张燕杰 罗 军 葛明桥

(江南大学生态纺织教育部重点实验室，无锡，214122)

完全降解纸基棉质地膜的制备及性能研究*

张燕杰 罗 军 葛明桥

(江南大学生态纺织教育部重点实验室，无锡，214122)

利用废弃棉纤维经湿法造纸工艺制备可完全降解农用地膜。通过正交试验对抄造工艺进行优化设计，抄造制得的纸基棉质地膜小样经石蜡浸渍、聚乙烯醇(PVA)胶液后处理，得到纸基棉质地膜试样，并对试样的主要物理性能进行了测试。结果表明:在面密度35 g/m2、胶液PVA质量分数4%、打浆度40°SR工艺条件下制得的纸基棉质地膜具有良好的力学性能，干态断裂强力17 N，撕裂度2.48 N，耐破度97.8 kPa，厚度0.085 mm，达到或超过农用塑料地膜的质量要求;可见光透过率达68%;土埋28 d的降解率超过20%，且降解产物有利于增加土壤有机质。

棉质地膜，湿法造纸，力学性能，透光性，降解性

我国塑料农用膜的产量和使用量均居世界第一。据农业部门统计，2008—2009年度全国塑料农用膜的消耗量达207.9万t，其中:棚膜102.3万t，覆盖面积达335亿m2;地膜105.6万t，覆盖面积达2 067亿m2，达历史最高［1］。我国农业广泛应用聚氯乙烯(PVC)和聚乙烯(PE)塑料膜，这对提高农作物产量和质量，解决高寒地区提前育苗、栽种问题，以及反季节性蔬菜、瓜果种植等问题，起到了积极的作用，但是塑料农用膜的回收异常困难，其降解时间更是长达200～300年，长期使用会造成土壤板结，通透性变差，肥力下降，最终良田变荒地。因此，为了保护人类赖以生存的环境资源，实现农业可持续发展，各国都在大力研制和推广可降解环保地膜［2］。

另据统计，我国每年产生的棉、麻等废弃天然纤维约50万t，且逐年增加。如能利用这些废弃纤维制成农用膜，则可替代用常规高聚物生产的塑料农用膜使用总量的9%左右，且该类产品可完全自然降解，不仅绿色环保，而且有效利用废弃资源，对缓解“白色污染”、减少石油等不可再生资源的消耗具有积极意义［3-4］。

本研究采用轧花棉短绒、棉纺厂落棉等6 mm长的棉纤维，经湿法造纸工艺制备可在较短时间内完全自然降解的棉质薄膜，将抄出的棉质薄膜在聚乙烯醇(PVA)胶液中充分浸渍黏合，烘干后得到具有一定力学性能的农用地膜。利用正交试验得到最佳工艺方案，并测试了样品的各项物理性能。

1 试验部分

1.1 材料

精梳落棉为主的棉纺厂落棉;

PVA;

透明剂(液体石蜡)、羧甲基纤维素、邻苯二甲酸二甲酯等试剂(均经纯化处理);

普通PE塑料地膜(用于与棉质地膜进行对比试验)。

1.2 设备与仪器

ZQS1型电热蒸煮锅，ZQS2-23型打浆机，ZQS12-100型打浆度测试仪，GBJ-A型纤维标准解离器，ZQJ1-B-Ⅱ型纸样抄取器，TV-1901型双光束紫外可见分光光度计，以及均由四川长江造纸仪器有限责任公司制造的DC-KZ300C型电脑测控抗张试验机、DCP.SLY1000型电脑测试纸张撕裂度仪和DC-KZ300C型电脑测控耐破度仪。

1.3 试样制备

1.3.1 样品制备

称取一定量的经人工除杂后的棉短绒，经蒸煮、打浆、稀释后，加入适量分散剂、柔软剂和湿增强剂等，制得纤维均匀分布的悬浮液;将悬浮液倒入抄纸器平纹铜网上，滤除水分制得湿纤维网，经初步烘烤后用化学黏合剂固结纤维网，再烘干，细心剥取，即制得纸基棉质地膜小样。

