可降解机械竹浆地膜纸研究

张 斌 王 幸 夏新兴，* 童树华 孟 育 华飞果

（1.浙江理工大学纺织科学与工程学院，浙江杭州，310018；2.浙江华邦特种纸有限公司，浙江衢州，324400；3.浙江金昌特种纸股份有限公司，浙江衢州，324400）

长期以来，塑料地膜的使用对环境造成严重污染[1-2]，因此，以纤维素基材料制备可降解的地膜，成为了地膜发展的一种重要方向。竹材资源作为一种可再生资源，其生长周期短、可再生性好、强度和回弹性高，被各行业广泛使用[3-4]。竹材纤维的纤维素含量高[5-7]，纤维细长，表现出良好的制浆性能。因此以竹材资源为原料制备可降解地膜纸来代替塑料地膜成为一种可能。传统竹浆制备方法以化学法或化学机械法为主[8]，化学试剂的添加虽然有效除去了竹浆中木素，增强竹浆性能，但同时对环境造成严重污染[9-10]，因此，以机械法制备机械竹浆、生产地膜纸具有重要意义。

1 实验

1.1 实验材料

3~5 cm长竹签（毛竹，直径2 mm）、漂白化学针叶木浆（以下简称针叶木浆，打浆度为40°SR），均由浙江金昌特种纸股份有限公司提供。聚乙烯醇（PVA）纤维、淀粉、纤维素纳米纤丝（CNF）、聚酰胺聚环氧氯丙烷（PAE）、烷基烯酮二聚体（AKD）由浙江金加浩绿色纳米材料股份有限公司提供。

1.2 实验仪器与设备

IMT-CNMJ型高浓 磨浆 机、HK-MJ01型PFI磨浆机，东莞市英特耐森精密仪器有限公司。TD1-15型电热蒸煮锅，咸阳通达轻工设备有限公司。S41523003型抄纸机、S401400001型压榨机、S401400002型干燥机，瑞典伊洛夫汉森公司。Phe⁃nom pro型台式扫描电子显微镜，复纳科学仪器有限公司。

1.3 机械竹浆制备

将直径2 mm的长竹条剪短至3~5 cm，加入旋转蒸煮锅中，按照固液比1∶5加入水[11-12]，加热1 h达温度150℃，保温2 h后取出，用高浓磨磨浆，磨盘压力1.0 MPa，依次设置磨盘间距1.25 mm、1 mm、0.5 mm。3次磨浆后得到打浆度18°SR的机械竹浆。

1.4 地膜纸制备工艺

不同打浆度机械竹浆的制备：用PFI磨浆机对机械竹浆进一步打浆处理，控制不同打浆时间制备打浆度为20、30、40、50、60°SR的机械竹浆。

地膜纸的制备：将机械竹浆与针叶木浆按一定质量比混合制备100 g/m2的地膜纸，控制不同机械竹浆打浆度及纤维配比。添加绝干浆质量比10% PVA纤维、1.5%淀粉后，再分别加入CNF、PAE及AKD，制备地膜纸。

1.5 地膜纸的降解性

将地膜纸埋入微生物环境相同的地下5 cm处，每隔一段时间取出，观察地膜纸实际形貌的变化情况，并用扫描电子显微镜（SEM）对地膜纸降解前后形貌进行观察。

1.6 地膜纸的实际应用

表1为实际应用机械竹浆地膜纸基本物理性能指标，由浙江金昌特种纸股份有限公司提供。

表1 机械竹浆地膜纸的基本物理性能Table 1 Basic physical properties of mulch paper from mechanial bamboo pulp

实验地点：龙游某蔬菜专业合作社；实验时间：2021年3~4月；实验作物：辣椒、地瓜藤。

实验方法：对辣椒苗和地瓜藤两种实验作物分别铺设可降解竹地膜与塑料地膜，对成长后的作物进行对比，实际种植方式按照当地习惯进行。

2 结果与讨论

2.1 机械竹浆纤维分析

图1为自制机械竹浆（18°SR）的纤维分析图。由图1可知，机械竹浆的质均纤维长度为238 µm，主要分布在200~290 µm间，占比为96.0%；纤维平均宽度为14.8µm，主要分布在10~20µm间，纤维占比为87.3%。机械竹浆的细小纤维含量为6.1%。

