木屑/粘胶纤维湿法非织造地膜的研制

张晓丽， 武 恒， 王传贵

(1. 安徽农业大学 轻纺工程与艺术学院， 安徽 合肥 230036； 2. 安徽农业大学 林学与园林学院， 安徽 合肥 230036)



木屑/粘胶纤维湿法非织造地膜的研制

张晓丽1， 武 恒2， 王传贵2

(1. 安徽农业大学 轻纺工程与艺术学院， 安徽 合肥 230036； 2. 安徽农业大学 林学与园林学院， 安徽 合肥 230036)

为改善土壤环境，减少塑料地膜造成的白色污染，采用湿法成网制备以造纸木屑和粘胶短纤为原料的农用非织造地膜。对非织造地膜的外观形貌和表面结构进行表征，并对其力学性能、渗水性、降解性、透光性进行测试。结果表明：通过调节面密度、纤维混纺比及黏合剂浓度可制得性能良好的非织造地膜；结合40 d土埋试验后，非织造地膜的降解率达到70%以上。通过湿法成网制得的地膜具备优良通透性，可有效改善作物生长环境。

木屑； 粘胶纤维； 非织造地膜； 湿法成网

普通农膜来源于从石油中提炼并合成的高分子化合物，这些物质的分子结构十分稳定，在自然条件下很难自行生物降解或者光降解[1]。塑料地膜的碎片残存在土壤里，严重破坏土壤结构，造成土壤板结，使通透性能差，地力下降，影响作物生长发育和产量。国内外有很多专家致力于可降解地膜的研制[2-3]。日本研制出不同用途的非织造地膜，但由于价格偏贵，使用较少。本文利用工业废弃的木屑和纺织厂的废弃粘胶短纤维经过除杂、漂白、与粘胶短绒按比例混合、制浆、抄造、以液体石蜡进行一浸一轧处理再通过胶液PVA溶液的涂布提高其强力，从而实现可降解地膜的制备。国内有很多机构利用天然废弃植物纤维如麻、棉、甘蔗渣等研制纸地膜，利用废弃木屑和粘胶等纤维制成农用薄膜，可代替常规高分子农用薄膜使用总量的9%左右，这些纤维在使用过程中可完全自然降解，不污染环境，同时变废为宝，有效地利用了资源。对提高农产品深加工技术和资源回收利用，弥补资源不足以及消除“白色污染”具有积极的作用[4-5]。

湿法成网制造工艺简单方便，成本低，选用地下土埋法通过计算失重率来测试农用地膜的降解周期[6]。采用抄纸法是生产自然降解农用地膜的最佳工艺路线，可满足农用地膜的大部分物理机械性能，并可在短时间内完全降解。

1 材料与方法

1.1 材 料

棉纺厂废弃的粘胶短绒(长8～13 mm，线密度1.1～1.4 dtex)，造纸木屑(长2～5 mm)。聚乙烯醇(PVA)、分散剂聚丙烯酰胺、NaOH(分析纯AR)、30%H2O2(分析纯AR)、液体石蜡、普通PE膜。

1.2 仪 器

自制抄纸器(125目锦纶网)，HH-S恒温水浴锅(常州普天仪器制造有限公司)，YTH-4A测厚仪(杭州研特科技有限公司)，YG(B)026D-250型电子织物强力机(温州大荣纺织标准仪器厂)，GZX-GFC.101-3-S电热恒温鼓风干燥箱(上海博泰)，DHG-9240电热恒温鼓风干燥箱，YG825E数字式织物渗水性测试仪(宁波纺织仪器厂)，JA3003N电子天平(上海精科天美科学仪器有限公司)，UV/V-16/18型紫外/可见分光光度计(上海美谱达仪器有限公司)，Nicolette 50傅里叶红外光谱仪(美国赛默尔飞世尔公司)，SEMXL-20型扫描电子显微镜(荷兰Philips公司)等。

