淀粉在农业用非织造材料上的应用

(1.浙江省普瑞科技有限公司(浙江省造纸研究所)，杭州，311215;2.浙江省特种纤维纸基功能材料技术研究重点实验室，杭州，311215)

农业是国民经济的命脉，当今人口数量不断增长，而农村在城市化过程中耕地面积逐渐减少，因此需将现代农业、设施农业及农业的规模经营提到议事日程上。人类社会物质生活水平提高，对生态环境、生态平衡提出新要求，不仅要求农产品的产量高、品种多、质量好，而且要求使用的材料不能对环境和土壤产生负面影响。科学技术的发展，先进的数字技术、遥控技术及机械制造技术，为农业现代化提供了基础条件，同时也需要相应的新材料给予配套。

农产品的高产、稳产和反季节培育，让农业从播种到收割都有了重大改革。例如:农用大棚、地膜、育秧筒等配套材料相继得到应用;育苗技术从插秧到抛秧，进而采用机械播种。目前具有价格低廉、强度高、厚度薄、质量轻等优点的塑料制品得到了广泛应用，但是在给农业生产带来可观经济效益、推动农业生产发展的同时，不得不看到塑料制品的不可降解性对生态环境带来的问题。尤其是长期使用后残留在土壤中的废旧塑料对土壤结构的破坏，使土壤中含水量减少，透风透气性下降，对作物根系生长和机械化作业必将造成严重影响。

20世纪90年代，人们开始尝试用纤维材料取代塑料制品，如使用纺粘非织造布制作大棚，研究纸质地膜、育苗筒等，但是由于众多原因，推广应用还不够理想，或者说取代率不高，尤其是纸质材料。

对于直接在土壤上或埋入土壤中的应用，塑料制品无法满足使用要求，而使用面密度较低(如15 g/m2)的产品，如纸质(湿法非织造)材料将具有特殊的优势。

1 湿法非织造材料的优势

应用于土壤中的农用材料不能用塑料制品，这给纤维质材料开拓了应用领域。该特定应用领域对纤维原料的选择范围限制性很大，仅局限于可降解的黏胶纤维、天丝纤维等纤维素类再生纤维和木浆、棉花等天然植物纤维。

该类农用材料曾以常规黏胶纤维为原料，采用干法气流成网、化学浸渍工艺制造，但由于面密度低且波动大，产品呈网状，均匀性差，以及长度为38 mm的纤维制品在埋入土壤中后降解速度仍较慢，不是理想的适用材料。如使用细旦纤维作原料，价格相对偏高，而干法工艺制品降解速度慢的问题仍将存在。

按纸质地膜工艺(以木浆纤维为原料，采用传统造纸工艺)生产时，利用纤维素链上的羟基，借助氢键结合，可以在不添加黏结剂的条件下使纸张具有一定的强度。若进行适当的打浆，借助机械作用打碎纤维初生壁，使纤维吸水润胀，比容增加，内聚力下降，纤维的柔软性和可塑性提高，并利于对微细纤维进一步细纤维化(相当于纤维行业的“原纤化”)增加纤维的比表面，游离出大量极性羟基，则纸张的强度更高。纸张的均匀性，特别是低面密度产品的均匀性是干法工艺无法比拟的。通过工艺调节，可以达到适宜的降解速度，但是纸张相对致密，使其透气性受到影响，会影响种子出芽。

湿法非织造工艺的原料采用化学纤维或以化学纤维为主。与纸张相比较，湿法非织造材料的致密性低、透气性高，且通过选择化学纤维的粗细可调节产品的透气性，又能保持纸张具有的均匀性。

除天然植物纤维外，合成纤维、无机纤维大多没有游离羟基，无法依靠氢键结合获得强度，因此湿法非织造材料几乎都需借助黏结剂。目前常规使用的黏结剂大多是通过化学合成方法制得的，如聚乙烯醇类、丙烯酸酯类等液态黏结剂以及水溶性的聚乙烯醇纤维和聚乙烯纤维、ES纤维等纤维状黏结剂。对于与土壤亲密接触的农用非织造材料是相当忌讳这类黏结剂的，因此必须寻找一种与纤维原料匹配，易降解，对土壤不会造成污染的黏结剂。

