红麻非织造地膜的制备及性能研究

刘建华，杨景瑞，余　勇，徐芝元，张晓丽

(安徽农业大学轻纺工程与艺术学院，安徽合肥　230036)

塑料地膜具有保温防冻、调节光照、节水、保墒、控制土壤盐碱度、促进作物早熟及提高作物产量和质量的作用，作为种植作物的覆盖材料在世界上多数国家被广泛使用[1]。地膜覆盖是一种保护性栽培方式，该技术是一项人工调节控制和改善非生物环境因素的技术措施[2]。地膜覆盖栽培技术的发展虽然极大地提高了农作物的产量，给农民带来巨大的经济效益，但同时也导致农田土壤污染现象的产生，为此发展可降解地膜势在必行。

目前通过非织造技术，可将废弃的棉、麻等天然纤维回收利用起来，制成非织造薄膜，这些天然纤维在土壤中可被微生物降解，不仅不会对环境造成任何危害，且可以增加种植土壤的肥力[3,4]。将红麻纤维作为原料，通过湿法成网和表面施胶，制备成非织造薄膜，通过对多种红麻非织造地膜、普通地膜及露地栽培大豆进行对比试验，探讨了红麻非织造地膜在提高苗高、保持土壤温度、保持土壤水分方面与普通地膜的差别，进一步研究红麻非织造地膜是否可以替代普通地膜广泛地应用于农作物种植中。

1　材料和方法

1.1　材料

红麻原麻(脱胶后线密度14dtex)、粘胶纤维(长10～20mm，线密度1.1～1.4dtex)、聚乙烯塑料地膜、豆科种子。粘合剂(聚乙烯醇PVA)、分散剂(聚丙烯酰胺)、液体石蜡、NaOH、30%H2O2等均为分析纯。

1.2　仪器

圆形分样筛(150目，0.049m2)，HH-S恒温水浴锅(常州普天仪器制造有限公司)，YTH-4A测厚仪(杭州研特科技有限公司)，智能电子拉力试验机XWL(PC)，GZX-GFC.101-3-S电热恒温鼓风干燥箱(上海博泰)，DHG-9240电热恒温鼓风干燥箱，全自动织物透气性能测试(1402296S)，JA3003N电子天平(上海精科天美科学仪器有限公司)，UV/V-16/18型紫外/可见分光光度计(上海美谱达仪器有限公司)，傅立叶红外光谱仪(美国Nicolet NEXUS-870)，SEMXL-20型扫描电子显微镜(日本日立S-4800扫描式)等。

1.3　实验方法

1.3.1材料预处理

红麻中除了纤维素外，还含有一些半纤维素、木质素、果胶等成分，导致纤维刚硬且伸度小，不适合直接作为地膜制作的原材料，对红麻纤维需进行碱煮预处理，去除纤维中大部分部分胶质和杂质。

碱煮预处理工艺：原麻称重→手工扯松→浸酸→水洗→装蒸煮锅(配制碱液加H2O2)→蒸煮3h→倒料→水洗、烘干→精干麻。

1.3.2工艺流程

在室温25℃，相对湿度为40%～60%环境下，浴比1:50；分散剂(聚丙烯酰胺)浓度0.1%。采用湿法成网工艺：

脱胶后红麻纤维和粘胶纤维剪成4mm→称取定量的两种纤维原料，并按一定比例混合→将分散剂溶解后和润湿的纤维分散到水中→搅拌、制浆→湿法成网→烘至半干→石蜡一浸一轧(拒水整理)→力学性能测试和微观结构观察，田间种植试验。

1.3.3单因素试验

通过预试验，确定基本工艺条件，粘胶:红麻2:1(3:1、2:1、1:1、1:2、全红麻)，平方米克重40g/m2(30、35、40、45、50)，粘合剂PVA浓度2%(1%、2%、3%、4%、5%)，固定其中两个因素的水平，第三个因素分别取5个水平进行地膜的制备并测试各项性能。

1.3.4性能测试

地膜厚度测试参照GB/T 6672-2001《塑料薄膜和薄片厚度测定》中的机械测试法，在ZH-3-0604019的厚度测试仪上测试， 地膜的抗拉强度和伸长率参照FZ/T60005-1991《非织造布断裂强力及断裂伸长的测定》的方法，测试前将地膜裁成2cm×15cm大小，在XLW(PC)智能电子拉力试验机上测试[5]。依据 GB/T 5453-1997《纺织品织物透气性的测定》使用全自动织物透气性能测试仪(1402296S)对地膜进行透气性能的测试[6]。

