可降解植物纤维农用地膜纸的制备与性能

来源:用户上传      作者:李辉 赵传山 姜亦飞

　　摘要：以针叶木纤维为原料，通过黏状打浆和添加化学助剂，制备了一种环保型的低透气高抗水的地膜纸，并对地膜纸进行物理强度、透气度和抗水性测试。结果表明，该地膜纸在90°SR，浆内添加2.0%阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）、2.0%聚酰胺多胺环氧氯丙烷（PAE），6 g/m2石蜡涂布量的条件下制备的地膜纸抗张指数为 112.75 N·m2/g，耐破指数为6.88 kPa·m2/g，透气度为0.06 μm/（Pa·s），湿强度为38%;经石蜡抗水处理后，水中浸渍30 h后湿强度在60%以上，在露天农业铺膜应用中具有较高的湿强度。经保温保湿性试验，其保温作用与塑料膜相同，保湿性比塑料膜低4%左右，完全可以代替塑料膜在农业生产中应用。
　　 关键词：可降解植物纤维;农用地膜纸;透气度;抗水性;保温性;保湿性
　　 中图分类号： TS761.3  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）06-0189-05
　　农业铺膜技术是在现代农业生产中应用最广泛的增产技术，具有保温保湿、增加产量的作用。目前农业地膜主要使用以聚乙烯、聚丙烯等为主的塑料薄膜，虽然塑料薄膜成本低廉、价格便宜，但最大的缺点是不可降解，对环境造成白色污染。尤其是埋藏在土壤中的无法降解的细小塑料薄膜碎片，造成土壤严重污染，从而降低农作物产量[1-2]。针对塑料薄膜的污染问题，可降解农业地膜成为研究的重点。纤维素作为绿色天然高分子材料，具有可完全降解的特性，并且原料来源广、可再生、成本低，成为未来替代传统农用塑料地膜的理想材料。目前，作为农用地膜研究的纤维素主要有木质纤维[3-4]、农作物秸秆纤维、废旧棉短绒[5]、麻类纤维[6]等。相对塑料地膜，以纤维素为原料制备的农用地膜纸存在的强度低、透气度高、抗水性差、成本高等问题，是限制地膜紙发展应用的重要因素，但是植物纤维所具有的可降解性和资源再生性优点，使其成为未来绿色能源材料的研究重点。本研究以针叶木纤维为原料，从打浆工艺和化学添加剂2个方面对地膜纸的强度、透气度、抗水性进行研究，从而制备出了低透气、高抗水的环保型农用地膜纸。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验原料与仪器
　　 漂白针叶木浆，山东丰源集团股份有限公司提供;阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）、聚酰胺多胺环氧氯丙烷（PAE），自制;助留剂、石蜡乳液，山东同创化工股份有限公司提供。
　　 PFI磨浆机（日本）;RK-3A凯塞纸页成型器（奥地利）;LFPlus万能拉力机（英国）;SLY-1000耐破度测试仪（中国），SLY-S1撕裂度测试仪（中国）;IMT-228透气度测试仪（中国）;EM-30 Plus扫描电子显微镜（韩国）。
　　1.2 地膜纸的制备
　　 用PFI磨浆机对漂白针叶木浆料进行黏状打浆，分别制得30、50、70、90°SR纸浆，并用不同打浆度的浆料分别制备定量为40 g/m2的地膜纸原纸。在浆料疏解时分别加入0.1%助留剂，以提高纸浆纤维中细小纤维的留着。
　　 选用90°SR纸浆，添加0.1%助留剂和不同量（0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%）CPAM抄制不同抗张强度的40 g/m2地膜纸。
　　 选用90°SR纸浆，添加0.1%助留剂、1.5% CPAM和不同量（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%）PAE抄制不同湿强度的40 g/m2地膜纸。