1.3 试验方法

1.3.1 木屑的漂白

木屑在锦纶网上筛去细末除去较粗大的颗粒，按1∶3的料液比投放到置于50 ℃恒温水浴锅中的烧杯或电炉上的蒸煮锅中进行漂白。漂白配方：H2O2，NaOH混合溶液(pH=10.5～11)，50 ℃蒸煮30 min，漂白中不停搅拌，直至显浅黄色或白色即可[7]。漂白后充分水洗，80 ℃电热恒温鼓风干燥箱中烘干待用。粘胶短纤与木屑经洗净烘干后，加入蒸馏水、分散剂聚丙烯酰胺不断搅拌，形成均匀的悬浮液，以备后续打浆和抄造。

1.3.2 正交试验设计

选用面密度、木屑和粘胶纤维的混合比例、PVA溶液的质量分数三因素，设计正交试验，如表1所示。

1.3.3 工艺流程

在室温25 ℃，相对湿度为40%～60%环境下：

表1 正交试验因素水平表

原料准备(经人工除杂的粘胶短纤和木屑)→木屑漂白→打浆→抄纸(自制锦纶网抄纸器)→脱水→烘干→浸渍液体石蜡→施胶→烘干→卷纸[8]。

1.3.4 性能测试

参照GB/T 6672—2001《塑料薄膜和薄片厚度测定》中的机械测试法测试地膜厚度， 参照FZ/T 60005—1991《非织造布断裂强力及断裂伸长的测定》测地膜断裂强力，在YG(B)026D-250型电子织物强力机上测试。依据GB/T4744—1997《纺织织物 抗渗水性测定 静水压试验》在YG825E型渗水性测试仪上测渗水性,透光性采用紫外可见分光光度计测试，依据GB/T 2410—2008《透明塑料透光率和雾度的测定》，检测波长为400～750 nm[9]。

室外土壤表层下10 cm处的土样，计算出土壤的含水率晴天为15.7%，阴雨天为21.3%，按式(1)计算。

(1)

式中：W为土壤含水率；G1为新鲜土样质量；G2为烘干后土样质量。

埋土前降解期间自然条件及光照作用基本相同，土壤相对湿度保持在60%左右，土壤pH值为6.0～7.0，大气昼夜温度为10～20 ℃。降解率按公式(2)计算。

(2)

式中：P为降解率；W1为降解前质量；W2为降解后质量。

形貌分析采用傅里叶红外光谱显微ATR-FTIR分析，并在扫描电子显微镜下观察其微观结构，对比降解前后的差异[10-11]。

2 试验部分

2.1 正交试验

正交试验结果如表2所示，面密度和PVA质量分数对地膜的强力和渗水压影响最大，粘胶纤维和木屑的投料比例其次，面密度越大地膜的强力越大，由于粘胶纤维和木屑的长度和成分接近，故两者比例对地膜的强力影响不大。面密度对地膜的渗水压影响最大，面密度越大，地膜渗水压越大，即抗沾水性越好，保温性越好[12]。粘胶纤维和木屑投料比例以及PVA溶液质量分数对地膜的渗水性影响明显远远小于面密度的影响。木屑地膜在400 nm处透光率受面密度影响最大，可见地膜越薄越透光，粘胶纤维含量增加时，能显著增加地膜的透光性，因为粘

胶纤维属再生纤维，具有一定的透明度，可折射光线，PVA质量分数对地膜的透光性影响较小。综合其他两项性能分析，各因素对木屑地膜各指标的影响次序为：强力：C3>A3>B3，渗水压：A3>C2>B3，透光率：A1>B3>C2。平衡各因素条件得出最优工艺为A3B3C2。因此确定地膜制备最佳工艺条件为：面密度60 g/m2，粘胶纤维与木屑投料比2∶1，PVA质量分数3%。此条件下测得地膜断裂强力27 N，渗水压69 Pa，透光率63%。

表2 正交试验结果

2.2 地膜的降解性

最优工艺制备地膜可见光透光率如图1所示。PE膜在各个波长段的透光性能均优于非织造地膜，但非织造地膜也能满足一定的透光性要求，不同材料在相同波长范围内透光性不同，不同波长范围内同一种材料透光率差异较大。木屑非织造地膜成分是以纤维素、半纤维素和木质素为主，还含有少量的蜡质、黏合剂、杂质等，造成地膜在不同波长范围的透光性差异较大，可见光透光率高达63%。

