无土栽培基质用红麻/低熔点纤维材料的开发

2017-12-19王洪张玟籍康成文

中国纤检 2017年10期

王洪++张玟籍++康成文

摘要

本文通过非织造气流成网和热风加固技术，将红麻纤维设计制备成一种用于无土栽培的种植基材，探究了纤维配比、纤网加固方法及其工艺参数对所得材料性能的影响规律，并进行了种植试验验证。研究发现，低熔点纤维与红麻纤维按照8：2的配比成网及热风加固后，所得材料的透气性好，拉伸性能可以满足卷装要求，并具有非常好的种植效果。

关键词：无土栽培；红麻；低熔点纤维

1 引言

无土栽培可以有效解决植物在土壤中生长时遇到的根系水分、养分、肥料分布不均匀的问题，可以为大多数植物提供一个良好的生长环境，并具有节水、省肥、环境污染小及生产效率高等特点[1-4]。世界各国在无土栽培的应用方面主要体现在生产水果、蔬菜、花卉和草坪上。我国无土栽培的历史悠久，养水仙、生豆芽等都是原始的无土栽培，但我国真正进行无土栽培技术的研究起步较晚。

无土栽培主要有水培、雾培和基质培等形式，基质是一种具有一定结构的生长介质，它能够为植物的生长提供稳定协调的气、水、养分的环境。养分和水分能够在基质中进行中转和转移，使植物有选择性地吸收所需物质。合理选择基质是无土栽培的重要环节，直接关系到植物能否正常生长。

非织造材料因具有特有的透气、保湿、保形性、低成本等特点，在无土栽培基质领域的应用受到诸多商业人士和学者的青睐[5-6]。相比于传统的土壤，非织造材料可以通过人工调节其中的肥料，使肥料维持在一个合适的浓度范围，并且在非织造材料中分布均匀，不会出现偏肥的现象。非织造材料具有良好的透气性、孔隙率大、保水性好，对于植物根茎的生长十分有利，并且非织造材料具有较高的伸长率，在卷装和转移过程中不容易损坏。另外，非制作成本低廉，可以更换，相比于土壤的维护与养分水分等检测与控制，无疑大大降低了成本[2]。

红麻是锦葵科木槿属植物，为一年生草本韧皮纤维作物，其韧皮纤维可用作纺织品、建筑材料等。红麻纤维比较粗糙、可纺性差、支数低，一般只用于粗支稀织。如果将红麻用作无土栽培基质，不仅对植物的生长颇有好处，而且绿色可降解，在公路绿化、屋顶绿化、花卉蔬菜的种植等方面都能得到良好的应用。

对于无土栽培基质的性能而言，重要的是纤网所能提供的气体环境和根系生长空间，也就是说产品在满足力学性能的同时，要具有足够高的透气性。非织造成形工艺技术可以将纤维材料制成蓬松透气材料。因此，本文采用将红麻纤维处理成一定的长度和细度，再采用非织造成网和加固工艺，将其成形为无土栽培基质材料的技术方案。其中，针刺加固工艺具有纤维适应性广、产品厚度较大等优点。热风加固是在烘箱中利用热空气穿透纤网，使纤网中的热熔纤维熔融加固的粘合方法。热风粘合因采用热空气流动对纤网进行加热，产品具有良好的蓬松度。由于红麻纤维本身不具有热熔粘合性，本文通过在红麻纤维中混入低熔点化学纤维的方法，将红麻纤维粘合在一起。再对比分析两种加固方法的可行性，并通過种植试验，验证所得材料作为无土栽培种植基质的可行性。

2 样品制备及性能测试

2.1 样品制备

采用聚乙烯/聚丙烯皮芯型双组分纤维为低熔点纤维，皮层熔点145℃。红麻纤维的细度为52μm。

采用型号为BG218A-100的双道夫杂乱梳理机进行开松梳理，使块状的低熔点纤维变成平行伸直的束纤维。采用型号为FZQ-1200的开松机对红麻纤维进行开松。然后将两者按比例手工混合，进入型号为FZQ-1200的气流成网机进行气流成网。再将得到的纤维网分别进行针刺加固和烘箱热风加固。

2.2 性能测试方法

使用织物厚度仪（YG141N），按照标准GB/T 3820—1997，测试样品厚度。

使用全自动透气仪（YG461H），按照标准GB/T 5453—1997进行样品透气性测试，测试压力100Pa，测试面积20cm2。

采用多功能电子织物强力机（HD026N-300），参照GB/T 3923.1—1997进行拉伸力学性能测试，样品规格300mm×50mm，隔距200mm，拉伸速度100mm/min。