图1 机械竹浆的纤维分析Fig.1 Fiber analysis of mechanical bamboo pulp

2.2 地膜纸制备工艺研究

2.2.1 机械竹浆打浆度对地膜纸机械强度影响

图2为机械竹浆打浆度对地膜纸抗张强度及撕裂度的影响，在机械竹浆与针叶木浆质量比为50∶50时，地膜纸抗张强度随机械竹浆打浆度的增加先迅速增加后缓慢增加；地膜纸撕裂度则随机械竹浆打浆度的增加先增后减。机械竹浆打浆度为20°SR时，地膜纸抗张强度为0.87 kN/m，撕裂度为540 mN。机械竹浆打浆度提高至40°SR时，地膜纸抗张强度为2.03 kN/m，撕裂度为620 mN。而当机械竹浆打浆度为60°SR时，地膜纸抗张强度为2.20 kN/m，撕裂度为600 mN，撕裂度开始降低，这主要是因为影响撕裂度的最大因素是纤维长度，过度打浆会导致纤维被切断，导致撕裂度下降。因此，综合考虑，选择机械竹浆打浆度为40°SR。

图2 机械竹浆打浆度对地膜纸抗张强度及撕裂度的影响Fig.2 Effect of mechanical bamboo pulp beating degree on tensile strength and tearing degree of mulch paper

2.2.2 纤维配比对地膜纸机械强度影响

图3为纤维配比对地膜纸抗张强度及撕裂度的影响，当机械竹浆打浆度为40°SR时，随着纤维配比中机械竹浆的增加，地膜纸抗张强度和撕裂度明显降低，当机械竹浆与针叶木浆质量比为50∶50时，地膜纸抗张强度为2.03 kN/m，撕裂度为620 mN。当机械竹浆与针叶木浆质量比为80∶20时，地膜纸抗张强度为0.700 kN/m，撕裂度为290 mN，当机械竹浆与针叶木浆质量比增加到90∶10时，地膜纸抗张强度为0.450 kN/m，撕裂度仅200 mN，此时地膜纸的力学性能较差，纸张容易破损。综合考虑，选择机械竹浆与针叶木浆质量比80∶20制备地膜纸。

图3 纤维配比对地膜纸抗张强度及撕裂度的影响Fig.3 Effect of fiber ratio on tensile strength and tearing degree of mulch paper

2.2.3 CNF对地膜纸强度的影响

图4为CNF添加量对地膜纸抗张强度及撕裂度的影响。由图4可知，当地膜纸配方中加入10%PVA纤维和1.5%淀粉后，浆内继续添加CNF可使地膜纸抗张强度和撕裂度进一步提高。未添加CNF时，地膜纸的抗张强度为1.32 kN/m，撕裂度为580 mN。当CNF添加量达到1.5%时，地膜纸的抗张强度为1.52 kN/m，撕裂度为650 mN，地膜纸达到较高的力学性能。综合考虑，选择CNF添加量为1.5%。

图4 CNF对地膜纸抗张强度及撕裂度的影响Fig.4 Effect of CNF dosage on tensile strength and tearing degree of mulch paper

2.2.4 PAE对地膜纸干、湿抗张强度影响

图5为PAE对地膜纸干、湿抗张强度的影响。由图5可知，PAE的添加会使地膜纸的干、湿抗张强度都有提高，湿抗张强度随PAE增加提高明显，干抗张强度的增加比较缓慢。未添加PAE时，地膜纸湿强度为0，PAE添加量为0.5%时，地膜纸湿强度为0.420 kN/m，此时虽然有部分湿强度，但是强度太小，容易断开。而当PAE添加量达1.0%时，地膜纸的湿强度达0.740 kN/m，干抗张强度从未添加的1.52 kN/m达到1.57 kN/m，此时地膜纸具有一定的使用性。

图5 PAE对地膜纸的干、湿抗张强度的影响Fig.5 Effect of PAE on the wet and dry tensile strength of mulch paper

