黄麻/棉非织造农用地膜的性能研究

何俊俊，杨建忠，张译文，崔双科

(1.西安工程大学纺织科学与工程学院，陕西西安 710048；2.南通大学纺织服装学院，江苏南通 226019；3.陕西省现代建筑设计院，陕西西安 710048)

0 前言

在20世纪70年代，我国农用地膜的产量和消费量都呈现显著的增长趋势，就目前形势来看农用地膜的实际应用是一项极其优良的农业增产技术，但残留下来的地膜加剧了田地的污染问题[1]。原料为聚乙烯或聚氯乙烯的农用塑料地膜依旧是目前实际使用的主体，这两种物质均具有毒性，并且废弃后的残留物极难降解，对生态环境再次造成白色污染。农用非织造布是为解决其他农用薄膜材料导致的污染问题和自身的功能性缺陷而研究的新型农用改良材料，同时也是一种产业用纺织品。但这种材料依旧在农业领域引发了第二次白色革命[2]。 近年来，国内外研制出了两种可降解薄膜：光降解薄膜(降解过程不容易控制，但其降解速率快，因为受到降解条件的限制而没有得到广泛的发展)，合成高分子型的生物降解薄膜(因其各项性能比较优异，目前发展比较稳定)。随着绿色环保、资源再利用等思想的出现，生物降解型非织造材料无任何污染，其原料多为人造纤维和天然纤维，如麻、棉、丝、醋酸纤维、粘胶纤维等[3]。研究开发可生物降解的天然纤维素纤维非织造地膜已成为国内外热点[4]。本文从低成本、环保、工艺简单的角度出发，选取产量高、无污染、全降解的黄麻和棉纤维作为生产非织造农用地膜的主要原料，再加入少量ES纤维进行混合，利用针刺法非织造技术加工生产。通过原料配比选出最优地膜所要求的厚度、透水性等各个性能要求。

1 实验部分

1.1 实验材料、仪器

实验材料：黄麻纤维，棉纤维，ES纤维

实验仪器:BSA224S-CW型电子天平(赛多利斯科学仪器(北京)有限公司)，YG142型手提式织物厚度仪(宁波纺织仪器厂)，YG065型电子织物强力仪(莱州市电子仪器有限公司)，YG(B)031PC型台式电子织物顶破强力仪，YG(B)461E型数字式织物透气性能测定仪，YG(B)401T型马丁代尔耐磨仪(温州大荣纺织仪器有限公司)，YG606N织物保温性能测试仪(南通宏大实验仪器有限公司)，GZX-GF-101AB-2电热恒温鼓风干燥箱(上海华联环境试验设备公司恒昌仪器厂)。

1.2 黄麻/棉非织造农用地膜的制备

1.2.1 材料配比

一般情况下购进的黄麻纤维为麻条状态，首先需要我们自己用铡刀剪成38mm长(此长度的确定是因为针刺工艺适用于中长型纤维)，再将棉条手扯开松，ES纤维也先手动开松一下，然后以前期查找相关文献取证确定的四种纤维配比(详见表1)为依据，分别进行称重，将称好的三种纤维手动混合使其尽量均匀，再均匀的铺在底帘上经由梳理机再次开松，再经由铺网机进行铺网。由于黄麻较硬，要时刻注意成网状态以便及时调整。纤维的梳理是非织造生产技术中相当重要的一道工序，其作用主要为混合和均匀，目的为将纤维束分离成单纤维状态，对纤维进行初步的定向和伸直，尽量是纤维方向趋向于纤维层前进方向[5]。

表1 原材料纤维配比

1.2.2 针刺加固工艺

将经过开松梳理铺好的网，送入到预针刺机进行预针刺，克重尽量控制在100g/m2。然后再将经过预针刺形成的针刺毡送到主针刺机上进行加固。针刺加固的原理为：刺针刺入纤网，刺针下部的钩刺就会带着一些表面和里层的纤维随刺针一起穿过纤网层；当刺针刺入一定深度后就会回升，而刺针的钩刺全部是顺向的纤维就会脱离钩刺，以几乎为垂直的状态留在纤网中，纤维就是在这样的往复运动过程中发生自身的相互缠结，已经被压缩的纤网就不会再恢复原来蓬松的状态，从而形成了具有一定厚度、一定强度的针刺非织造材料[6]。

