可降解植物纖維農(nóng)用地膜紙的制備與性能

李輝 趙傳山 姜亦飛

摘要：以針葉木纖維為原料，通過黏狀打漿和添加化學(xué)助劑，制備了一種環(huán)保型的低透氣高抗水的地膜紙，并對地膜紙進(jìn)行物理強度、透氣度和抗水性測試。結(jié)果表明，該地膜紙在90°SR，漿內(nèi)添加2.0%陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）、2.0%聚酰胺多胺環(huán)氧氯丙烷（PAE），6 g/m2石蠟涂布量的條件下制備的地膜紙抗張指數(shù)為 112.75 N·m2/g，耐破指數(shù)為6.88 kPa·m2/g，透氣度為0.06 μm/（Pa·s），濕強度為38%;經(jīng)石蠟抗水處理后，水中浸漬30 h后濕強度在60%以上，在露天農(nóng)業(yè)鋪膜應(yīng)用中具有較高的濕強度。經(jīng)保溫保濕性試驗，其保溫作用與塑料膜相同，保濕性比塑料膜低4%左右，完全可以代替塑料膜在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：可降解植物纖維;農(nóng)用地膜紙;透氣度;抗水性;保溫性;保濕性

中圖分類號： TS761.3? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號：1002-1302（2020）06-0189-05

農(nóng)業(yè)鋪膜技術(shù)是在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的增產(chǎn)技術(shù)，具有保溫保濕、增加產(chǎn)量的作用。目前農(nóng)業(yè)地膜主要使用以聚乙烯、聚丙烯等為主的塑料薄膜，雖然塑料薄膜成本低廉、價格便宜，但最大的缺點是不可降解，對環(huán)境造成白色污染。尤其是埋藏在土壤中的無法降解的細(xì)小塑料薄膜碎片，造成土壤嚴(yán)重污染，從而降低農(nóng)作物產(chǎn)量[1-2]。針對塑料薄膜的污染問題，可降解農(nóng)業(yè)地膜成為研究的重點。纖維素作為綠色天然高分子材料，具有可完全降解的特性，并且原料來源廣、可再生、成本低，成為未來替代傳統(tǒng)農(nóng)用塑料地膜的理想材料。目前，作為農(nóng)用地膜研究的纖維素主要有木質(zhì)纖維[3-4]、農(nóng)作物秸稈纖維、廢舊棉短絨[5]、麻類纖維[6]等。相對塑料地膜，以纖維素為原料制備的農(nóng)用地膜紙存在的強度低、透氣度高、抗水性差、成本高等問題，是限制地膜紙發(fā)展應(yīng)用的重要因素，但是植物纖維所具有的可降解性和資源再生性優(yōu)點，使其成為未來綠色能源材料的研究重點。本研究以針葉木纖維為原料，從打漿工藝和化學(xué)添加劑2個方面對地膜紙的強度、透氣度、抗水性進(jìn)行研究，從而制備出了低透氣、高抗水的環(huán)保型農(nóng)用地膜紙。

1 材料與方法

1.1 試驗原料與儀器

漂白針葉木漿，山東豐源集團股份有限公司提供;陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）、聚酰胺多胺環(huán)氧氯丙烷（PAE），自制;助留劑、石蠟乳液，山東同創(chuàng)化工股份有限公司提供。

PFI磨漿機（日本）;RK-3A凱塞紙頁成型器（奧地利）;LFPlus萬能拉力機（英國）;SLY-1000耐破度測試儀（中國），SLY-S1撕裂度測試儀（中國）;IMT-228透氣度測試儀（中國）;EM-30 Plus掃描電子顯微鏡（韓國）。

1.2 地膜紙的制備

用PFI磨漿機對漂白針葉木漿料進(jìn)行黏狀打漿，分別制得30、50、70、90°SR紙漿，并用不同打漿度的漿料分別制備定量為40 g/m2的地膜紙原紙。在漿料疏解時分別加入0.1%助留劑，以提高紙漿纖維中細(xì)小纖維的留著。

選用90°SR紙漿，添加0.1%助留劑和不同量（0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%）CPAM抄制不同抗張強度的40 g/m2地膜紙。

選用90°SR紙漿，添加0.1%助留劑、1.5% CPAM和不同量（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%）PAE抄制不同濕強度的40 g/m2地膜紙。

選用90°SR紙漿，添加0.1%助留劑、1.5% CPAM和2% PAE制備40 g/m2地膜紙。將此地膜紙分別浸漬在不同濃度的石蠟乳液中1 min，之后放入烘箱干燥15 min，制備石蠟涂布量分別為2、4、6、8 g/m2的不同抗水性能的地膜紙。

