可降解黄麻/棉地膜的制备与性能研究

1. 东华大学纺织学院，上海 201620 2. 东华大学信息学院，上海 201620

近年来，塑料地膜因具有保温保水、提高农作物产量等优良特性，得到了大面积使用，而塑料地膜的广泛使用所带来的环境污染问题也逐渐引起了人们的重视。塑料地膜使用后难以降解，容易在土壤中形成细小颗粒，造成土壤板结，长时间使用会影响农作物的生长[1-3]。

目前，利用植物纤维生产完全可降解的地膜已成为地膜发展的主要趋势。我国具有丰富的麻类纤维资源，麻地膜具有很好的保温、保湿和促进农作物生长发育的作用，而且在自然条件下可以降解，不会对环境造成污染，降解后的麻地膜还有改良培肥土壤的作用[4-5]。因此，利用麻纤维制备环保型可降解地膜对我国农业生产和环境保护都具有重要意义。

采用黄麻落麻纤维制备麻地膜可降低制备成本，减少环境污染。聚乙烯醇本身有良好的生物适应性，可以自然降解，经微生物降解后可以转化为无机物，绿色环保无污染[6]。本文利用麻纺厂的黄麻落麻纤维作为制备麻地膜的主要原料，将其与棉纤维混合后梳理成纤网，再利用聚乙烯醇作为黏合剂将纤网固结成型得到黄麻/棉地膜，探究不同原料配比对黄麻/棉地膜的力学性能的影响，并对其透气性、透湿性、弯曲刚度、光透过率进行测试和分析。

1 试验部分

1.1 试验原料

选用黄麻落麻纤维(郴州湘南麻业有限公司)与棉纤维为原料，聚乙烯醇(PVA 1799)颗粒为黏合剂。黄麻落麻纤维的线密度为27.48 dtex(363.9公支)，断裂强度为4.079 cN/dtex，断裂伸长率为2.67%。

1.2 试验仪器与设备

DK-S28电热恒温水浴锅(上海森信试验仪器有限公司)；XLB-400×400×2平板硫化机(上海齐才液压机械有限公司)；AS181A梳棉机(上海纺织工学院机械工厂)；FA-1004电子天平(上海天平仪器厂)；YG141数字式织物厚度仪(南通宏大实验仪器有限公司)；YG026MB-250多功能电子织物强力机(温州方圆仪器有限公司)；YG461E全自动透气性测试仪(温州方圆仪器有限公司)；YG601H电脑式织物透湿仪(宁波纺织仪器厂)；LLY-01电子硬挺度仪(莱州市电子仪器有限公司)；UV-3600紫外可见近红外分光光度计(日本岛津公司)。

1.3 制备工艺

1.3.1 黏合剂的制备

称取适量PVA颗粒，加入一定量的水，使PVA颗粒吸水膨胀，然后加温溶解并不断搅拌，制成质量分数为1.5%的黏合剂，待用。

1.3.2 黄麻/棉地膜的制备

将黄麻落麻纤维与棉纤维以90 ∶10、85 ∶15、80 ∶20、75 ∶25、70 ∶30的质量比(下文中的“原料质量比”均表示“黄麻 ∶棉”)混合开松后送入梳理机，梳理成网，得到不同面密度的纤维网。然后在硫化机上利用黏合剂将纤维网固化成型，制备黄麻/棉地膜。

1.4 性能测试

1.4.1 面密度测试

将黄麻/棉地膜裁剪成10 cm×10 cm的试样，在标准大气中调湿、称重，通过计算得到黄麻/棉地膜的面密度。

1.4.2 厚度测试

根据GB/T 24218.2—2009《纺织品 非织造布试验方法 第2部分：厚度的测定》，测试黄麻/棉地膜的厚度。

1.4.3 断裂强度测试

参照GB/T 24218.3—2010《纺织品 非织造布试验方法 第3部分：断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》，取试样长度满足隔距长度100.0 mm，测试黄麻/棉地膜的断裂强度。

1.4.4 硬挺度测试

根据GB/T 18318.1—2009《纺织品 弯曲性能的测定 第1部分：斜面法》，测试黄麻/棉地膜的抗弯刚度。

1.4.5 透气性测试

根据GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，测试黄麻/棉地膜的透气性。

1.4.6 透湿性测试

根据GB/T 12704.2—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第2部分：蒸发法》中的正杯法，测试黄麻/棉地膜的透湿率。

1.4.7 光透过率测试

选择不同波段的光线照射黄麻/棉地膜，利用UV-3600紫外可见近红外分光光度计，测试黄麻/棉地膜的透过率，波长范围200～1 000 nm。

2 结果与讨论

2.1 黄麻/棉地膜的断裂强度

2.1.1 原料质量比的影响

选取模压温度为120 ℃、模压压力为5 MPa、黏合剂质量分数为3.50%，采用不同原料质量比(90 ∶10、85 ∶15、80 ∶20、75 ∶25、70 ∶30)，制备面密度为40 g/m2的黄麻/棉地膜，其强伸曲线如图1所示。

