何俊俊，楊建忠，張譯文，崔雙科

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

0 前言

在20世紀(jì)70年代，我國農(nóng)用地膜的產(chǎn)量和消費(fèi)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(shí)際應(yīng)用是一項(xiàng)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(shí)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(dǎo)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(shí)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?yàn)槭艿浇到鈼l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(xiàng)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(diǎn)[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(jìn)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(gè)性能要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料、儀器

實(shí)驗(yàn)材料：黃麻纖維，棉纖維，ES纖維

實(shí)驗(yàn)儀器:BSA224S-CW型電子天平(賽多利斯科學(xué)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)儀器有限公司)，GZX-GF-101AB-2電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海華聯(lián)環(huán)境試驗(yàn)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(jìn)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?yàn)獒槾坦に囘m用于中長型纖維)，再將棉條手扯開松，ES纖維也先手動(dòng)開松一下，然后以前期查找相關(guān)文獻(xiàn)取證確定的四種纖維配比(詳見表1)為依據(jù)，分別進(jìn)行稱重，將稱好的三種纖維手動(dòng)混合使其盡量均勻，再均勻的鋪在底簾上經(jīng)由梳理機(jī)再次開松，再經(jīng)由鋪網(wǎng)機(jī)進(jìn)行鋪網(wǎng)。由于黃麻較硬，要時(shí)刻注意成網(wǎng)狀態(tài)以便及時(shí)調(diào)整。纖維的梳理是非織造生產(chǎn)技術(shù)中相當(dāng)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(jìn)行初步的定向和伸直，盡量是纖維方向趨向于纖維層前進(jìn)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(yù)針刺機(jī)進(jìn)行預(yù)針刺，克重盡量控制在100g/m2。然后再將經(jīng)過預(yù)針刺形成的針刺氈送到主針刺機(jī)上進(jìn)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(huì)帶著一些表面和里層的纖維隨刺針一起穿過纖網(wǎng)層；當(dāng)刺針刺入一定深度后就會(huì)回升，而刺針的鉤刺全部是順向的纖維就會(huì)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(fù)運(yùn)動(dòng)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(huì)再恢復(fù)原來蓬松的狀態(tài)，從而形成了具有一定厚度、一定強(qiáng)度的針刺非織造材料[6]。

1.3 實(shí)驗(yàn)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(qiáng)力測試

(1)拉伸斷裂強(qiáng)力測試

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

(2)頂破強(qiáng)力測試

YG(B)031PC型臺式電子織物頂破強(qiáng)力儀測試加固后針刺非織造材料的頂破強(qiáng)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(shí)驗(yàn)不需要自己剪樣，可以直接用附帶的取樣器進(jìn)行取樣，設(shè)置耐磨次數(shù)為2000次，時(shí)間為20min，觸摸啟動(dòng)鍵，儀器便開始對試樣進(jìn)行磨損，直到摩擦次數(shù)為0，儀器自動(dòng)停止，取下試樣，在評級箱內(nèi)對比標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)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(jìn)行降解試驗(yàn)。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(jìn)泥土?xí)r計(jì)算時(shí)間，分別在10天、15天、20天、25天、30天、35天、40天的時(shí)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(jì)算試樣的質(zhì)量損失率，計(jì)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(shí)不僅受到土壤pH的影響，并且耗時(shí)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(jìn)行降解的對比試驗(yàn)，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(gè)原因就是其具有的保墑作用，從而達(dá)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(shí)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(jìn)行研究。本次實(shí)驗(yàn)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(dá)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(huì)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(shí)可以當(dāng)作織物達(dá)到飽和吸水狀態(tài)。

織物的保水率計(jì)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(yàn)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(jìn)行熱軋工藝，則厚度只受手動(dòng)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(dòng)在100g/m2左右。

2.2 強(qiáng)力分析

2.2.1 拉伸斷裂強(qiáng)力分析：

拉伸斷裂強(qiáng)力如圖1所示。

圖1 不同纖維配比對縱、橫向拉伸斷裂強(qiáng)力的影響

當(dāng)針刺密度不變時(shí)，強(qiáng)力隨著針刺深度增加，先增大后減?。划?dāng)針刺深度不變時(shí)，強(qiáng)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?yàn)殡S著纖維纏結(jié)效果的增強(qiáng)，強(qiáng)力也不斷增強(qiáng)；當(dāng)纏結(jié)效果過度，纖維發(fā)生斷裂，強(qiáng)力便開始減小。從圖1可清楚的看出，縱向強(qiáng)力均大于橫向強(qiáng)力，有此現(xiàn)象是因?yàn)槔w維經(jīng)過開松梳理鋪網(wǎng)后，纖維呈縱向排列，故縱向強(qiáng)力明顯大于橫向強(qiáng)力。

2.2.2 頂破強(qiáng)力分析

頂破強(qiáng)力如圖2、圖3所示。

圖2 經(jīng)過頂破強(qiáng)力測試的試樣形態(tài)

圖3 經(jīng)過頂破強(qiáng)力測試的試樣形態(tài)

當(dāng)黃麻的含量大于棉時(shí)，地膜的頂破強(qiáng)力大于塑料地膜；而當(dāng)黃麻的含量小于棉時(shí)，地膜的強(qiáng)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(qiáng)力大于棉，所以麻的含量越多所形成的材料的頂破強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(dāng)選取棉麻地膜的厚度均為0.55mm測試時(shí)，發(fā)現(xiàn)保暖性是先增大后減小的變化規(guī)律，當(dāng)比例為5:4:1時(shí)，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(shí)降解程度很小，隨黃麻含量的降低而減?。?5天的時(shí)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(dāng)35天、40天時(shí)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(shí)的降解性好，故得出當(dāng)纖維配比為6:3:1的時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)表現(xiàn)最好。這可能是因?yàn)榇姿釣槿跛?，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(dāng)黃麻的含量高于棉的含量時(shí)，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(dāng)黃麻的含量低于棉的含量時(shí)，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(qiáng)力受厚度影響最大，同時(shí)也受加固工藝影響。本課題中材料的強(qiáng)力遠(yuǎn)低于塑料；由于此材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)厚于塑料地膜，故頂破強(qiáng)力遠(yuǎn)大于塑料，且黃麻含量越少強(qiáng)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(shí)可作為肥料，配比為6:3:1時(shí)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)。