1.3 地膜紙物理性能測試

干抗張強度和濕抗張強度：按國家GB/T 12914—2008《紙和紙板抗張強度的測定》的方法進(jìn)行。

撕裂度：按國標(biāo)GB/T 455—2002《紙和紙板 撕裂度的測定》的方法進(jìn)行。

耐破度：按國標(biāo)GB/T 454—2002《紙耐破度的測定》的方法進(jìn)行。

透氣度：按國標(biāo)GB/T 458—2008《紙和紙板透氣度的測定》的方法進(jìn)行。

抗水性：選用5個出水量相同的淋浴噴頭，模擬降雨試驗，研究地膜紙的抗水性。將未涂石蠟的地膜紙與涂石蠟后的地膜紙分別噴淋6、12、18、24 h后，按GB/T 12914—2008《紙和紙板抗張強度的測定》的方法來測定其濕強度變化。

保溫保濕性：選3處環(huán)境形相的試驗田，分別鋪設(shè)塑料地膜、地膜紙并以露天環(huán)境作對比，用溫度計和濕度計測量地下5 cm處的溫度和濕度變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 打漿度對地膜紙強度的影響

打漿可以有效地改善纖維表面分絲帚化程度和細(xì)小纖維數(shù)量[7]。用PFI磨漿機對針葉木漿進(jìn)行黏狀打漿，在減少纖維切斷的前提下，提高纖維的比表面積可以改善成紙的強度和透氣度。

由圖1可知，隨著纖維打漿度提高，地膜抗張指數(shù)、耐破指數(shù)逐漸增大，撕裂指數(shù)逐漸減小，當(dāng)打漿度達(dá)到90°SR時，抗張指數(shù)、耐破指數(shù)最大分別為 85 N·m2/g、5.3 kPa·m2/g。這是因為實驗室用PFI黏狀打漿是以提高纖維的分絲帚化程度為主，對纖維的剪切作用較小，隨著打漿度提高，纖維分絲帚化程度增加，同時游離出更多的細(xì)小纖維，使氫鍵大量裸露，促進(jìn)纖維之間的氫鍵結(jié)合，使紙張結(jié)構(gòu)連接更加緊密，從而提高了地膜紙的抗張強度和耐破度。而地膜的撕裂指數(shù)的主要影響因素為纖維長度，隨著打漿度提高，纖維不可避免地被切斷，同時隨著纖維分絲帚化程度的加深纖維直徑變細(xì)，使得地膜紙的撕裂度呈現(xiàn)減少趨勢。

2.2 打漿度對地膜紙透氣度的影響

透氣度是農(nóng)用地膜的一個重要物理指標(biāo)，較低的透氣度可以使地膜起到很好的保溫保墑作用。但是紙基材料的多孔性使制備的地膜紙透氣性太高，無法達(dá)到地膜的標(biāo)準(zhǔn)。通過提高打漿度的方法可以有效降低地膜紙的透氣度。

由圖2可知，隨著打漿度提高，紙漿細(xì)小纖維含量逐漸增加，而地膜紙透氣度逐漸降低，特別是90°SR時0.07～0.2 mm長度的細(xì)小纖維含量可達(dá)51%，而地膜紙透氣度降低到 0.06 μm/（Pa·s），雖然細(xì)小纖維含量只比30°SR的提高了13%，但是制備的地膜紙透氣度卻降低了3個數(shù)量級。這是因為用PFT磨漿機進(jìn)行黏狀打漿，當(dāng)打漿度達(dá)到90°SR時，纖維表面分絲帚化嚴(yán)重，纖維的比表面積增加，使在地膜紙抄制過程中纖維間的空隙變小。同時打漿過程中游離出的大量細(xì)小纖維，在紙頁成型時填充到纖維的空隙中，減小了纖維網(wǎng)絡(luò)中的孔隙的直徑，從而有效地降低了地膜紙的透氣度。由圖3可知，紙張表面孔隙隨打漿度提高而減小，當(dāng)打漿度達(dá)到90°SR時，可以清晰地看到地膜紙表面纖維交織形成致密的結(jié)構(gòu)。

2.3 干強劑對地膜紙強度的影響

地膜紙因其特殊的使用環(huán)境對自身強度要求

較高，通過打漿雖然能一定程度地提高地膜的抗張強度和耐破度，但提高的強度有限，必須通過添加一定的干強劑增加纖維之間的結(jié)合力，進(jìn)一步提高地膜紙強度。在纖維打漿度為90°SR的條件下，研究不同CPAM添加量對地膜紙強度的影響。由圖4可知，地膜紙的抗張強度隨著CPAM用量的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢，當(dāng)CPAM用量為2.0%時，抗張指數(shù)為112.75 N·m2/g，但抗張強度增加趨勢減弱。當(dāng)CPAM用量為1.5%時，撕裂指數(shù)達(dá)到最大，為 8.91 mN·m2/g;用量為2.0%時，撕裂指數(shù)略有下降。當(dāng)CPAM用量為1.0%時，耐破指數(shù)達(dá)到最大，為6.88 kPa·m2/g，之后隨著CPAM增加出現(xiàn)持平趨勢。因此，確定CPAM在地膜紙中的用量為2.0%。