2 纤维品种的筛选

目前可降解的纤维原料主要是黏胶纤维和天丝纤维，天丝纤维价格贵，因此最佳选择是黏胶纤维，而且有市售超短黏胶纤维，购买黏胶丝束自行切短也很方便。

为尽可能少用黏结剂，借助植物纤维纤维素链上的羟基具有的氢键结合功能，可掺用部分植物纤维作为补强纤维，使非织造材料具备一定的强度。选择了针叶木浆、三桠皮浆和马尼拉麻浆三种植物纤维，分别与黏胶纤维以40∶60(质量比)配抄，其制得的非织造材料性能的测试结果见表1。

表1 掺用植物纤维的黏胶纤维非织造材料性能

由表1可见:纯黏胶纤维湿纤网没有强度，无法成型，而加入植物纤维后成型正常;加入上述三种植物纤维后的黏胶纤维非织造材料，其抗张强度差异不大;加入木浆的非织造材料抗张强度略低，而对透气性能的影响最小。基于上述结果及价格因素，认为以针叶木浆为补强纤维较合适。

3 淀粉在湿法非织造材料上的应用探索

淀粉是一种来源丰富的天然碳水化合物，可生物降解。淀粉在造纸上的应用已有上千年的历史，成为造纸工业最重要原料之一，尤其在文化用纸、包装用纸和纸板上应用广泛，在卫生纸和新闻纸中也有添加。通过湿部添加、施胶和涂布等工艺，除可改善产品的干强度外，在造纸工艺方面还可以提高抄纸过程添加填料等的滞留性，改进湿纸页的滤水性。使用价低的短纤维时具有改善成形性，增强施胶效果，改善印刷性能等功效。

天然淀粉存在黏度很高、涂布在纸张表面的量无法控制、没有阳离子基团和滞留性差等缺点，因此用于造纸的淀粉75%以上是经物理或化学改性的变性淀粉。淀粉分子中每个无水葡萄糖基团含有三个羟基，可形成化学衍生物，化学处理后分子间立体结构变化，增加了极性基团，使黏度稳定。改性后的淀粉带有了阳离子或既带有阳离子又有阴离子基团，可提高滞留性。变性淀粉种类很多，主要有阳离子淀粉、两性淀粉、氧化淀粉、酶转化淀粉、羟烷基淀粉、预糊化淀粉和酸变性淀粉等。

要求埋入土壤的湿法非织造材料具有一定的强度指标，主要是为了保证在埋入土壤前的整个使用过程中材料的干强度，材料不会因受力而遭破损，而材料在埋入土壤吸附水分后则期望其湿强度要低。为适当提高特定的农用湿法非织造材料的干强度，淀粉是一种不错的选择。

笔者在斜网成型器生产线上，在唇口开度2.88 mm，前墙角度 10°，水腿流量 3 m3/min，流浆箱液位1.4 kPa，淀粉添加量2%的条件下抄造的产品的技术性能如下:面密度10.9 g/m2，干抗张强度0.288 kN/m，湿抗张强度0.057 2 kN/m，透气度2 690 L/(m2·s)，吸水率44 mm/(2 min)。

用户在多种经济作物培育上试用了该产品，认为均匀性与透气度好、干强度适合、吸水迅速、分解速度快，能满足使用要求。

4 结语

淀粉是一种来源丰富的天然碳水化合物，在造纸上的应用历史悠久，是文化用纸、包装用纸和纸板最重要原料之一。本文针对希望既具有一定干强度，又具有在土壤中分解速度快的农用非织造材料进行了利用淀粉作增强剂的探索。在多种经济作物培育上试用了经淀粉增强的农用湿法非织造材料，结果表明该材料能满足使用要求。相信淀粉在有类似要求的干法(化学黏合)和其他湿法非织造材料中仍有应用的可能性。