可降解黃麻/棉地膜的制備與性能研究

1. 東華大學紡織學院，上海 201620 2. 東華大學信息學院，上海 201620

近年來，塑料地膜因具有保溫保水、提高農作物產量等優良特性，得到了大面積使用，而塑料地膜的廣泛使用所帶來的環境污染問題也逐漸引起了人們的重視。塑料地膜使用后難以降解，容易在土壤中形成細小顆粒，造成土壤板結，長時間使用會影響農作物的生長[1-3]。

目前，利用植物纖維生產完全可降解的地膜已成為地膜發展的主要趨勢。我國具有豐富的麻類纖維資源，麻地膜具有很好的保溫、保濕和促進農作物生長發育的作用，而且在自然條件下可以降解，不會對環境造成污染，降解后的麻地膜還有改良培肥土壤的作用[4-5]。因此，利用麻纖維制備環保型可降解地膜對我國農業生產和環境保護都具有重要意義。

采用黃麻落麻纖維制備麻地膜可降低制備成本，減少環境污染。聚乙烯醇本身有良好的生物適應性，可以自然降解，經微生物降解后可以轉化為無機物，綠色環保無污染[6]。本文利用麻紡廠的黃麻落麻纖維作為制備麻地膜的主要原料，將其與棉纖維混合后梳理成纖網，再利用聚乙烯醇作為黏合劑將纖網固結成型得到黃麻/棉地膜，探究不同原料配比對黃麻/棉地膜的力學性能的影響，并對其透氣性、透濕性、彎曲剛度、光透過率進行測試和分析。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

選用黃麻落麻纖維(郴州湘南麻業有限公司)與棉纖維為原料，聚乙烯醇(PVA 1799)顆粒為黏合劑。黃麻落麻纖維的線密度為27.48 dtex(363.9公支)，斷裂強度為4.079 cN/dtex，斷裂伸長率為2.67%。

1.2 試驗儀器與設備

DK-S28電熱恒溫水浴鍋(上海森信試驗儀器有限公司)；XLB-400×400×2平板硫化機(上海齊才液壓機械有限公司)；AS181A梳棉機(上海紡織工學院機械工廠)；FA-1004電子天平(上海天平儀器廠)；YG141數字式織物厚度儀(南通宏大實驗儀器有限公司)；YG026MB-250多功能電子織物強力機(溫州方圓儀器有限公司)；YG461E全自動透氣性測試儀(溫州方圓儀器有限公司)；YG601H電腦式織物透濕儀(寧波紡織儀器廠)；LLY-01電子硬挺度儀(萊州市電子儀器有限公司)；UV-3600紫外可見近紅外分光光度計(日本島津公司)。

1.3 制備工藝

1.3.1 黏合劑的制備

稱取適量PVA顆粒，加入一定量的水，使PVA顆粒吸水膨脹，然后加溫溶解并不斷攪拌，制成質量分數為1.5%的黏合劑，待用。

1.3.2 黃麻/棉地膜的制備

將黃麻落麻纖維與棉纖維以90 ∶10、85 ∶15、80 ∶20、75 ∶25、70 ∶30的質量比(下文中的“原料質量比”均表示“黃麻 ∶棉”)混合開松后送入梳理機，梳理成網，得到不同面密度的纖維網。然后在硫化機上利用黏合劑將纖維網固化成型，制備黃麻/棉地膜。

1.4 性能測試

1.4.1 面密度測試

將黃麻/棉地膜裁剪成10 cm×10 cm的試樣，在標準大氣中調濕、稱重，通過計算得到黃麻/棉地膜的面密度。

1.4.2 厚度測試

根據GB/T 24218.2—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第2部分：厚度的測定》，測試黃麻/棉地膜的厚度。

1.4.3 斷裂強度測試

參照GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第3部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》，取試樣長度滿足隔距長度100.0 mm，測試黃麻/棉地膜的斷裂強度。

1.4.4 硬挺度測試

根據GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測定 第1部分：斜面法》，測試黃麻/棉地膜的抗彎剛度。

1.4.5 透氣性測試

根據GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，測試黃麻/棉地膜的透氣性。

1.4.6 透濕性測試

根據GB/T 12704.2—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第2部分：蒸發法》中的正杯法，測試黃麻/棉地膜的透濕率。

1.4.7 光透過率測試

選擇不同波段的光線照射黃麻/棉地膜，利用UV-3600紫外可見近紅外分光光度計，測試黃麻/棉地膜的透過率，波長范圍200～1 000 nm。

2 結果與討論

2.1 黃麻/棉地膜的斷裂強度

2.1.1 原料質量比的影響

選取模壓溫度為120 ℃、模壓壓力為5 MPa、黏合劑質量分數為3.50%，采用不同原料質量比(90 ∶10、85 ∶15、80 ∶20、75 ∶25、70 ∶30)，制備面密度為40 g/m2的黃麻/棉地膜，其強伸曲線如圖1所示。