1.3 实验性能测试

1.3.1 厚度及克重的测定

采用BSA224S-CW型电子天平和YG142型手提式织物厚度仪测试加固后的针刺非织造材料的克重和厚度。

1.3.2 强力测试

(1)拉伸断裂强力测试

采用YG065型电子织物强力仪测试加固后的针刺非织造材料的断裂强力，试样规格：5cm×20cm。

(2)顶破强力测试

YG(B)031PC型台式电子织物顶破强力仪测试加固后针刺非织造材料的顶破强力，试样规格：直径81mm的圆。

1.3.3 耐磨性能测试

采用YG(B)401T型马丁代尔耐磨仪测试加固后针刺非织造材料的耐磨性能。此实验不需要自己剪样，可以直接用附带的取样器进行取样，设置耐磨次数为2000次，时间为20min，触摸启动键，仪器便开始对试样进行磨损，直到摩擦次数为0，仪器自动停止，取下试样，在评级箱内对比标准样照，评定每块试样的起球程度。

1.3.4 透气性能测试

采用YG(B)461E型数字式织物透气性能测定仪测试加固后针刺非织造材料的透气性能，试样规格：20cm×20cm。

1.3.5 保暖性能测试

采用YG606N型织物保温仪测试加固后针刺非织造材料的保暖性能，试样规格：30cm×30cm。

1.3.6 降解性能测试

(1)土埋法降解性的测试

采用BSA224S-CW型电子天平和GZX-GF-101AB-2型电热恒温鼓风干燥箱测试非织造材料的降解性。降解性是用质量损失率来评判的，故可以直接用克重(规定尺寸为10cm×10cm)测试的试样进行降解试验。将裁剪好的试样先放在在真空干燥箱中烘干，烘干到到质量不再发生变化为止，称取其重量记录为降解前试样的初始质量M0；然后再将称重后的试样完全埋在自然环境下的土壤中，掩埋深度5cm～10cm；从开始放进泥土时计算时间，分别在10天、15天、20天、25天、30天、35天、40天的时候把试样取出，先用干净的蒸馏水将其洗净，再放在真空干燥箱中烘干后称重，并记录各试样在降解之后的质量M1。

评判方法：计算试样的质量损失率，计算公式如下：

式中：M0—降解前的质量，单位/g；

M1—降解后的质量，单位/g；

D—质量损失率，单位/%。

(2)酸性溶液中降解性的测试

棉麻非织造农用地膜在土壤中自然降解时不仅受到土壤pH的影响，并且耗时也很长，研究得出碱性土壤利于麻地膜的降解[7]，但是棉和麻都具有耐碱不耐酸的特性，从而设置了将试样完全浸泡在浓度为50g/L的醋酸溶液中进行降解的对比试验，通过比较查看此方法是否可以加快其降解速度。

1.3.7 保墒性能测试

采用GG-17型烧杯和BSA224S-CW型电子天平测试非织造材料。地膜覆盖技术的高效使用还有一个原因就是其具有的保墒作用，从而达到高产的目的。麻地膜覆盖技术不仅利于雨水的渗入，还可以制止土壤本身含有的水分的蒸发[8]。从地膜自身的实用性能的研究方向出发，与传统塑料地膜相比，也需要对黄麻/棉非织造地膜的保墒性进行研究。本次实验中采取用保水率表征织物的保墒性能。

将试样剪成直径是12cm的圆，先分别测出其在干燥状态下的质量W0，然后将试样完全浸泡在蒸馏水中，直到试样达到完全浸润状态取出试样，手持试样悬空在空气中让其自然沥去部分水分，直至织物吸附的不会以液滴的形式滴落，再将其放在电子称重仪上称重记为Wm，此时可以当作织物达到饱和吸水状态。

织物的保水率计算公式：

K=(Wm-W0)/W0×100%

式中：Wm—饱和吸水后的质量，单位/g；

W0—干燥状态的质量，单位/g；

K—保水率，单位/%。

2 结果与讨论

2.1 厚度与克重分析

2.1.1 厚度分析

非织造材料的厚度主要受针刺工艺参数及热轧工艺参数影响，而本课题主要研究的是纤维配比对材料性能的影响，所以本课题的针刺参数根据前

人经验选择性能均体现良好的针刺密度为120刺/cm2，针刺深度为6mm，又由于条件限制原因并没有进行热轧工艺，则厚度只受手动控制克重程度的影响，克重偏大则厚度就偏厚。