图1 不同原料质量比的黄麻/棉地膜的强伸曲线

由图1可以看出，随着棉纤维含量的逐渐增多，黄麻/棉地膜的断裂强度呈上升趋势。当棉纤维质量分数为25%、30%时，黄麻/棉地膜的断裂强度分别为654、696 N/m。棉纤维细软，它的可纺性好，与较粗硬的黄麻纤维混合，提高了梳理成网的均匀度，制成黄麻/棉地膜也较均匀，这有利于地膜断裂强度的提升。当棉纤维含量达25%时，黄麻/棉地膜的断裂强度增加幅度趋缓。此外，考虑到棉纤维的成本较黄麻落麻纤维高，因此选择黄麻与棉的质量比为75 ∶25或80 ∶20进行后续试验。

2.1.2 面密度的影响

选取原料质量比为80 ∶20、模压温度为120 ℃、模压压力为2 MPa、黏合剂质量分数(即PVA质量与黄麻/棉地膜质量的比值的百分数)为3.80%，制备不同面密度(45、50、55、60、65 g/m2)的黄麻/棉地膜，其强伸曲线如图2所示。

图2 不同面密度的黄麻/棉地膜的强伸曲线

由图2可以看出，随着黄麻/棉地膜的面密度增大，其断裂强度逐渐增大。黄麻/棉地膜的面密度为65 g/m2时，其断裂强度达744 N/m。随着黄麻/棉地膜的面密度增加，纤维在纤维网中分布均匀，纤维之间发生相互作用的机会增加且作用力增强，因此黄麻/棉地膜的断裂强度提高。

2.1.3 模压温度的影响

选取原料质量比为80 ∶20、面密度为40 g/m2、模压压力为2 MPa、黏合剂质量分数为3.50%，采用不同模压温度(110、120、130、140、150 ℃)制备黄麻/棉地膜，其强伸曲线如图3所示。

图3 不同模压温度下黄麻/棉地膜的强伸曲线

由图3可以看出，模压温度为110 ℃时，黄麻/棉地膜的断裂强度较低；随着模压温度逐渐升高，黄麻/棉地膜的断裂强度逐渐增大；但在高温作用下，黄麻落麻纤维的强度受损，黄麻/棉地膜的断裂强度呈下降趋势。模压温度为130 ℃时，黄麻/棉地膜的断裂强度最高。

2.1.4 模压压力的影响

选取原料质量比为80 ∶20、面密度为40 g/m2、模压温度为130 ℃、黏合剂质量分数为4.50%，采用不同模压压力(1、2、3、4、5 MPa)制备黄麻/棉地膜，其强伸曲线如图4所示。

图4 不同模压压力下黄麻/棉地膜的强伸曲线

由图4可以看出，模压压力为1 MPa时，黄麻/棉地膜的断裂强度较低，随着模压压力逐渐提高，黄麻/棉地膜的断裂强度逐渐增长，但增长速度较缓慢，这表明模压压力对黄麻/棉地膜的断裂强度的影响不显著。

2.1.5 黏合剂质量分数的影响

选取原料质量比为80 ∶20、面密度为40 g/m2、模压温度为130 ℃、模压压力为4 MPa，采用不同黏合剂质量分数(2.95%、3.78%、4.81%、5.89%、8.17%)制备黄麻/棉地膜，其强伸曲线如图5所示。

由图5可知，当黏合剂质量分数较低时，黄麻/棉地膜的断裂强度较低；随着黏合剂质量分数逐渐增加，黄麻/棉地膜的断裂强度逐渐提高，黏合剂质量分数为5.89%时黄麻/棉地膜的断裂强度最大，这是因为黏合剂质量分数增大使得纤维与黏合剂之间的作用增强；之后，继续增加黏合剂质量分数，黄麻/棉地膜的断裂强度不再增大而呈现下降趋势。

图5 不同黏合剂质量分数下黄麻/棉地膜的强伸曲线

2.2 黄麻/棉地膜的弯曲刚度

地膜在使用过程中需要一定的柔软性、贴伏性，以保证地膜与地面有良好的接触，避免地膜由于风的作用而遭受破坏。目前市场上的麻地膜的弯曲刚度较大，不够柔软。因此，对黄麻/棉地膜的弯曲刚度进行测量，用以表征地膜在使用过程中贴伏地面的性能。选取原料质量比为70 ∶30、面密度为40 g/m2、模压温度为130 ℃、模压压力为4 MPa、黏合剂质量分数为4.50%，制备黄麻/棉地膜，测试其弯曲刚度及其变异系数，并与市售麻地膜比较(表1)。