2.2.5 AKD对地膜纸防水性影响

图6为AKD对地膜纸Cobb值的影响，图7为AKD对地膜纸水接触角的影响。从图6可以看出，随AKD添加量的增加，地膜纸的Cobb值明显降低，当AKD添加量大于0.15%后，地膜纸的Cobb值降低缓慢。当未施胶时，地膜纸的Cobb值>200 g/m2。而当AKD添加量达0.15%时，地膜纸Cobb值为27.7 g/m2，此时地膜纸有较好的抗水性。从图7可以明显看出，随着AKD添加量的增加，地膜纸的接触角逐渐变大，纸张表面越来越疏水。未添加AKD时，地膜纸表面接触角为0，当AKD添加量为0.15%时，地膜纸接触角提高至112.95°，此时有较高的抗水性，继续增加AKD的添加量，对地膜纸的抗水性增加作用不大，这是因为当添加量达0.15%时，地膜纸的羟基基本与AKD结合。

图6 AKD对地膜纸Cobb值的影响Fig.6 Effect of AKD on the Cobb value of mulch paper

图7 AKD对地膜纸水接触角的影响Fig.7 Effect of AKD on water contact angle of mulch paper

2.3 地膜纸应用

2.3.1 地膜纸的降解性能研究

图8为埋在地下不同时间地膜降解过程照片，图9为地膜纸降解前后SEM图。从图8可见，埋入地下7天后，纸面开始出现菌斑，说明土壤中细菌已经对地膜纸进行分解作用。随时间进一步增加，地膜纸进一步降解破裂，破损严重。由图9可见，降解前地膜纸表面有大量细长纤维相互交织，而降解60天后的地膜纸中，纤维断裂严重，纤维表面出现小片状。

图8 不同时间地膜纸降解过程照片Fig.8 Pictures of mulch paper degradation process at different times

图9 地膜纸降解前后SEM图（×200）Fig.9 SEM images of mulch paper before and after degradation(×200)

2.3.2 地膜纸在辣椒苗生长中实际应用

图10为塑料地膜及机械竹浆地膜覆盖对辣椒生长的实物对比图，图11为不同地膜覆盖对辣椒生长的杂草抑制实物对比图。由图10、图11可知，机械竹浆地膜纸覆盖下的辣椒植株的茎秆更加粗壮，生长情况比覆盖塑料膜的辣椒更好，塑料地膜覆盖下杂草数量较多，而可降解地膜覆盖下几乎没有杂草。

图10 不同地膜覆盖对辣椒生长的实物对比图Fig.10 Comparison of pepper growth with different plastic film mulching

图11 不同地膜覆盖对辣椒生长的杂草抑制实物对比图Fig.11 Comparison of weed inhibition of pepper growth by different plastic film mulching

2.3.3 地膜纸在地瓜藤生长中实际应用

图12为不同地膜覆盖对番薯藤生长的实物对比图，图13为不同地膜覆盖下番薯藤粗细对比实物图。由图12和图13可见，使用机械竹浆地膜使番薯藤的茎秆更加粗壮。因此，可降解地膜能促进番薯藤的生长。

图12 不同地膜覆盖对番薯藤生长的实物对比图Fig.12 Comparison of the growth of sweet potato vines with dif⁃ferent plastic film mulching

图13 不同地膜覆盖下番薯藤粗细对比实物图Fig.13 Comparison of the thickness of sweet potato vines under different plastic films

3 结 论

3.1 机械竹浆打浆度40°SR、机械竹浆与针叶木浆质量比80∶20时，加入绝干浆质量比为10%的PVA纤维、1.5%淀粉和1.5% CNF，100 g/m2机械竹浆地膜纸的抗张强度为1.52 kN/m，撕裂度为650 mN。

3.2 在地膜纸中添加1% PAE和0.15% AKD，地膜纸湿抗张强度为0.740 kN/m，Cobb值为27.7 g/m2，水接触角为112.95°，地膜纸具有良好的湿强度与抗水性。

3.3 地膜纸具有良好降解性能，地膜纸埋入土壤中60天后，地膜纸破损严重，出现片状小碎片。相较于塑料地膜，机械竹浆地膜纸可促进辣椒及地瓜藤的生长，并能有效抑制杂草。