2.1.2 克重分析

依据配比得到的克重结果如表2所示。

表2 克重变化趋势

根据表2得出，研究的材料克重值基本浮动在100g/m2左右。

2.2 强力分析

2.2.1 拉伸断裂强力分析：

拉伸断裂强力如图1所示。

图1 不同纤维配比对纵、横向拉伸断裂强力的影响

当针刺密度不变时，强力随着针刺深度增加，先增大后减小；当针刺深度不变时，强力随着针刺密度增加，也呈现先增大后减小的规律。这是因为随着纤维缠结效果的增强，强力也不断增强；当缠结效果过度，纤维发生断裂，强力便开始减小。从图1可清楚的看出，纵向强力均大于横向强力，有此现象是因为纤维经过开松梳理铺网后，纤维呈纵向排列，故纵向强力明显大于横向强力。

2.2.2 顶破强力分析

顶破强力如图2、图3所示。

图2 经过顶破强力测试的试样形态

图3 经过顶破强力测试的试样形态

当黄麻的含量大于棉时，地膜的顶破强力大于塑料地膜；而当黄麻的含量小于棉时，地膜的强力就小于塑料地膜。产生此现象的原因可能是由于麻纤维本身的强力大于棉，所以麻的含量越多所形成的材料的顶破强力越大。

2.3 耐磨性数据分析

图4为试样经过耐磨实验后的图像。

图4 经过耐磨后的试样形态

从图4中可直观的看出，起球程度从左到右逐渐变小，而图中试样从左至右的排列也是按黄麻含量逐渐变小的规律排序的。因此，起球程度也受黄麻含量的多少影响，有可能是由于黄麻含量多，纤维缠结程度小，材料易起球。

2.4 透气性数据分析

图5为不同配比纤维的透气性图像。

图5 不同纤维配比对透气率的影响

从图5可知，塑料地膜几乎不透气，而黄麻/棉非织造农用地膜在针刺参数相同，厚度几乎相同，不同配比的情况下，其透气率先增大后减小。在配比为6:3:1的时候，透气性最好。

2.5 保暖性数据分析

图6为不同纤维配比对保暖性的影响。

图6 不同纤维配比对克罗值的影响

从图6可知，尽管塑料地膜非常薄，但仍具有一定的保暖性，当选取棉麻地膜的厚度均为0.55mm测试时，发现保暖性是先增大后减小的变化规律，当比例为5:4:1时，保暖性最为良好。

2.6 降解性数据分析

2.6.1 土埋法试样质量损失率(D)分析

图7为不同配比的纤维试样随着土埋不同放置天数的增加的质量损失率。

图7 不同纤维配比的土埋法降解40天的质量损失率

从图7可以得出结论：10天时降解程度很小，随黄麻含量的降低而减小；15天的时候质量损失率增大的不多，但不再是逐渐就变小的趋势，配比为6:3:1的降解性表现最为优良；20天、25天、30天此规律依旧存在，当35天、40天时配比为5:4:1的降解性有所增加，但依旧没有配比为6:3:1时的降解性好，故得出当纤维配比为6:3:1的时候，降解性能最好。

2.6.2 酸性溶液法试样质量损失率(D)分析

图8为不同配比的纤维试样在醋酸溶液中浸渍不同时间的质量的变化。

图8 不同纤维配比的酸性溶液浸泡法降解的质量损失率

从图8可以看出，试样在酸性溶液中浸泡降解时，随着棉的含量增多，质量损失先增大后减小，配比为5:4:1时表现最好。这可能是因为醋酸为弱酸，对黄麻的影响十分缓慢，而棉的耐酸性相对弱于黄麻，故受棉含量的多少影响。

2.7 保墒性数据分析

图9为不同纤维配比的保水率。

图 9 不同纤维配比的保水率

当黄麻的含量高于棉的含量时，随着黄麻含量的降低，保水率逐渐降低，这可能是由于黄麻的吸水性优于棉；当黄麻的含量低于棉的含量时，保水率有上升趋势，这可能是由于棉的含量增多了。地膜保水率过高也不好，故选择配比为6:3:1最优。

3 结论

拉伸断裂强力受厚度影响最大，同时也受加固工艺影响。本课题中材料的强力远低于塑料；由于此材料远远厚于塑料地膜，故顶破强力远大于塑料，且黄麻含量越少强力越小；透气性则是配比为6:3:1的最为良好；厚度相同的情况下，配比为5:4:1的保暖性能最为良好；经过比对，此地膜更适合自然降解，降解后的物质同时可作为肥料，配比为6:3:1时降解性能最好；黄麻含量越多，材料的保水性越好，考虑到合适性，依旧选取配比为6:3:1最优。

综上得出，黄麻：棉：ES纤维=6:3:1为最好的配比，性能最优。