王思思 韋 煒 鄒漢濤 劉 濤 胡 奇 湯清倫

武漢紡織大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430200

無土栽培用聚乳酸/苧麻落麻非織造布基質(zhì)的制備及性能研究*

王思思 韋 煒 鄒漢濤 劉 濤 胡 奇 湯清倫

武漢紡織大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430200

以聚乳酸纖維和苧麻落麻纖維為原料制成的針刺非織造布為研究對(duì)象，著重分析纖維原料的不同混合比對(duì)非織造布的拉伸斷裂強(qiáng)力、透氣性、保暖性、芯吸效應(yīng)和含液率等性能的影響及其原因，并將聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布作為無土栽培基質(zhì)進(jìn)行草坪種植試驗(yàn)，結(jié)果顯示種植出的小麥草生長(zhǎng)狀況良好，發(fā)芽率高達(dá)97.7%，證明其作為無土栽培基質(zhì)可行。

聚乳酸纖維，苧麻落麻纖維，針刺非織造布，無土栽培

無土栽培是指不使用天然土壤，利用營(yíng)養(yǎng)液或固體基質(zhì)加營(yíng)養(yǎng)液的方式栽培作物的一種方法。我國無土栽培技術(shù)的研究始于20世紀(jì)90年代初期，主要開發(fā)的栽培基材產(chǎn)品有合成纖維織物基速生天然草毯和合成纖維非織造布無土栽培基質(zhì)等。其中，非織造布具有的獨(dú)特的三維立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和足夠的力學(xué)強(qiáng)度，以及所形成的孔隙空間較穩(wěn)定等，有利于根系擴(kuò)張固定植物，使植物分布均勻，同時(shí)還擁有足夠大的孔隙率，可容納大量的營(yíng)養(yǎng)液和空氣，是一種理想的無土栽培基質(zhì)[1- 3]。近年非織造布以其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì),如可人工調(diào)節(jié)、孔隙率大、透氣透水性好、整塊連片、無病蟲害、清潔衛(wèi)生，以及比土壤能更好地滿足植物生長(zhǎng)所需的水、肥、氣、熱等四大條件等，在無土栽培領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注[4-9]。

非織造布無土栽培基質(zhì)多數(shù)以合成纖維(如聚丙烯、聚酯和聚酰胺纖維等)為原料，存在廢棄物不能降解或降解物會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染等問題，因此，開發(fā)可自然降解的產(chǎn)品是其重要的發(fā)展方向[10-13]。苧麻在紡織過程中會(huì)產(chǎn)生大量的落麻纖維。利用苧麻落麻纖維開發(fā)天然可降解的非織造布無土栽培基質(zhì)，可提升苧麻落麻纖維的使用價(jià)值，為苧麻落麻纖維的利用找到新的增值途徑，這具有很大的意義。本研究主要采用完全可生物降解的聚乳酸纖維和苧麻落麻纖維為原料，通過針刺加工制成環(huán)境友好型非織造布，測(cè)試分析該非織造布的相關(guān)性能，并進(jìn)行草坪種植試驗(yàn)，探索其作為無土栽培基質(zhì)的應(yīng)用可行性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料的選擇

聚乳酸纖維(長(zhǎng)度55 mm、線密度1.54 dtex)，苧麻落麻纖維(長(zhǎng)度30～50 mm、線密度4.67 dtex)。

1.2 設(shè)備與儀器

YG(B)026-250型電子織物強(qiáng)力儀；YG(B)461D型數(shù)字式織物透氣量?jī)x；YG(B)606D型平板式保溫儀；YG(B)871型毛細(xì)管效應(yīng)測(cè)定儀。

1.3 試樣制備

將聚乳酸纖維和苧麻落麻纖維按一定質(zhì)量配比進(jìn)行混合，再通過針刺加工工藝制備出不同的非織造布樣品。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 拉伸斷裂強(qiáng)力

將不同質(zhì)量配比的非織造布樣品在YG(B)026- 250型電子織物強(qiáng)力儀上測(cè)試其拉伸斷裂強(qiáng)力。試樣大小為20 cm×5 cm。每種試樣測(cè)試10組，測(cè)試結(jié)果取平均值。

1.4.2 透氣性

將不同質(zhì)量配比的非織造布樣品在YG(B)461D型數(shù)字式織物透氣量?jī)x上測(cè)試其透氣性。試樣面積為20 cm2。每種試樣測(cè)試10組，測(cè)試結(jié)果取平均值。

1.4.3 保暖性

將不同質(zhì)量配比的非織造布樣品在YG(B)606D型平板式保溫儀上測(cè)試其傳熱系數(shù)。試樣大小為30 cm×30 cm。每種試樣測(cè)試10組，測(cè)試結(jié)果取平均值。

1.4.4 芯吸高度與芯吸速率

將不同質(zhì)量配比的非織造布樣品在YG(B)871型毛細(xì)管效應(yīng)測(cè)定儀上測(cè)試其芯吸高度，記錄規(guī)定時(shí)間內(nèi)液體沿織物縫隙上升或滲入的高度，即為芯吸高度。試樣大小為20 cm×5 cm，測(cè)試溫度保持30 ℃恒溫，測(cè)試時(shí)間為30 min。芯吸速率利用樣品30 min內(nèi)每間隔5 min的芯吸高度來表征。

