無土栽培基質用紅麻/低熔點纖維材料的開發(fā)

王洪++張玟籍++康成文

摘要

本文通過非織造氣流成網(wǎng)和熱風加固技術，將紅麻纖維設計制備成一種用于無土栽培的種植基材，探究了纖維配比、纖網(wǎng)加固方法及其工藝參數(shù)對所得材料性能的影響規(guī)律，并進行了種植試驗驗證。研究發(fā)現(xiàn)，低熔點纖維與紅麻纖維按照8：2的配比成網(wǎng)及熱風加固后，所得材料的透氣性好，拉伸性能可以滿足卷裝要求，并具有非常好的種植效果。

關鍵詞：無土栽培；紅麻；低熔點纖維

1 引言

無土栽培可以有效解決植物在土壤中生長時遇到的根系水分、養(yǎng)分、肥料分布不均勻的問題，可以為大多數(shù)植物提供一個良好的生長環(huán)境，并具有節(jié)水、省肥、環(huán)境污染小及生產效率高等特點[1-4]。世界各國在無土栽培的應用方面主要體現(xiàn)在生產水果、蔬菜、花卉和草坪上。我國無土栽培的歷史悠久，養(yǎng)水仙、生豆芽等都是原始的無土栽培，但我國真正進行無土栽培技術的研究起步較晚。

無土栽培主要有水培、霧培和基質培等形式，基質是一種具有一定結構的生長介質，它能夠為植物的生長提供穩(wěn)定協(xié)調的氣、水、養(yǎng)分的環(huán)境。養(yǎng)分和水分能夠在基質中進行中轉和轉移，使植物有選擇性地吸收所需物質。合理選擇基質是無土栽培的重要環(huán)節(jié)，直接關系到植物能否正常生長。

非織造材料因具有特有的透氣、保濕、保形性、低成本等特點，在無土栽培基質領域的應用受到諸多商業(yè)人士和學者的青睞[5-6]。相比于傳統(tǒng)的土壤，非織造材料可以通過人工調節(jié)其中的肥料，使肥料維持在一個合適的濃度范圍，并且在非織造材料中分布均勻，不會出現(xiàn)偏肥的現(xiàn)象。非織造材料具有良好的透氣性、孔隙率大、保水性好，對于植物根莖的生長十分有利，并且非織造材料具有較高的伸長率，在卷裝和轉移過程中不容易損壞。另外，非制作成本低廉，可以更換，相比于土壤的維護與養(yǎng)分水分等檢測與控制，無疑大大降低了成本[2]。

紅麻是錦葵科木槿屬植物，為一年生草本韌皮纖維作物，其韌皮纖維可用作紡織品、建筑材料等。紅麻纖維比較粗糙、可紡性差、支數(shù)低，一般只用于粗支稀織。如果將紅麻用作無土栽培基質，不僅對植物的生長頗有好處，而且綠色可降解，在公路綠化、屋頂綠化、花卉蔬菜的種植等方面都能得到良好的應用。

對于無土栽培基質的性能而言，重要的是纖網(wǎng)所能提供的氣體環(huán)境和根系生長空間，也就是說產品在滿足力學性能的同時，要具有足夠高的透氣性。非織造成形工藝技術可以將纖維材料制成蓬松透氣材料。因此，本文采用將紅麻纖維處理成一定的長度和細度，再采用非織造成網(wǎng)和加固工藝，將其成形為無土栽培基質材料的技術方案。其中，針刺加固工藝具有纖維適應性廣、產品厚度較大等優(yōu)點。熱風加固是在烘箱中利用熱空氣穿透纖網(wǎng)，使纖網(wǎng)中的熱熔纖維熔融加固的粘合方法。熱風粘合因采用熱空氣流動對纖網(wǎng)進行加熱，產品具有良好的蓬松度。由于紅麻纖維本身不具有熱熔粘合性，本文通過在紅麻纖維中混入低熔點化學纖維的方法，將紅麻纖維粘合在一起。再對比分析兩種加固方法的可行性，并通過種植試驗，驗證所得材料作為無土栽培種植基質的可行性。