吸湿性参照非织造布试验方法(第6部分)：吸收性的测定(GB/T 24218.6-2010)，采用简易测试方法：将地膜剪成6cm×6cm称重后放在装满水的50ml的烧杯上，使其保持静止不动。在室温下放置24小时后，对其进行称重、记录、并按公式(1)计算其吸湿率。

吸湿率=(吸湿后重量-吸湿前重量)/吸湿前重量

(1)

微观形貌分析采用傅立叶红外光谱ATR-FTIR分析，将五种地膜样品保存在干燥器中， 20℃恒温 相对湿度65%条件下进行红外测试，扫描50次，分辨率在4cm-1，波普范围为0cm-1～4000cm-1，并在扫描电子显微镜下观察其微观结构和表面形貌特征[6-7]。

1.3.5田间试验

研究不同地膜覆盖下种子的生长发芽情况，在七个相同种植盆中放入等量的土壤如表1，一个种植盆上不覆膜，其余六个种植盆上分别覆盖五种红麻非织造地膜和PE透明薄膜，定期观察记录种子的萌芽生长状态，大豆种子萌芽后长出胚根，隐藏于土壤中不便观察，故以胚根长度的对比，选出最适于大豆生长的非织造地膜。此外，当种子萌发后，测试土壤的含水率和温度，比较不同地膜种子发芽率和株高。

表1　田间试验方案

栽培试验：地膜覆盖→播种→测量苗高、计数种子发芽情况，计算发芽率→土壤含水率、孔隙度、pH、温度等分析→地膜在作物生长过程中各项性能测试和微观结构测试。

土壤栽培试验：

土壤含水率：室外土壤表层下10cm处的土样，计算出土壤的含水率为15.7%(晴天)21.3%(阴雨天)如公式(2)。

W=(G1-G2)÷G1×100%

(2)

式中：W为土壤含水率，G1为新鲜土样质量，G2为烘干后土样质量。

土壤pH值的测定：从试验田取10g土壤试样放入100ml的水中，搅拌充分后，静置一段时间，取上清液于pH试纸上测试。

土壤含水率的测定：含水率=(干燥前土壤质量—干燥后土壤质量)/干燥前土壤质量×100%。

土壤整理→播种→覆盖地膜→测量苗高、计数种子发芽情况，计算发芽率→土壤温度、pH、含水率、孔隙度等分析。

降解性：埋土降解期间自然条件及光照作用基本相同，土壤相对湿度保持在60%左右，土壤pH值6.0～7.0，大气昼夜温度10℃～20℃。降解率[7]计算如公式(3)。

P=(W1-W2)÷W1×100%

(3)

式中：P为降解率，W1为降解前质量，W2为降解后质量。

2　实验部分

2.1　单因素试验

图1　平方米克重对红麻地膜厚度的影响

图2　纤维比对红麻地膜厚度的影响

图3　粘合剂浓度对红麻地膜厚度的影响

由图1～图3可以看出红麻纸基地膜中，粘胶纤维所占比例越大，膜的厚度越大；平方米克重越大，纤维总量越多，地膜越厚，粘合剂PVA浓度在2%～4%范围时，地膜较厚，浓度过低不足粘附所有纤维，过高则使粘附紧密，孔隙度减小。

图4　平方米克重对地膜强力的影响

图5　纤维比对地膜强力的影响

图6　粘合剂浓度对地膜强力的影响

由图4～图6可知，红麻纸基地膜的断裂强力，随着平方米克重增加而增加，因为纤维总量增加厚度也增加；红麻所占比重越大，地膜的断裂强力越大，因为红麻纤维结晶度取向度都远远大于粘胶纤维，其强力也远远大于粘胶纤维。PVA浓度的增加也会增大红麻纸基地膜的断裂强力，PVA能与粘胶或红麻纤维粘附紧密，大大增加了纤维材料的强力。

图7　平方米克重对地膜透气性的影响

图8　纤维比对地膜透气性的影响

图9　粘合剂浓度对地膜透气性的影响

由图7～图9发现，随着平方米重的增加，红麻纸基地膜的透气性先增大然后迅速降低，因为随着平方米克重增加纤维总量增加，地膜中空隙减小导致透气性下降。随着红麻在地膜中的含量增加，地膜透气性迅速增大，由于红麻纤维较粗，其纤维间空隙较粘胶纤维间空隙大，导致透气性明显增大。随着红麻地膜中粘合剂PVA用量增大，纤维间的空隙逐渐被PVA填充，PVA本身具有较好的成膜性，所以导致地膜透气性下降。