1.4.5 含液率

分別對(duì)不同質(zhì)量配比的非織造布樣品的干態(tài)質(zhì)量和芯吸完成后的濕態(tài)質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，再按照下式分別計(jì)算試樣的含液率(w)：

式中：m1——試樣的干態(tài)質(zhì)量，g；m2——試樣芯吸后的濕態(tài)質(zhì)量，g。

1.4.6 小麥草的栽培

以聚乳酸/苧麻落麻(質(zhì)量配比為40∶60)針刺非織造布作為無土栽培基質(zhì)，將浸種后的300粒小麥草種子均勻撒于基質(zhì)表面，定期澆水，觀察小麥草的生長(zhǎng)情況并進(jìn)行記錄。

2 結(jié)果與分析

圖1 聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的拉伸斷裂強(qiáng)力

2.1 拉伸斷裂強(qiáng)力

圖1為不同質(zhì)量配比的聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的拉伸斷裂強(qiáng)力圖。從圖1可知，純聚乳酸針刺非織造布拉伸斷裂強(qiáng)力為334 N，遠(yuǎn)高于純苧麻落麻針刺非織造布的拉伸斷裂強(qiáng)力(59 N)，聚乳酸/ 苧麻落麻針刺非織造布樣品的拉伸斷裂強(qiáng)力隨著苧麻落麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因在于聚乳酸纖維(55 mm)略長(zhǎng)于苧麻落麻纖維(30～50 mm)，故聚乳酸纖維經(jīng)針刺加固后纖維纏結(jié)效果優(yōu)于苧麻落麻纖維，加之聚乳酸纖維的單纖強(qiáng)度略大于苧麻落麻纖維，故隨著苧麻落麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，非織造布樣品的力學(xué)性能變差。

2.2 透氣性

圖2為不同質(zhì)量配比的聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的透氣性能圖。從圖2可知，純聚乳酸針刺非織造布透氣率為1 489 mm/s，遠(yuǎn)低于純苧麻落麻針刺非織造布的透氣率(3 341 mm/s)，聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的透氣性隨著苧麻落麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而變大。這是因?yàn)槠r麻落麻纖維為天然纖維，其直徑(線密度為4.67 dtex)較聚乳酸纖維(線密度為1.54 dtex)大，制成的苧麻落麻針刺非織造布結(jié)構(gòu)更為疏松，孔隙率大，故隨著苧麻落麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，非織造布樣品的透氣性越好。由此可見，將聚乳酸纖維和苧麻落麻纖維按適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量配比制成無土栽培用針刺非織造布，可獲得良好的透氣性能，用其作為培養(yǎng)基質(zhì)，能滿足植物生長(zhǎng)對(duì)空氣的需要。

圖2 聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的透氣率

2.3 保暖性

圖3為不同質(zhì)量配比的聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的保暖性能圖。從圖3可知，純聚乳酸針刺非織造布傳熱系數(shù)為3.5 W/(m2·K)，小于純苧麻落麻針刺非織造布的傳熱系數(shù)[5.3 W/ (m2·K)]，聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的傳熱系數(shù)隨著苧麻落麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而變大，即保暖性變差。造成這一現(xiàn)象的原因可能與聚乳酸纖維較苧麻落麻纖維細(xì)，比表面積較大，可“捕捉”的靜止空氣量多有關(guān)。此外，聚乳酸纖維的公定回潮率為0.4%，苧麻落麻纖維的公定回潮率可達(dá)12.0%，回潮率越小則保暖性較好。由此可見，將聚乳酸纖維和苧麻落麻纖維按適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量配比制成針刺非織造布，作為無土栽培基質(zhì)，能夠?yàn)橹参锏纳L(zhǎng)提供適宜的溫度環(huán)境。

圖3 聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的傳熱系數(shù)

2.4 芯吸高度和芯吸速率

芯吸效應(yīng)是指由于織物內(nèi)纖維的毛細(xì)管彎曲面附加引力的作用，進(jìn)入織物內(nèi)的水分自動(dòng)引導(dǎo)傳輸流動(dòng)，以維持毛細(xì)管內(nèi)流體遷移的一種性能。芯吸效應(yīng)能使水分子沿纖維內(nèi)孔隙形成的毛細(xì)管上升，并出現(xiàn)潤(rùn)濕現(xiàn)象。芯吸高度反映的是作為無土栽培基質(zhì)的非織造布在垂直方向?qū)闹匾卣?。芯吸高度高則液體傳輸?shù)母叨雀摺Ｐ疚俾试谖⒂^上取決于纖維的物理化學(xué)性能，以及液體分子的熱平衡過程，在宏觀上取決于纖維孔隙的形態(tài)與方向。

