黃麻/棉非織造農(nóng)用地膜的性能研究

何俊俊，楊建忠，張譯文，崔雙科

(1.西安工程大學紡織科學與工程學院，陜西西安 710048；2.南通大學紡織服裝學院，江蘇南通 226019；3.陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計院，陜西西安 710048)

0 前言

在20世紀70年代，我國農(nóng)用地膜的產(chǎn)量和消費量都呈現(xiàn)顯著的增長趨勢，就目前形勢來看農(nóng)用地膜的實際應用是一項極其優(yōu)良的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)技術(shù)，但殘留下來的地膜加劇了田地的污染問題[1]。原料為聚乙烯或聚氯乙烯的農(nóng)用塑料地膜依舊是目前實際使用的主體，這兩種物質(zhì)均具有毒性，并且廢棄后的殘留物極難降解，對生態(tài)環(huán)境再次造成白色污染。農(nóng)用非織造布是為解決其他農(nóng)用薄膜材料導致的污染問題和自身的功能性缺陷而研究的新型農(nóng)用改良材料，同時也是一種產(chǎn)業(yè)用紡織品。但這種材料依舊在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域引發(fā)了第二次白色革命[2]。 近年來，國內(nèi)外研制出了兩種可降解薄膜：光降解薄膜(降解過程不容易控制，但其降解速率快，因為受到降解條件的限制而沒有得到廣泛的發(fā)展)，合成高分子型的生物降解薄膜(因其各項性能比較優(yōu)異，目前發(fā)展比較穩(wěn)定)。隨著綠色環(huán)保、資源再利用等思想的出現(xiàn)，生物降解型非織造材料無任何污染，其原料多為人造纖維和天然纖維，如麻、棉、絲、醋酸纖維、粘膠纖維等[3]。研究開發(fā)可生物降解的天然纖維素纖維非織造地膜已成為國內(nèi)外熱點[4]。本文從低成本、環(huán)保、工藝簡單的角度出發(fā)，選取產(chǎn)量高、無污染、全降解的黃麻和棉纖維作為生產(chǎn)非織造農(nóng)用地膜的主要原料，再加入少量ES纖維進行混合，利用針刺法非織造技術(shù)加工生產(chǎn)。通過原料配比選出最優(yōu)地膜所要求的厚度、透水性等各個性能要求。

1 實驗部分

1.1 實驗材料、儀器

實驗材料：黃麻纖維，棉纖維，ES纖維

實驗儀器:BSA224S-CW型電子天平(賽多利斯科學儀器(北京)有限公司)，YG142型手提式織物厚度儀(寧波紡織儀器廠)，YG065型電子織物強力儀(萊州市電子儀器有限公司)，YG(B)031PC型臺式電子織物頂破強力儀，YG(B)461E型數(shù)字式織物透氣性能測定儀，YG(B)401T型馬丁代爾耐磨儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)，YG606N織物保溫性能測試儀(南通宏大實驗儀器有限公司)，GZX-GF-101AB-2電熱恒溫鼓風干燥箱(上海華聯(lián)環(huán)境試驗設(shè)備公司恒昌儀器廠)。

1.2 黃麻/棉非織造農(nóng)用地膜的制備

1.2.1 材料配比

一般情況下購進的黃麻纖維為麻條狀態(tài)，首先需要我們自己用鍘刀剪成38mm長(此長度的確定是因為針刺工藝適用于中長型纖維)，再將棉條手扯開松，ES纖維也先手動開松一下，然后以前期查找相關(guān)文獻取證確定的四種纖維配比(詳見表1)為依據(jù)，分別進行稱重，將稱好的三種纖維手動混合使其盡量均勻，再均勻的鋪在底簾上經(jīng)由梳理機再次開松，再經(jīng)由鋪網(wǎng)機進行鋪網(wǎng)。由于黃麻較硬，要時刻注意成網(wǎng)狀態(tài)以便及時調(diào)整。纖維的梳理是非織造生產(chǎn)技術(shù)中相當重要的一道工序，其作用主要為混合和均勻，目的為將纖維束分離成單纖維狀態(tài)，對纖維進行初步的定向和伸直，盡量是纖維方向趨向于纖維層前進方向[5]。