图10　平方米克重对地膜吸湿率的影响

图11　纤维比对地膜吸湿率的影响

图12　粘合剂浓度对地膜吸湿率的影响

从图10～图12中可以看出，随着平方米克重的增加，地膜的吸湿率成下降趋势，单位面积纤维总量增加，孔隙度下降，通过毛细效应可吸收的自由水减少。红麻地膜中粘胶所占比重越大，地膜吸湿率越大，因为粘胶吸湿性较好，红麻纤维吸湿散湿快，使得全红麻地膜吸湿性最低。PVA用量会影响红麻地膜的吸湿性，PVA用量增大，地膜中纤维吸附更多粘合剂，孔隙度会下降，从而使吸湿率也下降。

综合单因素试验结果分析，粘麻混合比1:2，平方米克重为40g/m2, PVA浓度3%时，测得非织造地膜透气率为3715.5mm/s，厚度为0.236mm，断裂强力38.9N，吸湿率1.47%。

2.2　地膜降解率影响因素分析

图13　不同纤维比非织造地膜土埋20d的降解率

图13为不同纤维混合比的红麻地膜土埋20d后的降解率，土埋前测得土壤PH值大约在6.5，土壤含水率为29%。红麻非织造地膜在土埋20天后，降解率最高的是粘麻3:1的地膜，达45%，降解率最低的是全红麻膜。因为相比红麻纤维，粘胶纤维的聚合度和结晶度都较低，比红麻纤维降解更快一些。因此可通过调整纤维比达到控制地膜降解的时间。

2.3　微观测试

(1-粘麻3:1；2-全红麻；3-粘麻1:1；4-粘麻2:1；5-粘麻1:2)

图14五种红麻地膜的ATR-FTIR图

图14为五种红麻地膜的红外光谱图，图中可看出五种地膜的红外吸收光谱大体相似，出现明显的2900 cm-1CH2的吸收峰、1050cm-1处 C-OH伸缩振动的吸收峰、1160 cm-1处纤维素的特征吸收峰等等，说明了红麻纸基地膜中纤维素和半纤维素的大量存在[7-8]。

图15　红麻非织造膜降解前后ATR-FTIR图

图15为土埋降解前后红麻地膜(粘麻3:1)的红外吸收光谱图。从图中看出：土埋前后非织造膜的伸缩振动吸收峰大体相同，土埋20天后，在2893cm-1处C-H伸缩振动减弱，1367 cm-1处纤维素、半纤维素C-H伸缩振动的吸收峰减弱，1160cm-1处纤维素、半纤维素上醚键C-O-C伸缩振动的吸收峰减弱，表明地膜成分中有纤维素和半纤维素被降解[9-10]。

图16　红麻地膜土埋前

图17　红麻地膜土埋降解20d后

上页图16～17是粘麻1:2的非织造地膜在土埋前后的微观形态扫描电镜图，地膜在土埋20天后，薄膜结构明显被破坏，空隙增多，部分纤维受到损伤，地膜发生了降解。若土埋时间更长，预计可在50天左右完全降解。

2.4　纤维比对大豆长势的影响

种子萌发后，地膜覆盖下土壤温湿度见表2。

表2　土壤温度和含水率记录表

表2中可看出，有膜覆盖的土壤温度均高于无膜覆盖的土壤温度，说明非织造膜对土壤具有保温作用[11]。无膜覆盖的土壤含水率为4.5%，其他有膜覆盖的土壤含水率均远远大于无膜覆盖的土壤含水率，说明非织造膜具有较好保湿的作用；对比不同地膜覆盖下土壤的含水率大小，而PE塑料地膜覆盖的土壤含水率最大[12]。大豆种子萌芽胚根长度如表3。

表3　大豆萌芽胚根长度

如表3所示，没有覆盖地膜的G区种子没有发芽，其余覆盖了非织造地膜的种子均发芽，说明非织造地膜具有促进种子萌发的作用。对比不同地膜覆盖下萌发种子胚根的长度，得出E膜粘麻1:2的非织造膜覆盖下的种子生长最快。

3　结论

(1)当粘麻混合比1:2，平方米克重为40g/m2, 分散剂(聚丙烯酰胺)浓度0.1%，粘合剂PVA浓度3%时，获得较优的红麻纸基地膜制备工艺。

(2)较优工艺制备的红麻地膜性能：透气率为3715.5mm/s，厚度为0.236mm，断裂强力38.9N，吸湿率1 47%，保温性略高于PE地膜，保湿性略低于PE地膜。

(3)红麻地膜经过土埋20天的降解率可高达45%，扫描电镜和红外光谱观察显示，纸基地膜在一定时间内可充分降解。可根据种子发芽时间长短，选择适当粘麻纤维比的地膜覆盖。

(4)田间种植试验表明，红麻地膜可满足大豆种子发芽的生长需求，最适宜种子生长的非织造膜的粘麻比为1:2。

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