　　 选用90°SR纸浆，添加0.1%助留剂、1.5% CPAM和2% PAE制备40 g/m2地膜纸。将此地膜纸分别浸渍在不同浓度的石蜡乳液中1 min，之后放入烘箱干燥15 min，制备石蜡涂布量分别为2、4、6、8 g/m2的不同抗水性能的地膜纸。
　　1.3 地膜纸物理性能测试
　　 干抗张强度和湿抗张强度：按国家GB/T 12914—2008《纸和纸板抗张强度的测定》的方法进行。
　　 撕裂度：按国标GB/T 455—2002《纸和纸板 撕裂度的测定》的方法进行。
　　 耐破度：按国标GB/T 454—2002《纸耐破度的测定》的方法进行。
　　 透气度：按国标GB/T 458—2008《纸和纸板透气度的测定》的方法进行。
　　 抗水性：选用5个出水量相同的淋浴喷头，模拟降雨试验，研究地膜纸的抗水性。将未涂石蜡的地膜纸与涂石蜡后的地膜纸分别喷淋6、12、18、24 h后，按GB/T 12914—2008《纸和纸板抗张强度的测定》的方法来测定其湿强度变化。
　　 保温保湿性：选3处环境形相的试验田，分别铺设塑料地膜、地膜纸并以露天环境作对比，用温度计和湿度计测量地下5 cm处的温度和湿度变化。
　　2 结果与分析
　　2.1 打浆度对地膜纸强度的影响
　　 打浆可以有效地改善纤维表面分丝帚化程度和细小纤维数量[7]。用PFI磨浆机对针叶木浆进行黏状打浆，在减少纤维切断的前提下，提高纤维的比表面积可以改善成纸的强度和透气度。
　　 由图1可知，随着纤维打浆度提高，地膜抗张指数、耐破指数逐渐增大，撕裂指数逐渐减小，当打浆度达到90°SR时，抗张指数、耐破指数最大分别为 85 N·m2/g、5.3 kPa·m2/g。这是因为实验室用PFI黏状打浆是以提高纤维的分丝帚化程度为主，对纤维的剪切作用较小，随着打浆度提高，纤维分丝帚化程度增加，同时游离出更多的细小纤维，使氢键大量裸露，促进纤维之间的氢键结合，使纸张结构连接更加紧密，从而提高了地膜纸的抗张强度和耐破度。而地膜的撕裂指数的主要影响因素为纤维长度，随着打浆度提高，纤维不可避免地被切断，同时随着纤维分丝帚化程度的加深纤维直径变细，使得地膜纸的撕裂度呈现减少趋势。
　　2.2 打浆度对地膜纸透气度的影响 　　 透气度是农用地膜的一个重要物理指标，较低的透气度可以使地膜起到很好的保温保墒作用。但是纸基材料的多孔性使制备的地膜纸透气性太高，无法达到地膜的标准。通过提高打浆度的方法可以有效降低地膜纸的透气度。
　　 由图2可知，随着打浆度提高，纸浆细小纤维含量逐渐增加，而地膜纸透气度逐渐降低，特别是90°SR时0.07～0.2 mm长度的细小纤维含量可达51%，而地膜纸透气度降低到 0.06 μm/（Pa·s），虽然细小纤维含量只比30°SR的提高了13%，但是制备的地膜纸透气度却降低了3个数量级。这是因为用PFT磨浆机进行黏状打浆，当打浆度达到90°SR时，纤维表面分丝帚化严重，纤维的比表面积增加，使在地膜纸抄制过程中纤维间的空隙变小。同时打浆过程中游离出的大量细小纤维，在纸页成型时填充到纤维的空隙中，减小了纤维网络中的孔隙的直径，从而有效地降低了地膜纸的透气度。由图3可知，纸张表面孔隙随打浆度提高而减小，当打浆度达到90°SR时，可以清晰地看到地膜纸表面纤维交织形成致密的结构。
　　2.3 干强剂对地膜纸强度的影响
　　 地膜纸因其特殊的使用环境对自身强度要求
　　较高，通过打浆虽然能一定程度地提高地膜的抗张强度和耐破度，但提高的强度有限，必须通过添加一定的干强剂增加纤维之间的结合力，进一步提高地膜纸强度。在纤维打浆度为90°SR的条件下，研究不同CPAM添加量对地膜纸强度的影响。由图4可知，地膜纸的抗张强度随着CPAM用量的增加而呈现增加的趋势，当CPAM用量为2.0%时，抗张指数为112.75 N·m2/g，但抗张强度增加趋势减弱。当CPAM用量为1.5%时，撕裂指数达到最大，为 8.91 mN·m2/g;用量为2.0%时，撕裂指数略有下降。当CPAM用量为1.0%时，耐破指数达到最大，为6.88 kPa·m2/g，之后随着CPAM增加出现持平趋势。因此，确定CPAM在地膜纸中的用量为2.0%。
