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        可降解植物纖維農(nóng)用地膜紙的制備與性能

        2020-05-21 03:33:29李輝趙傳山姜亦飛
        江蘇農(nóng)業(yè)科學 2020年6期

        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,并對地膜紙進行物理強度、透氣度和抗水性測試。結果表明,該地膜紙在90°SR,漿內添加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)中應用。

        關鍵詞: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? 文獻標志碼: A? 文章編號:1002-1302(2020)06-0189-05

        農(nóng)業(yè)鋪膜技術是在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用最廣泛的增產(chǎn)技術,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小塑料薄膜碎片,造成土壤嚴重污染,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,從打漿工藝和化學添加劑2個方面對地膜紙的強度、透氣度、抗水性進行研究,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》的方法進行。

        撕裂度:按國標GB/T 455—2002《紙和紙板 撕裂度的測定》的方法進行。

        耐破度:按國標GB/T 454—2002《紙耐破度的測定》的方法進行。

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

        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小纖維數(shù)量[7]。用PFI磨漿機對針葉木漿進行黏狀打漿,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,當打漿度達到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小纖維,使氫鍵大量裸露,促進纖維之間的氫鍵結合,使紙張結構連接更加緊密,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,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,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,無法達到地膜的標準。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長度的細小纖維含量可達51%,而地膜紙透氣度降低到 0.06 μm/(Pa·s),雖然細小纖維含量只比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磨漿機進行黏狀打漿,當打漿度達到90°SR時,纖維表面分絲帚化嚴重,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,當打漿度達到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構。

        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合力,進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CPAM用量為1.5%時,撕裂指數(shù)達到最大,為 8.91 mN·m2/g;用量為2.0%時,撕裂指數(shù)略有下降。當CPAM用量為1.0%時,耐破指數(shù)達到最大,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PAE用量為2.0%時,濕抗張指數(shù)和濕強度達到最大,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,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,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

        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到其他塑料地膜的標準,并通過與塑料地膜相比進行保溫保濕性試驗,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、造成土壤污染等嚴重問題,地膜紙完全降解后可轉化為植物生長的養(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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