表1 原材料纖維配比

1.2.2 針刺加固工藝

將經(jīng)過開松梳理鋪好的網(wǎng)，送入到預針刺機進行預針刺，克重盡量控制在100g/m2。然后再將經(jīng)過預針刺形成的針刺氈送到主針刺機上進行加固。針刺加固的原理為：刺針刺入纖網(wǎng)，刺針下部的鉤刺就會帶著一些表面和里層的纖維隨刺針一起穿過纖網(wǎng)層；當刺針刺入一定深度后就會回升，而刺針的鉤刺全部是順向的纖維就會脫離鉤刺，以幾乎為垂直的狀態(tài)留在纖網(wǎng)中，纖維就是在這樣的往復運動過程中發(fā)生自身的相互纏結(jié)，已經(jīng)被壓縮的纖網(wǎng)就不會再恢復原來蓬松的狀態(tài)，從而形成了具有一定厚度、一定強度的針刺非織造材料[6]。

1.3 實驗性能測試

1.3.1 厚度及克重的測定

采用BSA224S-CW型電子天平和YG142型手提式織物厚度儀測試加固后的針刺非織造材料的克重和厚度。

1.3.2 強力測試

(1)拉伸斷裂強力測試

采用YG065型電子織物強力儀測試加固后的針刺非織造材料的斷裂強力，試樣規(guī)格：5cm×20cm。

(2)頂破強力測試

YG(B)031PC型臺式電子織物頂破強力儀測試加固后針刺非織造材料的頂破強力，試樣規(guī)格：直徑81mm的圓。

1.3.3 耐磨性能測試

采用YG(B)401T型馬丁代爾耐磨儀測試加固后針刺非織造材料的耐磨性能。此實驗不需要自己剪樣，可以直接用附帶的取樣器進行取樣，設(shè)置耐磨次數(shù)為2000次，時間為20min，觸摸啟動鍵，儀器便開始對試樣進行磨損，直到摩擦次數(shù)為0，儀器自動停止，取下試樣，在評級箱內(nèi)對比標準樣照，評定每塊試樣的起球程度。

1.3.4 透氣性能測試

采用YG(B)461E型數(shù)字式織物透氣性能測定儀測試加固后針刺非織造材料的透氣性能，試樣規(guī)格：20cm×20cm。

1.3.5 保暖性能測試

采用YG606N型織物保溫儀測試加固后針刺非織造材料的保暖性能，試樣規(guī)格：30cm×30cm。

1.3.6 降解性能測試

(1)土埋法降解性的測試

采用BSA224S-CW型電子天平和GZX-GF-101AB-2型電熱恒溫鼓風干燥箱測試非織造材料的降解性。降解性是用質(zhì)量損失率來評判的，故可以直接用克重(規(guī)定尺寸為10cm×10cm)測試的試樣進行降解試驗。將裁剪好的試樣先放在在真空干燥箱中烘干，烘干到到質(zhì)量不再發(fā)生變化為止，稱取其重量記錄為降解前試樣的初始質(zhì)量M0；然后再將稱重后的試樣完全埋在自然環(huán)境下的土壤中，掩埋深度5cm～10cm；從開始放進泥土時計算時間，分別在10天、15天、20天、25天、30天、35天、40天的時候把試樣取出，先用干凈的蒸餾水將其洗凈，再放在真空干燥箱中烘干后稱重，并記錄各試樣在降解之后的質(zhì)量M1。

