小纖維含量為6.1%。

圖1 機(jī)械竹漿的纖維分析Fig.1 Fiber analysis of mechanical bamboo pulp

2.2 地膜紙制備工藝研究

2.2.1 機(jī)械竹漿打漿度對(duì)地膜紙機(jī)械強(qiáng)度影響

圖2為機(jī)械竹漿打漿度對(duì)地膜紙抗張強(qiáng)度及撕裂度的影響，在機(jī)械竹漿與針葉木漿質(zhì)量比為50∶50時(shí)，地膜紙抗張強(qiáng)度隨機(jī)械竹漿打漿度的增加先迅速增加后緩慢增加；地膜紙撕裂度則隨機(jī)械竹漿打漿度的增加先增后減。機(jī)械竹漿打漿度為20°SR時(shí)，地膜紙抗張強(qiáng)度為0.87 kN/m，撕裂度為540 mN。機(jī)械竹漿打漿度提高至40°SR時(shí)，地膜紙抗張強(qiáng)度為2.03 kN/m，撕裂度為620 mN。而當(dāng)機(jī)械竹漿打漿度為60°SR時(shí)，地膜紙抗張強(qiáng)度為2.20 kN/m，撕裂度為600 mN，撕裂度開(kāi)始降低，這主要是因?yàn)橛绊懰毫讯鹊淖畲笠蛩厥抢w維長(zhǎng)度，過(guò)度打漿會(huì)導(dǎo)致纖維被切斷，導(dǎo)致撕裂度下降。因此，綜合考慮，選擇機(jī)械竹漿打漿度為40°SR。

圖2 機(jī)械竹漿打漿度對(duì)地膜紙抗張強(qiáng)度及撕裂度的影響Fig.2 Effect of mechanical bamboo pulp beating degree on tensile strength and tearing degree of mulch paper

2.2.2 纖維配比對(duì)地膜紙機(jī)械強(qiáng)度影響

圖3為纖維配比對(duì)地膜紙抗張強(qiáng)度及撕裂度的影響，當(dāng)機(jī)械竹漿打漿度為40°SR時(shí)，隨著纖維配比中機(jī)械竹漿的增加，地膜紙抗張強(qiáng)度和撕裂度明顯降低，當(dāng)機(jī)械竹漿與針葉木漿質(zhì)量比為50∶50時(shí)，地膜紙抗張強(qiáng)度為2.03 kN/m，撕裂度為620 mN。當(dāng)機(jī)械竹漿與針葉木漿質(zhì)量比為80∶20時(shí)，地膜紙抗張強(qiáng)度為0.700 kN/m，撕裂度為290 mN，當(dāng)機(jī)械竹漿與針葉木漿質(zhì)量比增加到90∶10時(shí)，地膜紙抗張強(qiáng)度為0.450 kN/m，撕裂度僅200 mN，此時(shí)地膜紙的力學(xué)性能較差，紙張容易破損。綜合考慮，選擇機(jī)械竹漿與針葉木漿質(zhì)量比80∶20制備地膜紙。

圖3 纖維配比對(duì)地膜紙抗張強(qiáng)度及撕裂度的影響Fig.3 Effect of fiber ratio on tensile strength and tearing degree of mulch paper

2.2.3 CNF對(duì)地膜紙強(qiáng)度的影響

圖4為CNF添加量對(duì)地膜紙抗張強(qiáng)度及撕裂度的影響。由圖4可知，當(dāng)?shù)啬ぜ埮浞街屑尤?0%PVA纖維和1.5%淀粉后，漿內(nèi)繼續(xù)添加CNF可使地膜紙抗張強(qiáng)度和撕裂度進(jìn)一步提高。未添加CNF時(shí)，地膜紙的抗張強(qiáng)度為1.32 kN/m，撕裂度為580 mN。當(dāng)CNF添加量達(dá)到1.5%時(shí)，地膜紙的抗張強(qiáng)度為1.52 kN/m，撕裂度為650 mN，地膜紙達(dá)到較高的力學(xué)性能。綜合考慮，選擇CNF添加量為1.5%。

圖4 CNF對(duì)地膜紙抗張強(qiáng)度及撕裂度的影響Fig.4 Effect of CNF dosage on tensile strength and tearing degree of mulch paper

2.2.4 PAE對(duì)地膜紙干、濕抗張強(qiáng)度影響

圖5為PAE對(duì)地膜紙干、濕抗張強(qiáng)度的影響。由圖5可知，PAE的添加會(huì)使地膜紙的干、濕抗張強(qiáng)度都有提高，濕抗張強(qiáng)度隨PAE增加提高明顯，干抗張強(qiáng)度的增加比較緩慢。未添加PAE時(shí)，地膜紙濕強(qiáng)度為0，PAE添加量為0.5%時(shí)，地膜紙濕強(qiáng)度為0.420 kN/m，此時(shí)雖然有部分濕強(qiáng)度，但是強(qiáng)度太小，容易斷開(kāi)。而當(dāng)PAE添加量達(dá)1.0%時(shí)，地膜紙的濕強(qiáng)度達(dá)0.740 kN/m，干抗張強(qiáng)度從未添加的1.52 kN/m達(dá)到1.57 kN/m，此時(shí)地膜紙具有一定的使用性。

圖5 PAE對(duì)地膜紙的干、濕抗張強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of PAE on the wet and dry tensile strength of mulch paper

