新型可降解农用非织造地膜工艺性能优化研究

文/孙月 刘艳 康文华

20世纪70年代末，我国引进了农用塑料薄膜覆盖技术，大大促进了我国的农业发展。而塑料薄膜的主要成分为聚乙烯，不透水、不透气并且难以分解，农业上的大量使用使得土壤环境恶化，对生态造成了非常严重的损害。为了增加农业的可持续性，开发和使用基于生物可降解材料的地膜是非常必要的。可降解地膜可以在土壤中自然降解，既可以利用自然资源，减少土壤污染，又能促进农业可持续发展。因此，天然纤维制成的可降解地膜已经成为国内外研究的热点。本研究选择的非织造农用地膜主要原料为苎麻、蚕丝、棉纤维的纺织下脚料，ES纤维为热粘合剂。我国为棉麻大国，拥有大量的纤维资源，棉、麻为天然纤维素纤维，蚕丝为天然蛋白质纤维，均可自然降解，同时降解产生的纤维素和丝蛋白对土壤有增肥作用。通过控制不同的原料配比和热轧温度制成共12组样品，测试其对地膜强力、保暖性、降解性的影响，并与塑料地膜进行对比，分析各项性能的影响因素和可行性。本研究以增加农业发展的可持续性为目标，为天然纤维在农用地膜上的应用和选择提供方向，为新型可降解农用非织造地膜的生产提供参考。

1 试验方案设计

1.1 工艺流程

原料准备—纤维的开松与混合—梳理成网和机械铺网针刺—热轧。

1.2 试样分组

制备完成后得到12组试样，分组见表1。

表1 试样的分组

1.3 试验仪器

电子织物强力仪，型号为YG065C；织物保暖性能测试仪，型号为YG606N；电热恒温鼓风干燥箱，型号为GZX-GF-101；傅里叶变换红外光谱仪，型号为J091。

1.4 试验材料及制备

拉伸断裂强力试验每块试样的长度为250mm，宽度为50mm，经纬向各5块。保温性试验的试样面积为30cm×30cm，共12组，每组3块。降解性试验为了区分地膜试样，将每组试样剪成不同形状，共12组。

1.5 试验操作说明

拉伸断裂强力试验先进行预调湿，再调整上下夹钳之间的隔距，夹装试样开始测试。

保温性试验先进行空板试验，再将地膜覆盖在试验板上进行有样试验。

土壤保温性试验分别将地膜试样和塑料地膜覆盖在土壤表层，连续3天定时测量地表温度。

降解性试验要将试样埋入一块自然环境下的土地中，深度为5cm左右。设置降解时间分别为10天、25天、50天、100天。到时间后，从土中取出试验材料，先将试样洗净，自然晾干，晾干后放入恒温干燥箱中在105℃的温度下干燥至质量不再变化。将试样继续埋到土里，等到下一阶段时间结束后再取出测试。采用傅里叶变换红外光谱仪分析降解前后的样品，重复上述过程直到测试完成并记录试验数据。按照公式(1)计算各组试样质量损失率：

式中：

D

——材料的质量损失率，%；

M

——材料的初始质量，g；

M

——材料的剩余质量，g。

2 结果与分析

2.1 断裂强力分析

测试12组材料的断裂强力，结果数据见表2。

表2 塑料地膜与各组材料的纵横向强力

从表2可以看出，随着苎麻配比的减少、废蚕丝配比的增加，地膜的断裂强力逐渐减少。因为苎麻纤维的强度比废蚕丝高，而且当废蚕丝配比增加后，废蚕丝与苎麻纤维很难交缠在一起，仅有小部分缠结的蚕丝能用于增加断裂强度。所以随着苎麻配比的减少、废蚕丝配比的增加，地膜的断裂强力变小。

其余条件一定时，热轧温度升高，地膜断裂强力逐渐增大。由于温度越高，纤维软化，更多作为热粘合剂的ES纤维被融化，所以纤维之间结合得更为紧密，地膜变得更加紧实。

通过与塑料地膜进行对比可知，本文所制得的可降解地膜的拉伸断裂强力比塑料地膜大，能够满足农用地膜需求。

2.2 保温性数据分析

测试12组材料的热阻，获得的数据见表3。

表3 各组地膜试样热阻

从表3可以看出，随着苎麻配比的减少、废蚕丝配比的增加，地膜的热阻逐渐变大，即保温性更好。因为蚕丝具有多孔隙纤维结构，其内部有超过38%的部分是空心的，在这些空隙中能存储很多空气阻挡热量的散发，因此蚕丝织物具有良好的保温性。而苎麻纤维由于其纤维内部细胞壁较厚，能锁住的空气不多，保温性不及蚕丝，所以随着苎麻配比的减少、废蚕丝配比的增加，地膜的保温性越好。