2 樣品制備及性能測試

2.1 樣品制備

采用聚乙烯/聚丙烯皮芯型雙組分纖維為低熔點纖維，皮層熔點145℃。紅麻纖維的細度為52μm。

采用型號為BG218A-100的雙道夫雜亂梳理機進行開松梳理，使塊狀的低熔點纖維變成平行伸直的束纖維。采用型號為FZQ-1200的開松機對紅麻纖維進行開松。然后將兩者按比例手工混合，進入型號為FZQ-1200的氣流成網(wǎng)機進行氣流成網(wǎng)。再將得到的纖維網(wǎng)分別進行針刺加固和烘箱熱風加固。

2.2 性能測試方法

使用織物厚度儀（YG141N），按照標準GB/T 3820—1997，測試樣品厚度。

使用全自動透氣儀（YG461H），按照標準GB/T 5453—1997進行樣品透氣性測試，測試壓力100Pa，測試面積20cm2。

采用多功能電子織物強力機（HD026N-300），參照GB/T 3923.1—1997進行拉伸力學性能測試，樣品規(guī)格300mm×50mm，隔距200mm，拉伸速度100mm/min。

3 結果分析與討論

3.1 紅麻/低熔點纖維網(wǎng)加固工藝探索

首先采用針刺和熱風粘合兩種非織造加固工藝對紅麻/低熔點纖維網(wǎng)進行加固預試驗。所得樣品如圖1所示。

從圖1可以看出，采用針刺加固工藝所得材料的厚度小，樣品致密，并且樣品中還殘留若干斷針。因此，從無土栽培基質的蓬松性要求來說，針刺非織造材料過于致密，無法給植物根系生長提供足夠的空間，也很難大規(guī)模量產。相比于針刺加固樣品，熱風粘合加固的樣品具有更好的蓬松性、透氣效果好。所以，將樣品的加固工藝確定為氣流成網(wǎng)后熱風粘合加固的技術路線。

（a）針刺加固 （b）熱風加固（紅麻：ES纖維=7：3）

圖1 針刺和熱風加固紅麻/低熔點纖維材料樣品

3.2 低熔點纖維含量對所得材料性能的影響

雙組分低熔點纖維的價格比紅麻纖維要高，并且兩種纖維的配比對產品性能也會有影響，特別是力學性能和降解性能。所以，接下來需要對紅麻/低熔點纖維材料的最佳配比進行試驗研究。

將紅麻纖維與低熔點纖維分別開松后，按比例混合，然后氣流成網(wǎng)和熱風加固。熱風粘合加固的溫度為150℃，時間為7min。所得樣品如圖2所示。

從圖1和圖2可以看出，隨著低熔點纖維含量的減少，所得材料越來越呈現(xiàn)出紅麻纖維本身的顏色。圖2中兩種樣品中的低熔點纖維分布皆較為均勻，說明氣流成網(wǎng)較適合本產品的開發(fā)。進一步對三種材料進行面密度、厚度、透氣量和拉伸性能方面的分析測試，結果如表1所示。

（a）8：2 （b）8.5：1.5

圖2 不同混合比例的紅麻/低熔點纖維熱風加固非織造材料endprint

由于在試驗過程中很難控制樣品的面密度，制備的三種樣品的面密度有差別，但基本都屬于厚型非織造材料，可以做性能的對比分析。從表1可以看出，紅麻/低熔點纖維配比為8：2的樣品，其拉伸強力最高、透氣性較好。而當紅麻纖維與低熔點纖維的配比為7：3，所得樣品的拉伸強力較小。一般說來，低熔點熱熔纖維含量越高的熱風粘合非織造材料，其纖維之間的粘結點較多，強力應該更好。而在本文試驗中，可能是由于當?shù)腿埸c纖維含量較高時，造成了纖網(wǎng)中低熔點纖維的抱團，反而無法達到均勻分布，從而降低了整體材料的拉伸性能。從圖1（b）中也可以看到團塊狀的低熔點纖維。當紅麻纖維與低熔點纖維的配比為8.5：1.5時，由于整體纖維網(wǎng)中的熱熔纖維含量太低了，無法使纖網(wǎng)中的紅麻纖維有效粘合纏結，所以拉伸強力也較低。