图1 木屑地膜和PE膜的透光率曲线Fig.1 Transmittance curve of saw dust film and PE film

图2 木屑地膜降解率随时间的变化Fig.2 Degradation rate-time graph of saw dust film

木屑地膜经土埋后的失重率变化体现其具有一定的降解性[12]。图2示出地膜经土埋后降解率变化，开始曲线的斜率较小，降解缓慢；随着时间的延长，降解加速，降解率迅速上升；经过40 d土埋后降解率达70%以上。而普通PE膜在土壤中40 d后质量基本无变化，说明木屑地膜有良好的降解性能。

图3、4示出木屑地膜原样和土埋40 d后的扫描电镜图。可看出，地膜经过土埋40天比地膜原样表面纤维间空隙更为疏松,纤维内部空隙增多，失重率较高，由于纤维在降解过程中，纤维吸收土壤中的水分膨胀表面吸附了土壤中大量微生物和土壤颗粒, 纤维大分子被大量的细菌和霉菌等微生物分解[13-14]。纤维素和木质素都发生了自然降解，随着土埋时间的延长,内部纤维素结构变得越来越蓬松,微生物和土壤颗粒不断进入,地膜强度降低直至破裂成碎片,最后完全降解。

图3 木屑地膜原样扫描电镜图Fig.3 SEM images of saw dust film

图4 木屑地膜经土埋40 d后扫描电镜图Fig.4 SEM images of saw dust film after soil buried 40 days

图5示出土埋前后地膜的红外谱图。可看出：土埋前后非织造地膜的伸缩振动吸收峰大体相同，在土埋40 d后，2 920 cm-1处C—H伸缩振动减弱，1 510 cm-1处和1 595 cm-1处由木质素引起苯环骨架伸缩振动减弱，1 460 cm-1处表征木质素中CH2形变振动吸收峰减弱，说明地膜中木质素含量降低；1 375 cm-1处表征纤维素、半纤维素C—H伸缩振动的吸收峰减弱，1 161 cm-1处表征纤维素、半纤维素上醚键C—O—C伸缩振动的吸收峰减弱，表明地膜成分中半纤维素和纤维素被降解[15]。

图5 非织造地膜土埋前后的红外光谱图Fig.5 ATR-FTIR spectra of untreated and soil buried nonwoven film

3 结 论

1)由正交试验结果综合分析，得出制备木屑/粘胶非织造地膜的最佳工艺为：面密度60 g/m2，粘胶纤维与木屑投料比2∶1，PVA质量分数3%。

2)最优工艺条件下，木屑非织造地膜的强力27 N，渗水压69 Pa，经液体石蜡和PVA浸渍处理后的地膜透光性能得到改善，在可见光范围内，其透光率保持在63%左右，基本达到普通农用地膜的强度要求。

3)木屑地膜小样在经过土埋40 d后，降解率达到了74%，扫描电镜和红外光谱观察显示，非织造地膜在一定时间内可充分降解。

FZXB

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Preparation of nonwoven mulch film from saw dust and viscose by wet laying

ZHANG Xiaoli1, WU Heng2, WANG Chuangui2

(1.SchoolofLight-TextileEngineering&Art,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei,Anhui230036,China; 2.SchoolofForestry&LandscapeArchitecture,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei,Anhui230036,China)

In order to improve the soil environment and reduce the white pollution caused by plastic films, the agricultural nonwoven films were prepared from paper-making saw dust and viscose fiber by wet laying. The morphology and surface structure of the nonwoven film were characterized. The mechanical properties, water permeability, degradability and light transmittance of the films were tested. Results show that the agricultural nonwoven film with good performance can be prepared by adjusting the surface density, fiber blended ratio and nonwoven binder concentration. The degradation rate of nonwoven film reached above 70% after 40 d soil burial test. The mulch films prepared by wet laying have excellent permeability, which can effectively improve the crop′s growth environment.

saw dust; viscose fiber; nonwoven mulch film; wet laying

10.13475/j.fzxb.20140805305

2014-08-26

2015-04-09

“十二五”国家科技计划项目(2012BAD23B0205)；安徽农业大学学科骨干培育项目(2014XKPY-55)

张晓丽(1976—)，女，副教授，硕士。主要从事纺织材料功能化改性方面的研究。E-mail: iloaix@163.com。

TS 176.9

A