圖1 不同原料質量比的黃麻/棉地膜的強伸曲線

由圖1可以看出，隨著棉纖維含量的逐漸增多，黃麻/棉地膜的斷裂強度呈上升趨勢。當棉纖維質量分數為25%、30%時，黃麻/棉地膜的斷裂強度分別為654、696 N/m。棉纖維細軟，它的可紡性好，與較粗硬的黃麻纖維混合，提高了梳理成網的均勻度，制成黃麻/棉地膜也較均勻，這有利于地膜斷裂強度的提升。當棉纖維含量達25%時，黃麻/棉地膜的斷裂強度增加幅度趨緩。此外，考慮到棉纖維的成本較黃麻落麻纖維高，因此選擇黃麻與棉的質量比為75 ∶25或80 ∶20進行后續試驗。

2.1.2 面密度的影響

選取原料質量比為80 ∶20、模壓溫度為120 ℃、模壓壓力為2 MPa、黏合劑質量分數(即PVA質量與黃麻/棉地膜質量的比值的百分數)為3.80%，制備不同面密度(45、50、55、60、65 g/m2)的黃麻/棉地膜，其強伸曲線如圖2所示。

圖2 不同面密度的黃麻/棉地膜的強伸曲線

由圖2可以看出，隨著黃麻/棉地膜的面密度增大，其斷裂強度逐漸增大。黃麻/棉地膜的面密度為65 g/m2時，其斷裂強度達744 N/m。隨著黃麻/棉地膜的面密度增加，纖維在纖維網中分布均勻，纖維之間發生相互作用的機會增加且作用力增強，因此黃麻/棉地膜的斷裂強度提高。

2.1.3 模壓溫度的影響

選取原料質量比為80 ∶20、面密度為40 g/m2、模壓壓力為2 MPa、黏合劑質量分數為3.50%，采用不同模壓溫度(110、120、130、140、150 ℃)制備黃麻/棉地膜，其強伸曲線如圖3所示。

圖3 不同模壓溫度下黃麻/棉地膜的強伸曲線

由圖3可以看出，模壓溫度為110 ℃時，黃麻/棉地膜的斷裂強度較低；隨著模壓溫度逐漸升高，黃麻/棉地膜的斷裂強度逐漸增大；但在高溫作用下，黃麻落麻纖維的強度受損，黃麻/棉地膜的斷裂強度呈下降趨勢。模壓溫度為130 ℃時，黃麻/棉地膜的斷裂強度最高。

2.1.4 模壓壓力的影響

選取原料質量比為80 ∶20、面密度為40 g/m2、模壓溫度為130 ℃、黏合劑質量分數為4.50%，采用不同模壓壓力(1、2、3、4、5 MPa)制備黃麻/棉地膜，其強伸曲線如圖4所示。

圖4 不同模壓壓力下黃麻/棉地膜的強伸曲線

由圖4可以看出，模壓壓力為1 MPa時，黃麻/棉地膜的斷裂強度較低，隨著模壓壓力逐漸提高，黃麻/棉地膜的斷裂強度逐漸增長，但增長速度較緩慢，這表明模壓壓力對黃麻/棉地膜的斷裂強度的影響不顯著。

2.1.5 黏合劑質量分數的影響

選取原料質量比為80 ∶20、面密度為40 g/m2、模壓溫度為130 ℃、模壓壓力為4 MPa，采用不同黏合劑質量分數(2.95%、3.78%、4.81%、5.89%、8.17%)制備黃麻/棉地膜，其強伸曲線如圖5所示。

由圖5可知，當黏合劑質量分數較低時，黃麻/棉地膜的斷裂強度較低；隨著黏合劑質量分數逐漸增加，黃麻/棉地膜的斷裂強度逐漸提高，黏合劑質量分數為5.89%時黃麻/棉地膜的斷裂強度最大，這是因為黏合劑質量分數增大使得纖維與黏合劑之間的作用增強；之后，繼續增加黏合劑質量分數，黃麻/棉地膜的斷裂強度不再增大而呈現下降趨勢。

圖5 不同黏合劑質量分數下黃麻/棉地膜的強伸曲線

2.2 黃麻/棉地膜的彎曲剛度

地膜在使用過程中需要一定的柔軟性、貼伏性，以保證地膜與地面有良好的接觸，避免地膜由于風的作用而遭受破壞。目前市場上的麻地膜的彎曲剛度較大，不夠柔軟。因此，對黃麻/棉地膜的彎曲剛度進行測量，用以表征地膜在使用過程中貼伏地面的性能。選取原料質量比為70 ∶30、面密度為40 g/m2、模壓溫度為130 ℃、模壓壓力為4 MPa、黏合劑質量分數為4.50%，制備黃麻/棉地膜，測試其彎曲剛度及其變異系數，并與市售麻地膜比較(表1)。