圖4和圖5分別反映了不同質(zhì)量配比的聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的芯吸高度和芯吸速率狀況。由圖4和圖5可知，聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的芯吸高度和芯吸速率隨苧麻落麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而變大。這是因?yàn)槠r麻落麻纖維親水性好，聚乳酸纖維親水性差，因此含苧麻落麻纖維多的非織造布樣品的吸濕導(dǎo)濕性好，故單位時(shí)間內(nèi)芯吸高度增加越多，芯吸速率越大。

圖4 聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的芯吸高度

圖5 聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的芯吸速率

2.5 含液率

含液率是衡量無土栽培基質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。無土栽培基質(zhì)中含液率越高，則所能包含的植物營(yíng)養(yǎng)液就越多，越有利于植物根系的吸收，為植物生長(zhǎng)提供充足的肥料及無機(jī)鹽等。

圖6為不同質(zhì)量配比的聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的含液率狀況。由圖6可知，隨苧麻落麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的含液率升高。究其原因可能在于，隨著苧麻落麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，非織造布的結(jié)構(gòu)變得更為疏松，孔隙率更大，可容納液體的空間更多，從而促使含液率增加。

圖6 聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品的含液率

2.6 小麥草的栽培

圖7對(duì)小麥草的生長(zhǎng)進(jìn)行了記錄，可以看出：在開始的7 d內(nèi)，大部分作為培養(yǎng)基質(zhì)的聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品表面，小麥草的生長(zhǎng)較為迅速。播種1 d后即長(zhǎng)出約1.0 cm長(zhǎng)的須根；2～3 d左右長(zhǎng)出芽苗，草種發(fā)芽率可達(dá)97.7%，此時(shí)根長(zhǎng)約2.0 cm，株高約1.5 cm；4～5 d時(shí)草根穿過非織造布樣品，根長(zhǎng)約3.0 cm，株高約4.0 cm。 播種7 d后小麥草生長(zhǎng)速度放緩。7～8 d時(shí)草根長(zhǎng)可達(dá)5.0 cm，株高可達(dá)8.0 cm；10 d時(shí)根長(zhǎng)為8.0 cm，株高為10.0 cm；15 d時(shí)根長(zhǎng)為9.0 cm，株高為11.0 cm；15～25 d時(shí)小麥草生長(zhǎng)狀況良好，根長(zhǎng)和株高幾乎未繼續(xù)變化。圖8為小麥草生長(zhǎng)25 d后的實(shí)物照片。

圖7 小麥草生長(zhǎng)記錄

圖8 小麥草生長(zhǎng)25 d后的實(shí)物照片

3 結(jié)論

本研究將聚乳酸纖維和苧麻落麻纖維以不同的質(zhì)量配比混合，再通過針刺加工工藝制成聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布，測(cè)試分析其各項(xiàng)性能，并探索其作為無土栽培基質(zhì)的可行性，研究分析發(fā)現(xiàn)：

(1) 在不同質(zhì)量配比的聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布樣品中，隨著苧麻落麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，非織造布樣品的拉伸斷裂強(qiáng)力降低、保暖性能下降，但透氣性、芯吸高度、芯吸速率和含液率等有所增加。

(2) 利用聚乳酸纖維和苧麻落麻纖維混合制成的針刺非織造布具有一定的強(qiáng)力、透氣性、保暖性和親水性，符合作為無土栽培基質(zhì)的要求。且草坪種植試驗(yàn)結(jié)果表明，聚乳酸/苧麻落麻(質(zhì)量配比為40∶60)針刺非織造布作為無土栽培基質(zhì)時(shí)，種植出的小麥草生長(zhǎng)狀況良好，發(fā)芽率高達(dá)97.7%。此外，聚乳酸/苧麻落麻針刺非織造布較目前市場(chǎng)上常見的合成纖維無土栽培基質(zhì)而言，前者可完全降解，并在使用過程中不造成環(huán)境污染，完全滿足國家提出的可持續(xù)發(fā)展要求。

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Preparation and performance study of polylactic acid/ramie noil nonwovens substrate for non-soil cultivation

WangSisi,WeiWei,ZouHantao,LiuTao,HuQi,TangQinglun

Textile Institute of Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan 430200, China

Needle punched nonwovens which was prepared with polylactic acid (PLA) fibers and ramie noil fibers was taken as research objects, and the effects and reasons of fiber materials blended at various ratios on the properties of nonwovens were mainly analyzed, such as tensile strength, permeability, warmth retention, wicking effect and liquid fractions. And the lawn planting experiment with the PLA/ramie noil needle punched nonwovens used as substrate for non-soil cultivation was carried out, the results showed that the growth of wheat straw was good and the germination rate reached 97.7%, which proved that it was feasible to use PLA/ramie noil needle punched nonwovens for the non-soil cultivation.

PLA fiber, ramie noil fiber, needle punched nonwovens, non-soil cultivation

*國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013CXZD004)

2016-04-26

王思思，女，1993年生，在讀本科生，研究方向?yàn)樾滦凸δ芊强椩飚a(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)

韋煒，Email：wei.wei@wtu.edu.cn

TS176+.3

A

1004-7093(2016)09-0025-05