3 结果分析与讨论

3.1 红麻/低熔点纤维网加固工艺探索

首先采用针刺和热风粘合两种非织造加固工艺对红麻/低熔点纤维网进行加固预试验。所得样品如图1所示。

从图1可以看出，采用针刺加固工艺所得材料的厚度小，样品致密，并且样品中还残留若干断针。因此，从无土栽培基质的蓬松性要求来说，针刺非织造材料过于致密，无法给植物根系生长提供足够的空间，也很难大规模量产。相比于针刺加固样品，热风粘合加固的样品具有更好的蓬松性、透气效果好。所以，将样品的加固工艺确定为气流成网后热风粘合加固的技术路线。

（a）针刺加固（b）热风加固（红麻：ES纤维=7：3）

图1 针刺和热风加固红麻/低熔点纤维材料样品

3.2 低熔点纤维含量对所得材料性能的影响

双组分低熔点纤维的价格比红麻纤维要高，并且两种纤维的配比对产品性能也会有影响，特别是力学性能和降解性能。所以，接下来需要对红麻/低熔点纤维材料的最佳配比进行试验研究。

将红麻纤维与低熔点纤维分别开松后，按比例混合，然后气流成网和热风加固。热风粘合加固的温度为150℃，时间为7min。所得样品如图2所示。

从图1和图2可以看出，随着低熔点纤维含量的减少，所得材料越来越呈现出红麻纤维本身的颜色。图2中两种样品中的低熔点纤维分布皆较为均匀，说明气流成网较适合本产品的开发。进一步对三种材料进行面密度、厚度、透气量和拉伸性能方面的分析测试，结果如表1所示。

（a）8：2 （b）8.5：1.5

图2 不同混合比例的红麻/低熔点纤维热风加固非织造材料endprint

由于在试验过程中很难控制样品的面密度，制备的三种样品的面密度有差别，但基本都属于厚型非织造材料，可以做性能的对比分析。从表1可以看出，红麻/低熔点纤维配比为8：2的样品，其拉伸强力最高、透气性较好。而当红麻纤维与低熔点纤维的配比为7：3，所得样品的拉伸强力较小。一般说来，低熔点热熔纤维含量越高的热风粘合非织造材料，其纤维之间的粘结点较多，强力应该更好。而在本文试验中，可能是由于当低熔点纤维含量较高时，造成了纤网中低熔点纤维的抱团，反而无法达到均匀分布，从而降低了整体材料的拉伸性能。从图1（b）中也可以看到团块状的低熔点纤维。当红麻纤维与低熔点纤维的配比为8.5：1.5时，由于整体纤维网中的热熔纤维含量太低了，无法使纤网中的红麻纤维有效粘合缠结，所以拉伸强力也较低。

目前市面上还没有针对蓬松性非织造基质种植材料的相关产品标准，因此需要进行实际产业化应用方面的试验和探究，基于实际应用情况建立样品性能指标，并对其工业化生产的工艺参数给出意见。对于无土栽培草坪材料来说，特别是在斜坡上进行铺装时，由于草卷自身重量的作用，草卷会沿着斜坡自动下滚，使草卷受到拉扯。如果基质的拉伸强力不够大，可能就会在铺展过程中被扯断。因此，对于用作斜坡铺装的草坪基质，需要建立其在铺装过程的受力模型。图3为草卷基质在斜坡上的受力情况。

以红麻/低熔点纤维8：2配比的热风粘合非织造材料为例（其克重为276g/m2），进行卷装模拟分析。假设斜坡的角度为30?，基质卷装规格为1×X（m），其中X为基质长度，并假设草籽发芽后对基质增重为100%，则整个卷装重量在G2方向上的力就是底部纤网受到的最大拉力，假设坡面光滑无摩擦，摩擦力f为0，则纤网受到的最大的拉力为F [216]：

F=Gsin30°

基质的重量为：

G=1×X×0.276kg×2×g

g=9.8N/kg

三式联立，可得X=6.69m，则基质的最大卷装长度为6.69m，此时基质受到的最大拉扯力为18N。

因此，当红麻/ES纤维8：2混合时，所得材料用作斜坡草坪铺装时，其最大长度不能超过6.69m，否则基质在铺装过程中可能被扯断。这也同时说明，要严格控制基质中的低熔点纤维含量，只有使材料达到一定的拉伸强力后，才可以用作斜坡铺装基质。

3.3 无土栽培种植试验

对样品的制作工艺及原料对样品性能的影响研究后，对于其实际种植效果，还有待验证。所以将红麻纤维与低熔点纤维配比为8：2的样品进行了无土栽培种植试验。选取绿化草本植物中最常见的三角草，将其种子均匀播种在纤网内部，并添加少许营养液[7-8]。

图4 种植试验图

如图4所示，三角草在3天之后发芽，5天见绿，表示已经可以进行卷装转移种植，种植试验成功。

4 结论

本论文围绕无土栽培对种植材料的要求和非织造材料成形工艺技术，设计了一款以红麻和低熔点纤维为纤网主体的热风粘合非织造种植材料，对其原料配比和成形工艺参数进行了研究，并对种植效果进行了试验验证。具体得到以下结论：