表1 黄麻/棉地膜与市售麻地膜的弯曲刚度及其变异系数

由表1可知，黄麻落麻纤维本身较粗硬，因此黄麻/棉地膜的弯曲刚度较大，地膜铺设时应尽可能地使其与地面贴伏。

2.3 黄麻/棉地膜的透气透湿性

2.3.1透气性

选择面密度为40 g/m2、模压温度为110 ℃、模压压力为5 MPa，采用不同原料质量比(90 ∶10、85 ∶15、80 ∶20、75 ∶25、70 ∶30)制备黄麻/棉地膜，其透气率见表2。

表2 不同原料质量比下黄麻/棉地膜的透气率

由表2可知，黄麻/棉地膜的透气率在1 987.06～3 385.04 mm/s，随着黄麻含量减少(即棉纤维含量提高)，黄麻/棉地膜的透气率逐渐下降，原料质量比为70 ∶30时黄麻/棉地膜的透气率最低(1 987.06 mm/s)。这主要是由于黄麻落麻纤维的刚性较大而棉纤维较细软，黄麻/棉地膜中的棉纤维含量越多，黄麻/棉地膜的结构越致密，其透气率越小，这有利于地膜在冬季使用时的保温效果；同时，由于黄麻/棉地膜的透气率远大于塑料地膜，可避免在夏季由于地膜覆盖导致温度过高而发生烧苗现象。总体而言，黄麻/棉地膜的透气率应选取较小的值，因此可选择原料质量比为70 ∶30～80 ∶20。

2.3.2 透湿性

选取面密度为40 g/m2、模压温度为120 ℃、模压压力为5 MPa，采用不同原料质量比(90 ∶10、85 ∶15、80 ∶20、75 ∶25、70 ∶30)制备黄麻/棉地膜，其透湿率如图6所示。

图6 不同原料质量比下黄麻/棉地膜的透湿率

地膜的透湿率低，即保湿性好，有利于作物生长。由图6可见，黄麻/棉地膜的透湿率随着黄麻落麻纤维含量增加呈先减小后增大的趋势，但变化幅度不大。原料质量比为75 ∶25时黄麻/棉地膜的透湿率最低，其次是原料质量比为80 ∶20时。

2.4 黄麻/棉地膜的光透过率

不同的植物对光的吸收光谱基本相同，主要集中在波长为400～460 nm的蓝紫光和波长为600～700 nm的红橙光。这两种波段的光如同植物所需的两种“光肥”，蓝紫光可促进植物的根、茎、叶子的生长，红橙光可为叶绿素提供养分。图7所示为黄麻/棉地膜(原料质量比为80 ∶20、面密度为40 g/m2、模压温度为130 ℃、模压压力为4 MPa、黏合剂质量分数为5.89%)的光透过率，可以看到，在波长为400～460 nm的蓝紫光波段，黄麻/棉地膜的光透过率为48%；在波长为600～700 nm的红橙光波段，黄麻/棉地膜的光透过率为62%。这与文献[7]中地膜的光透过率接近，说明本试验制备的黄麻/棉地膜不会影响农作物的正常生长，可用于农作物的栽培与覆盖。

图7 黄麻/棉地膜的光透过率

3 结论

黄麻落麻纤维和PVA都是可生物降解的环境友好型材料，可自然降解，将它们用于制备地膜，对我国农业的可持续发展具有重要意义。本文采用可生物降解的黄麻落麻纤维与棉纤维混合梳理成纤维网，再采用PVA作为黏合剂将纤维网固化成型制备黄麻/棉地膜，分析了不同工艺条件下制备的黄麻/棉地膜的强伸曲线，并测试了黄麻/棉地膜的弯曲刚度、透气率、透湿率、光透过率等指标。

(1) 当黄麻与棉的质量比为80 ∶20、面密度为40 g/m2、模压温度为130 ℃、模压压力为4 MPa、黏合剂质量分数为5.89%时，制备的黄麻/棉地膜的断裂强度最高，达到946 N/m。在其他工艺条件一定的情况下，随着面密度增加，黄麻/棉地膜的断裂强度增大。模压压力对黄麻/棉地膜的断裂强度的影响不显著。

(2) 黄麻/棉地膜的弯曲刚度较大，具有良好的透气透湿性能，其透气率在1 987.06～3 385.04 mm/s、透湿率在87.99～103.18 g/(m2·h)，而且光透过率可以满足农作物的生长需求。

(3) 综合断裂强度、弯曲刚度、透气率、透湿率、光透过率等指标，得到黄麻/棉地膜的较佳工艺条件：黄麻与棉的质量比为80 ∶20、面密度为40 g/m2、模压温度为130 ℃、模压压力为4MPa、黏合剂质量分数为5.89%。