2.2.5 AKD對(duì)地膜紙防水性影響

圖6為AKD對(duì)地膜紙Cobb值的影響，圖7為AKD對(duì)地膜紙水接觸角的影響。從圖6可以看出，隨AKD添加量的增加，地膜紙的Cobb值明顯降低，當(dāng)AKD添加量大于0.15%后，地膜紙的Cobb值降低緩慢。當(dāng)未施膠時(shí)，地膜紙的Cobb值>200 g/m2。而當(dāng)AKD添加量達(dá)0.15%時(shí)，地膜紙Cobb值為27.7 g/m2，此時(shí)地膜紙有較好的抗水性。從圖7可以明顯看出，隨著AKD添加量的增加，地膜紙的接觸角逐漸變大，紙張表面越來(lái)越疏水。未添加AKD時(shí)，地膜紙表面接觸角為0，當(dāng)AKD添加量為0.15%時(shí)，地膜紙接觸角提高至112.95°，此時(shí)有較高的抗水性，繼續(xù)增加AKD的添加量，對(duì)地膜紙的抗水性增加作用不大，這是因?yàn)楫?dāng)添加量達(dá)0.15%時(shí)，地膜紙的羥基基本與AKD結(jié)合。

圖6 AKD對(duì)地膜紙Cobb值的影響Fig.6 Effect of AKD on the Cobb value of mulch paper

圖7 AKD對(duì)地膜紙水接觸角的影響Fig.7 Effect of AKD on water contact angle of mulch paper

2.3 地膜紙應(yīng)用

2.3.1 地膜紙的降解性能研究

圖8為埋在地下不同時(shí)間地膜降解過(guò)程照片，圖9為地膜紙降解前后SEM圖。從圖8可見(jiàn)，埋入地下7天后，紙面開(kāi)始出現(xiàn)菌斑，說(shuō)明土壤中細(xì)菌已經(jīng)對(duì)地膜紙進(jìn)行分解作用。隨時(shí)間進(jìn)一步增加，地膜紙進(jìn)一步降解破裂，破損嚴(yán)重。由圖9可見(jiàn)，降解前地膜紙表面有大量細(xì)長(zhǎng)纖維相互交織，而降解60天后的地膜紙中，纖維斷裂嚴(yán)重，纖維表面出現(xiàn)小片狀。

圖8 不同時(shí)間地膜紙降解過(guò)程照片F(xiàn)ig.8 Pictures of mulch paper degradation process at different times

圖9 地膜紙降解前后SEM圖（×200）Fig.9 SEM images of mulch paper before and after degradation(×200)

2.3.2 地膜紙?jiān)诶苯访缟L(zhǎng)中實(shí)際應(yīng)用

圖10為塑料地膜及機(jī)械竹漿地膜覆蓋對(duì)辣椒生長(zhǎng)的實(shí)物對(duì)比圖，圖11為不同地膜覆蓋對(duì)辣椒生長(zhǎng)的雜草抑制實(shí)物對(duì)比圖。由圖10、圖11可知，機(jī)械竹漿地膜紙覆蓋下的辣椒植株的莖稈更加粗壯，生長(zhǎng)情況比覆蓋塑料膜的辣椒更好，塑料地膜覆蓋下雜草數(shù)量較多，而可降解地膜覆蓋下幾乎沒(méi)有雜草。

圖10 不同地膜覆蓋對(duì)辣椒生長(zhǎng)的實(shí)物對(duì)比圖Fig.10 Comparison of pepper growth with different plastic film mulching

圖11 不同地膜覆蓋對(duì)辣椒生長(zhǎng)的雜草抑制實(shí)物對(duì)比圖Fig.11 Comparison of weed inhibition of pepper growth by different plastic film mulching

2.3.3 地膜紙?jiān)诘毓咸偕L(zhǎng)中實(shí)際應(yīng)用

圖12為不同地膜覆蓋對(duì)番薯藤生長(zhǎng)的實(shí)物對(duì)比圖，圖13為不同地膜覆蓋下番薯藤粗細(xì)對(duì)比實(shí)物圖。由圖12和圖13可見(jiàn)，使用機(jī)械竹漿地膜使番薯藤的莖稈更加粗壯。因此，可降解地膜能促進(jìn)番薯藤的生長(zhǎng)。

圖12 不同地膜覆蓋對(duì)番薯藤生長(zhǎng)的實(shí)物對(duì)比圖Fig.12 Comparison of the growth of sweet potato vines with dif?ferent plastic film mulching

圖13 不同地膜覆蓋下番薯藤粗細(xì)對(duì)比實(shí)物圖Fig.13 Comparison of the thickness of sweet potato vines under different plastic films

3 結(jié) 論

3.1 機(jī)械竹漿打漿度40°SR、機(jī)械竹漿與針葉木漿質(zhì)量比80∶20時(shí)，加入絕干漿質(zhì)量比為10%的PVA纖維、1.5%淀粉和1.5% CNF，100 g/m2機(jī)械竹漿地膜紙的抗張強(qiáng)度為1.52 kN/m，撕裂度為650 mN。

3.2 在地膜紙中添加1% PAE和0.15% AKD，地膜紙濕抗張強(qiáng)度為0.740 kN/m，Cobb值為27.7 g/m2，水接觸角為112.95°，地膜紙具有良好的濕強(qiáng)度與抗水性。

3.3 地膜紙具有良好降解性能，地膜紙埋入土壤中60天后，地膜紙破損嚴(yán)重，出現(xiàn)片狀小碎片。相較于塑料地膜，機(jī)械竹漿地膜紙可促進(jìn)辣椒及地瓜藤的生長(zhǎng)，并能有效抑制雜草。