2.4 PAE對地膜紙濕強度的影響

地膜在田間使用過程中，不可避免地會遭遇水汽的影響，特別是在陰雨天氣，要求紙基地膜有良好的濕強度。由圖5可知，隨著PAE用量增加，地膜濕強度逐漸增大;當(dāng)PAE用量為2.0%時，濕抗張指數(shù)和濕強度達(dá)到最大，分別為42.5 N·m2/g和38%;繼續(xù)增加PAE用量，其濕抗張指數(shù)增加不明顯，但濕強度有所下降，這是由于PAE對地膜紙干

抗張也有一定的增強作用，當(dāng)PAE用量超過2.0%時，濕強度不再增加，干強度在PAE作用下卻有所提高，所以濕強度有所下降。綜合考慮，確定增濕強劑PAE用量為2.0%。

2.5 石蠟乳液對地膜紙抗水性能的影響

石蠟乳液具有抗水性好、成膜均勻、穩(wěn)定性高、分散性好、無毒無腐蝕、生產(chǎn)工藝簡單、使用方便等優(yōu)點，在造紙、農(nóng)業(yè)等行業(yè)廣泛應(yīng)用[8-9]。選用石蠟乳液作為地膜紙表面抗水劑，可以提高地膜紙抗水性，并且因其無毒、無腐蝕性的特點而不會污染土壤，同時其成本低廉可有效降低地膜紙的生產(chǎn)成本。

由圖6可知，涂布不同用量的石蠟乳液，地膜紙的濕強度都隨淋水時間的增加而降低。其中，石蠟涂布量為2 g/m2的地膜紙濕強度較低，淋水6 h后濕強度降低到63.42%;而石蠟涂布量為4、6、8 g/m2 的地膜紙淋水6 h后具有較高的濕強度，分別為79.4%、81.4%、82.3%。隨著淋水時間延長，部分水穿過石蠟表層，滲透到紙張內(nèi)部，所以濕強度不斷下降。30 h后，石蠟涂布量為6、8 g/m2的地膜紙濕強度在60%左右，依然有較高的濕強度。

由圖7可知，當(dāng)石蠟涂布量為4、6 g/m2時接觸角較大，分別為99°和105°，而涂布量較低和較高時接觸角較小，分為83°和90°。由圖8可知，當(dāng)涂布量為2 g/m2時地膜紙表面纖維未能被石蠟完全覆蓋， 因此其更加親水，接觸角小，抗水能力低。而隨著石蠟涂布量增加，地膜紙表面裸露纖維減少，石蠟的疏水性使接觸角先變大后變小;在石蠟涂布量為4 g/m2時，地膜紙表面大部分已經(jīng)被石蠟覆蓋，但是在纖維較凸起和孔隙較大處，未能覆蓋完全，所以雖然接觸角較大，但長時間抗水性較差;在石蠟涂布量為6 g/m2時，石蠟已經(jīng)將地膜紙表面覆蓋，由于石蠟用量較少，紙張表面較粗糙，形成近似的荷葉效應(yīng)，使接觸角最大，滴落的水珠從紙張表面滑落，因此抗水性最好;而在石蠟涂布量為 8 g/m2 時，地膜紙表面被大量的石蠟覆蓋形成光滑表面，從而使接觸角變小。因此確定石蠟涂布量為6 g/m2。

2.6 地膜紙保溫保濕性研究

農(nóng)用地膜對土壤的保溫保濕作用是最主要作用，因此必須測試可降解地膜的保溫保濕性能。由圖9可知，2種地膜對土壤都具有較好的保溫作用，相對于露天未鋪膜的土壤溫度提高8 ℃左右。在午后14：00后露天土壤溫度開始下降，而2種地膜仍具有較好的保溫性，可以持續(xù)保溫至16：00。2種地膜保溫性相差在1 ℃以內(nèi)，證明2種地膜保溫性相差無幾，地膜紙可以起到很好的保溫作用。由圖10可知，相對露天，2種地膜都具有保濕作用，7 d后露天土壤濕度降低到21%，地膜紙和塑料膜分別降低到30%和34%。地膜紙保濕性比塑料膜保濕性差4%，這是因為地膜紙具有一定的透氣度，水蒸氣可以透過孔隙蒸發(fā)掉。雖然地膜紙相對塑料地膜保濕性稍差，但仍具有較好的保濕作用，且具有完全降解性，不會對土壤造成污染。

3 總結(jié)

本研究以植物纖維為原料，通過打漿處理，添加纖維助劑的方法，研究制備一種可完全降解的環(huán)保型地膜紙，此地膜紙的物理強度達(dá)到其他塑料地膜的標(biāo)準(zhǔn)，并通過與塑料地膜相比進(jìn)行保溫保濕性試驗，保溫性能與塑料膜無差異，保濕性7 d后只比塑料膜降低4%。相對于塑料膜的不可降解、造成土壤污染等嚴(yán)重問題，地膜紙完全降解后可轉(zhuǎn)化為植物生長的養(yǎng)料，符合生態(tài)農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。

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