評判方法：計算試樣的質(zhì)量損失率，計算公式如下：

式中：M0—降解前的質(zhì)量，單位/g；

M1—降解后的質(zhì)量，單位/g；

D—質(zhì)量損失率，單位/%。

(2)酸性溶液中降解性的測試

棉麻非織造農(nóng)用地膜在土壤中自然降解時不僅受到土壤pH的影響，并且耗時也很長，研究得出堿性土壤利于麻地膜的降解[7]，但是棉和麻都具有耐堿不耐酸的特性，從而設(shè)置了將試樣完全浸泡在濃度為50g/L的醋酸溶液中進行降解的對比試驗，通過比較查看此方法是否可以加快其降解速度。

1.3.7 保墑性能測試

采用GG-17型燒杯和BSA224S-CW型電子天平測試非織造材料。地膜覆蓋技術(shù)的高效使用還有一個原因就是其具有的保墑作用，從而達到高產(chǎn)的目的。麻地膜覆蓋技術(shù)不僅利于雨水的滲入，還可以制止土壤本身含有的水分的蒸發(fā)[8]。從地膜自身的實用性能的研究方向出發(fā)，與傳統(tǒng)塑料地膜相比，也需要對黃麻/棉非織造地膜的保墑性進行研究。本次實驗中采取用保水率表征織物的保墑性能。

將試樣剪成直徑是12cm的圓，先分別測出其在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量W0，然后將試樣完全浸泡在蒸餾水中，直到試樣達到完全浸潤狀態(tài)取出試樣，手持試樣懸空在空氣中讓其自然瀝去部分水分，直至織物吸附的不會以液滴的形式滴落，再將其放在電子稱重儀上稱重記為Wm，此時可以當作織物達到飽和吸水狀態(tài)。

織物的保水率計算公式：

K=(Wm-W0)/W0×100%

式中：Wm—飽和吸水后的質(zhì)量，單位/g；

W0—干燥狀態(tài)的質(zhì)量，單位/g；

K—保水率，單位/%。

2 結(jié)果與討論

2.1 厚度與克重分析

2.1.1 厚度分析

非織造材料的厚度主要受針刺工藝參數(shù)及熱軋工藝參數(shù)影響，而本課題主要研究的是纖維配比對材料性能的影響，所以本課題的針刺參數(shù)根據(jù)前

人經(jīng)驗選擇性能均體現(xiàn)良好的針刺密度為120刺/cm2，針刺深度為6mm，又由于條件限制原因并沒有進行熱軋工藝，則厚度只受手動控制克重程度的影響，克重偏大則厚度就偏厚。

2.1.2 克重分析

依據(jù)配比得到的克重結(jié)果如表2所示。

表2 克重變化趨勢

根據(jù)表2得出，研究的材料克重值基本浮動在100g/m2左右。

2.2 強力分析

2.2.1 拉伸斷裂強力分析：

拉伸斷裂強力如圖1所示。

圖1 不同纖維配比對縱、橫向拉伸斷裂強力的影響

當針刺密度不變時，強力隨著針刺深度增加，先增大后減??；當針刺深度不變時，強力隨著針刺密度增加，也呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。這是因為隨著纖維纏結(jié)效果的增強，強力也不斷增強；當纏結(jié)效果過度，纖維發(fā)生斷裂，強力便開始減小。從圖1可清楚的看出，縱向強力均大于橫向強力，有此現(xiàn)象是因為纖維經(jīng)過開松梳理鋪網(wǎng)后，纖維呈縱向排列，故縱向強力明顯大于橫向強力。

2.2.2 頂破強力分析

頂破強力如圖2、圖3所示。

圖2 經(jīng)過頂破強力測試的試樣形態(tài)

圖3 經(jīng)過頂破強力測試的試樣形態(tài)

當黃麻的含量大于棉時，地膜的頂破強力大于塑料地膜；而當黃麻的含量小于棉時，地膜的強力就小于塑料地膜。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是由于麻纖維本身的強力大于棉，所以麻的含量越多所形成的材料的頂破強力越大。

2.3 耐磨性數(shù)據(jù)分析

圖4為試樣經(jīng)過耐磨實驗后的圖像。

圖4 經(jīng)過耐磨后的試樣形態(tài)