目前市面上還沒有針對蓬松性非織造基質種植材料的相關產品標準，因此需要進行實際產業(yè)化應用方面的試驗和探究，基于實際應用情況建立樣品性能指標，并對其工業(yè)化生產的工藝參數(shù)給出意見。對于無土栽培草坪材料來說，特別是在斜坡上進行鋪裝時，由于草卷自身重量的作用，草卷會沿著斜坡自動下滾，使草卷受到拉扯。如果基質的拉伸強力不夠大，可能就會在鋪展過程中被扯斷。因此，對于用作斜坡鋪裝的草坪基質，需要建立其在鋪裝過程的受力模型。圖3為草卷基質在斜坡上的受力情況。

以紅麻/低熔點纖維8：2配比的熱風粘合非織造材料為例（其克重為276g/m2），進行卷裝模擬分析。假設斜坡的角度為30?，基質卷裝規(guī)格為1×X（m），其中X為基質長度，并假設草籽發(fā)芽后對基質增重為100%，則整個卷裝重量在G2方向上的力就是底部纖網(wǎng)受到的最大拉力，假設坡面光滑無摩擦，摩擦力f為0，則纖網(wǎng)受到的最大的拉力為F [216]：

F=Gsin30°

基質的重量為：

G=1×X×0.276kg×2×g

g=9.8N/kg

三式聯(lián)立，可得X=6.69m，則基質的最大卷裝長度為6.69m，此時基質受到的最大拉扯力為18N。

因此，當紅麻/ES纖維8：2混合時，所得材料用作斜坡草坪鋪裝時，其最大長度不能超過6.69m，否則基質在鋪裝過程中可能被扯斷。這也同時說明，要嚴格控制基質中的低熔點纖維含量，只有使材料達到一定的拉伸強力后，才可以用作斜坡鋪裝基質。

3.3 無土栽培種植試驗

對樣品的制作工藝及原料對樣品性能的影響研究后，對于其實際種植效果，還有待驗證。所以將紅麻纖維與低熔點纖維配比為8：2的樣品進行了無土栽培種植試驗。選取綠化草本植物中最常見的三角草，將其種子均勻播種在纖網(wǎng)內部，并添加少許營養(yǎng)液[7-8]。

圖4 種植試驗圖

如圖4所示，三角草在3天之后發(fā)芽，5天見綠，表示已經(jīng)可以進行卷裝轉移種植，種植試驗成功。

4 結論

本論文圍繞無土栽培對種植材料的要求和非織造材料成形工藝技術，設計了一款以紅麻和低熔點纖維為纖網(wǎng)主體的熱風粘合非織造種植材料，對其原料配比和成形工藝參數(shù)進行了研究，并對種植效果進行了試驗驗證。具體得到以下結論：

（1）當紅麻纖維與低熔點纖維的配比在8：2時，所制備的材料具有優(yōu)良的拉伸強力、伸長率、透氣量等綜合性能。通過草坪基質在斜坡上的受力分析，該配比下所得材料才能基本滿足斜坡草坪鋪裝要求。

（2）從種植試驗可以看出，本文采用氣流成網(wǎng)和熱風粘合加固得到的非織造材料用于無土栽培種植三角草時，具有非常好的效果。本文設計制備的新型紅麻/低熔點纖維材料，可作為無土栽培種植基質。

參考文獻：

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（作者單位：王洪、康成文，東華大學；張玟籍，上海眾偉生化有限公司）endprint