　　2.4 PAE对地膜纸湿强度的影响
　　 地膜在田间使用过程中，不可避免地会遭遇水汽的影响，特别是在阴雨天气，要求纸基地膜有良好的湿强度。由图5可知，随着PAE用量增加，地膜湿强度逐渐增大;当PAE用量为2.0%时，湿抗张指数和湿强度达到最大，分别为42.5 N·m2/g和38%;继续增加PAE用量，其湿抗张指数增加不明显，但湿强度有所下降，这是由于PAE对地膜纸干
　　抗张也有一定的增强作用，当PAE用量超过2.0%时，湿强度不再增加，干强度在PAE作用下却有所提高，所以湿强度有所下降。综合考虑，确定增湿强剂PAE用量为2.0%。
　　2.5 石蜡乳液对地膜纸抗水性能的影响
　　 石蜡乳液具有抗水性好、成膜均匀、稳定性高、分散性好、无毒无腐蚀、生产工艺简单、使用方便等优点，在造纸、农业等行业广泛应用[8-9]。选用石蜡乳液作为地膜纸表面抗水剂，可以提高地膜纸抗水性，并且因其无毒、无腐蚀性的特点而不会污染土壤，同时其成本低廉可有效降低地膜纸的生产成本。
　　 由图6可知，涂布不同用量的石蜡乳液，地膜纸的湿强度都随淋水时间的增加而降低。其中，石蜡涂布量为2 g/m2的地膜纸湿强度较低，淋水6 h后湿强度降低到63.42%;而石蜡涂布量为4、6、8 g/m2 的地膜纸淋水6 h后具有较高的湿强度，分别为79.4%、81.4%、82.3%。随着淋水时间延长，部分水穿过石蜡表层，渗透到纸张内部，所以湿强度不断下降。30 h后，石蜡涂布量为6、8 g/m2的地膜纸湿强度在60%左右，依然有较高的湿强度。
　　 由图7可知，当石蜡涂布量为4、6 g/m2时接触角较大，分别为99°和105°，而涂布量较低和较高时接触角较小，分为83°和90°。由图8可知，当涂布量为2 g/m2时地膜纸表面纤维未能被石蜡完全覆盖， 因此其更加亲水，接触角小，抗水能力低。而随着石蜡涂布量增加，地膜纸表面裸露纤维减少，石蜡的疏水性使接触角先变大后变小;在石蜡涂布量为4 g/m2时，地膜纸表面大部分已经被石蜡覆盖，但是在纤维较凸起和孔隙较大处，未能覆盖完全，所以虽然接触角较大，但长时间抗水性较差;在石蜡涂布量为6 g/m2时，石蜡已经将地膜纸表面覆盖，由于石蜡用量较少，纸张表面较粗糙，形成近似的荷叶效应，使接触角最大，滴落的水珠从纸张表面滑落，因此抗水性最好;而在石蜡涂布量为 8 g/m2 时，地膜纸表面被大量的石蜡覆盖形成光滑表面，从而使接触角变小。因此确定石蜡涂布量为6 g/m2。
　　2.6 地膜纸保温保湿性研究
　　 农用地膜对土壤的保温保湿作用是最主要作用，因此必须测试可降解地膜的保温保湿性能。由图9可知，2种地膜对土壤都具有较好的保温作用，相对于露天未铺膜的土壤温度提高8 ℃左右。在午后14：00后露天土壤温度开始下降，而2种地膜仍具有较好的保温性，可以持续保温至16：00。2种地膜保温性相差在1 ℃以内，证明2种地膜保温性相差无几，地膜纸可以起到很好的保温作用。由图10可知，相对露天，2种地膜都具有保湿作用，7 d后露天土壤湿度降低到21%，地膜纸和塑料膜分别降低到30%和34%。地膜纸保湿性比塑料膜保湿性差4%，这是因为地膜纸具有一定的透气度，水蒸气可以透过孔隙蒸发掉。虽然地膜纸相对塑料地膜保湿性稍差，但仍具有较好的保湿作用，且具有完全降解性，不会对土壤造成污染。
　　3 总结
　　 本研究以植物纤维为原料，通过打浆处理，添加纤维助剂的方法，研究制备一种可完全降解的环保型地膜纸，此地膜纸的物理强度达到其他塑料地膜的标准，并通过与塑料地膜相比進行保温保湿性试验，保温性能与塑料膜无差异，保湿性7 d后只比塑料膜降低4%。相对于塑料膜的不可降解、造成土壤污染等严重问题，地膜纸完全降解后可转化为植物生长的养料，符合生态农业、绿色农业可持续发展的战略要求。 　　参考文献：
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