表1 黃麻/棉地膜與市售麻地膜的彎曲剛度及其變異系數

由表1可知，黃麻落麻纖維本身較粗硬，因此黃麻/棉地膜的彎曲剛度較大，地膜鋪設時應盡可能地使其與地面貼伏。

2.3 黃麻/棉地膜的透氣透濕性

2.3.1透氣性

選擇面密度為40 g/m2、模壓溫度為110 ℃、模壓壓力為5 MPa，采用不同原料質量比(90 ∶10、85 ∶15、80 ∶20、75 ∶25、70 ∶30)制備黃麻/棉地膜，其透氣率見表2。

表2 不同原料質量比下黃麻/棉地膜的透氣率

由表2可知，黃麻/棉地膜的透氣率在1 987.06～3 385.04 mm/s，隨著黃麻含量減少(即棉纖維含量提高)，黃麻/棉地膜的透氣率逐漸下降，原料質量比為70 ∶30時黃麻/棉地膜的透氣率最低(1 987.06 mm/s)。這主要是由于黃麻落麻纖維的剛性較大而棉纖維較細軟，黃麻/棉地膜中的棉纖維含量越多，黃麻/棉地膜的結構越致密，其透氣率越小，這有利于地膜在冬季使用時的保溫效果；同時，由于黃麻/棉地膜的透氣率遠大于塑料地膜，可避免在夏季由于地膜覆蓋導致溫度過高而發生燒苗現象。總體而言，黃麻/棉地膜的透氣率應選取較小的值，因此可選擇原料質量比為70 ∶30～80 ∶20。

2.3.2 透濕性

選取面密度為40 g/m2、模壓溫度為120 ℃、模壓壓力為5 MPa，采用不同原料質量比(90 ∶10、85 ∶15、80 ∶20、75 ∶25、70 ∶30)制備黃麻/棉地膜，其透濕率如圖6所示。

圖6 不同原料質量比下黃麻/棉地膜的透濕率

地膜的透濕率低，即保濕性好，有利于作物生長。由圖6可見，黃麻/棉地膜的透濕率隨著黃麻落麻纖維含量增加呈先減小后增大的趨勢，但變化幅度不大。原料質量比為75 ∶25時黃麻/棉地膜的透濕率最低，其次是原料質量比為80 ∶20時。

2.4 黃麻/棉地膜的光透過率

不同的植物對光的吸收光譜基本相同，主要集中在波長為400～460 nm的藍紫光和波長為600～700 nm的紅橙光。這兩種波段的光如同植物所需的兩種“光肥”，藍紫光可促進植物的根、莖、葉子的生長，紅橙光可為葉綠素提供養分。圖7所示為黃麻/棉地膜(原料質量比為80 ∶20、面密度為40 g/m2、模壓溫度為130 ℃、模壓壓力為4 MPa、黏合劑質量分數為5.89%)的光透過率，可以看到，在波長為400～460 nm的藍紫光波段，黃麻/棉地膜的光透過率為48%；在波長為600～700 nm的紅橙光波段，黃麻/棉地膜的光透過率為62%。這與文獻[7]中地膜的光透過率接近，說明本試驗制備的黃麻/棉地膜不會影響農作物的正常生長，可用于農作物的栽培與覆蓋。

圖7 黃麻/棉地膜的光透過率

3 結論

黃麻落麻纖維和PVA都是可生物降解的環境友好型材料，可自然降解，將它們用于制備地膜，對我國農業的可持續發展具有重要意義。本文采用可生物降解的黃麻落麻纖維與棉纖維混合梳理成纖維網，再采用PVA作為黏合劑將纖維網固化成型制備黃麻/棉地膜，分析了不同工藝條件下制備的黃麻/棉地膜的強伸曲線，并測試了黃麻/棉地膜的彎曲剛度、透氣率、透濕率、光透過率等指標。

(1) 當黃麻與棉的質量比為80 ∶20、面密度為40 g/m2、模壓溫度為130 ℃、模壓壓力為4 MPa、黏合劑質量分數為5.89%時，制備的黃麻/棉地膜的斷裂強度最高，達到946 N/m。在其他工藝條件一定的情況下，隨著面密度增加，黃麻/棉地膜的斷裂強度增大。模壓壓力對黃麻/棉地膜的斷裂強度的影響不顯著。

(2) 黃麻/棉地膜的彎曲剛度較大，具有良好的透氣透濕性能，其透氣率在1 987.06～3 385.04 mm/s、透濕率在87.99～103.18 g/(m2·h)，而且光透過率可以滿足農作物的生長需求。

(3) 綜合斷裂強度、彎曲剛度、透氣率、透濕率、光透過率等指標，得到黃麻/棉地膜的較佳工藝條件：黃麻與棉的質量比為80 ∶20、面密度為40 g/m2、模壓溫度為130 ℃、模壓壓力為4MPa、黏合劑質量分數為5.89%。