其余条件一定时，热轧温度升高，地膜的热阻变小。由于温度越高，纤维软化，更多作为热粘合剂的ES纤维被融化，所以纤维之间变得更为紧密，地膜变得更加紧实，能锁住的静止空气量也变少，保温性变差。

2.3 土壤保温性数据分析

选取热轧温度130℃时的地膜试样1～4，与塑料地膜进一步进行土壤保温性试验，测试数据见表4。

表4 不同地膜的土壤增温数据 ℃

从表4可以看出，地膜试样的保温性能较差于塑料地膜，是由于可降解地膜试样厚度大，透光性较差，影响了光热能的穿透。另外与塑料地膜相比，可降解地膜存在一定的透气性，地膜与地表之间没有较强的温室效应。热轧温度为130℃时，随着苎麻配比的减少、废蚕丝配比的增加，地膜的土壤保温性更好，但各组地膜间增温的温差较小。与无覆盖地表相比，可降解地膜增温效果明显，具有良好的保温性能，满足农用地膜需求。

2.4 降解性数据分析

2.4.1 红外测试结果分析

从图1可以看出，试样在3313cm处有一条不饱和烃C—H伸缩振动吸收谱带，而降解后该吸收峰减弱，谱带移至3259cm处，且饱和烃C—H伸缩振动峰在2900cm处消失，这说明分子间氢键等次价键断裂，分子间的作用力减弱。

图1 试样降解前后的红外吸收光谱图

蚕丝纤维中的蛋白质多肽链中的酰胺等基团结构特征所产生的不同振动波带在3280cm、3080cm、1600cm、1545cm、1480cm～1340cm和1280cm～1230cm处出现，由图上很明显可以看出降解后1480cm处的C—H伸缩振动吸收峰和1280cm处的C—N伸缩振动吸收峰减弱，这说明降解后大分子键断裂，分子间的作用力减弱。

2.4.2 试样质量损失率(D)分析

测试降解后12组材料的质量损失，获得的数据显示在表5中。

表5 各组试样质量损失率 %

从表5可以看出，随着苎麻配比的减少、废蚕丝配比的增加，质量损失率逐渐减小，即降解性变差。主要原因为苎麻是纤维素纤维，而蚕丝是蛋白质纤维，纤维素纤维在土壤中易降解，且降解速度更快。

其余条件一定时，热轧温度升高，地膜的质量损失率变小。由于温度越高，纤维软化，更多作为热粘合剂的ES纤维被融化，所以纤维之间变得更为紧密，地膜变得更加紧实，导致质量损失率减少，降解性变差。

塑料地膜的主要成分为聚乙烯，有毒性且极难分解，对环境产生巨大危害。

3 结论

本研究探讨了不同工艺性能对新型可降解农用非织造地膜性能的影响，通过采取控制单一变量的方法，在不同的原料配比和不同的热轧温度下制出12组地膜成品后，对各组地膜的断裂强力、保温性、降解性进行进一步测试，分析各项性能的影响因素，并与塑料地膜进行对比得出以下结论：

（1）热轧温度一定时，随着苎麻配比的减少、废蚕丝配比的增加，地膜的保温性变好，而断裂强力、降解性变差。

（2）纤维配比一定时，随着热轧温度逐渐升高，地膜的保温性、降解性逐渐变差，而断裂强力增大。

（3）苎麻/废蚕丝/棉纤维地膜的断裂强力、降解性优于塑料地膜，而保温性能较差于塑料地膜。当纤维配比一定、热轧温度为130℃时，保温性、降解性最优，断裂强力最小。而断裂强力的最小值也大于塑料地膜，满足农用地膜需求。当热轧温度一定、苎麻配比最多、废蚕丝配比最少时，断裂强力、降解性最优，保温性最低。通过土壤保温性试验可得，热轧温度130℃时，4种不同配比的地膜试样间的温差不大，均能明显提高地表温度，满足农用地膜需求。

（4）在综合可行性、实用性、成本等各方面的考虑后，得出本次最佳工艺方案为第1组，即苎麻∶废蚕丝∶棉∶ES纤维为6∶1∶2∶1，热轧温度130℃。