從圖4中可直觀的看出，起球程度從左到右逐漸變小，而圖中試樣從左至右的排列也是按黃麻含量逐漸變小的規(guī)律排序的。因此，起球程度也受黃麻含量的多少影響，有可能是由于黃麻含量多，纖維纏結(jié)程度小，材料易起球。

2.4 透氣性數(shù)據(jù)分析

圖5為不同配比纖維的透氣性圖像。

圖5 不同纖維配比對透氣率的影響

從圖5可知，塑料地膜幾乎不透氣，而黃麻/棉非織造農(nóng)用地膜在針刺參數(shù)相同，厚度幾乎相同，不同配比的情況下，其透氣率先增大后減小。在配比為6:3:1的時候，透氣性最好。

2.5 保暖性數(shù)據(jù)分析

圖6為不同纖維配比對保暖性的影響。

圖6 不同纖維配比對克羅值的影響

從圖6可知，盡管塑料地膜非常薄，但仍具有一定的保暖性，當選取棉麻地膜的厚度均為0.55mm測試時，發(fā)現(xiàn)保暖性是先增大后減小的變化規(guī)律，當比例為5:4:1時，保暖性最為良好。

2.6 降解性數(shù)據(jù)分析

2.6.1 土埋法試樣質(zhì)量損失率(D)分析

圖7為不同配比的纖維試樣隨著土埋不同放置天數(shù)的增加的質(zhì)量損失率。

圖7 不同纖維配比的土埋法降解40天的質(zhì)量損失率

從圖7可以得出結(jié)論：10天時降解程度很小，隨黃麻含量的降低而減小；15天的時候質(zhì)量損失率增大的不多，但不再是逐漸就變小的趨勢，配比為6:3:1的降解性表現(xiàn)最為優(yōu)良；20天、25天、30天此規(guī)律依舊存在，當35天、40天時配比為5:4:1的降解性有所增加，但依舊沒有配比為6:3:1時的降解性好，故得出當纖維配比為6:3:1的時候，降解性能最好。

2.6.2 酸性溶液法試樣質(zhì)量損失率(D)分析

圖8為不同配比的纖維試樣在醋酸溶液中浸漬不同時間的質(zhì)量的變化。

圖8 不同纖維配比的酸性溶液浸泡法降解的質(zhì)量損失率

從圖8可以看出，試樣在酸性溶液中浸泡降解時，隨著棉的含量增多，質(zhì)量損失先增大后減小，配比為5:4:1時表現(xiàn)最好。這可能是因為醋酸為弱酸，對黃麻的影響十分緩慢，而棉的耐酸性相對弱于黃麻，故受棉含量的多少影響。

2.7 保墑性數(shù)據(jù)分析

圖9為不同纖維配比的保水率。

圖 9 不同纖維配比的保水率

當黃麻的含量高于棉的含量時，隨著黃麻含量的降低，保水率逐漸降低，這可能是由于黃麻的吸水性優(yōu)于棉；當黃麻的含量低于棉的含量時，保水率有上升趨勢，這可能是由于棉的含量增多了。地膜保水率過高也不好，故選擇配比為6:3:1最優(yōu)。

3 結(jié)論

拉伸斷裂強力受厚度影響最大，同時也受加固工藝影響。本課題中材料的強力遠低于塑料；由于此材料遠遠厚于塑料地膜，故頂破強力遠大于塑料，且黃麻含量越少強力越??；透氣性則是配比為6:3:1的最為良好；厚度相同的情況下，配比為5:4:1的保暖性能最為良好；經(jīng)過比對，此地膜更適合自然降解，降解后的物質(zhì)同時可作為肥料，配比為6:3:1時降解性能最好；黃麻含量越多，材料的保水性越好，考慮到合適性，依舊選取配比為6:3:1最優(yōu)。

綜上得出，黃麻：棉：ES纖維=6:3:1為最好的配比，性能最優(yōu)。