1.3.2 后处理

将湿法成网制造的纸基样品在室温下放置24 h，然后放入液体石蜡浸渍槽中浸渍，由于液体石蜡极易渗入到样品中，故采用一浸一轧工艺进行轧液整理;将经过石蜡整理后的半成品在室温下放置24 h，然后分别放入不同质量分数的PVA胶液浸渍槽中充分浸渍，再采用二浸二轧工艺进行轧液整理，该工艺能使PVA胶液充分均匀地黏附在样品表面;将经过PVA胶液整理的样品置于一定温度的烘箱内预烘一定时间，使其充分黏合，然后在室温下晾干，即得到可用于性能测试的纸基棉质地膜试样。

1.4 性能测试

试样测试的环境温度控制在20℃左右，相对湿度控制在30%～60%。

1.4.1 强伸度

采用DC-KZ300C型电脑测控抗张试验机，按照《最新造纸工业测试方法与产品标准手册》，采用GB/T 453—1989标准《纸和纸板抗张强度的测定法》进行，测试不同条件下制得试样的断裂强力和断裂伸长率，每个试样测试5次，取平均值。试样尺寸为90 mm×50 mm。

1.4.2 撕裂度

采用DCP.SLY1000型电脑测试纸张撕裂度仪，按照《最新造纸工业测试方法与产品标准手册》，采用GB/T 455.1—1989标准《纸撕裂度的测定法》进行，测试不同条件下制得试样的撕裂度，每个样品测试5次，取平均值。试样尺寸为63 mm×40 mm。

1.4.3 耐破度

采用DC-KZ300C型电脑测控耐破度仪，按照《最新造纸工业测试方法与产品标准手册》，采用GB/T 454—1989标准《纸耐破度的测定法》进行，测试不同条件下制得试样的耐破度，每个样品测试5次，取平均值。试样尺寸为100 mm×100 mm。

1.4.4 透光性

采用TV-1901型双光束紫外可见分光光度计测量试样的透光率，波长范围200～900 nm。测试时，先从圆形纸基小样的5个部位剪取获得50 mm×50 mm的测试样品，分别对该5个部位的样品进行透光性能测试，最后取平均值代表该圆形小样的透光性。按此方法分别对普通PE塑料地膜和纸基棉质地膜样品进行透光性能测试，每个样品测试5次，取平均值。

1.4.5 降解性

将纸基棉质地膜小样裁剪成100 mm×100 mm的正方形，逐个称量，做好标记，分别平铺埋人5 cm深的土层中;按不同的土埋时间，逐个取出样品，清理、烘干后用电子天平称量。降解率的计算公式为:

降解期间，自然条件及光照作用相同，土壤相对湿度保持在50%左右，埋人土中的时间分别为7、14、21 和 28 d。

1.5 正交试验设计

本试验主要考虑面密度、胶液PVA质量分数和打浆度三个因素对纸基棉质地膜物理性能的影响，通过预试验并参考有关资料，确定了本试验的设计方案，见表1。

表1 正交试验因素水平表

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果分析

地膜制作工艺用正交试验设计，试验结果见表2。为了明确各因素对地膜物理指标的影响，并尽可能减少和消除试验误差，提高论证的可靠性，对上述试验结果进行了极差分析，结果见表3。

通过正交试验极差分析可知:

(1)对棉质地膜干态断裂强力、撕裂度和厚度的影响程度顺序均是A＞C＞B，即面密度是影响可降解地膜干态断裂强力、撕裂度和厚度的主要因素，打浆度是次要因素，胶液PVA质量分数的影响最小。随着面密度的增加，地膜的上述性能随之提高。

(2)对棉质地膜耐破度的影响程度顺序是A＞B＞C。面密度越大，单位面积的纤维越多，其断裂强力、撕裂度和耐破度都会随之增大，地膜厚度也随之增加，进而会增加地膜的生产成本。

表2 棉质地膜制造工艺正交试验结果

表3 正交试验结果极差分析

(3)在一定范围内，随着打浆度的提高，纸浆抄出的地膜断裂强力、撕裂度和耐破度相应变大，但超过一定值后，其物理性能呈下降趋势;胶液PVA质量分数越大，地膜经浸渍后，黏附在纤维表面的液体越多，地膜越厚，但过厚的地膜其透光性变差，柔软性也差，同时也会增加地膜成本。

综合以上各因素对地膜性能的影响，确定较优的工艺组合是 A2B2C2，即面密度35 g/m2，胶液PVA质量分数4%，打浆度40°SR。

为验证正交试验的结果，在上述较优工艺条件下进行重复性试验，制得的纸基棉质地膜的力学性能如下:

2.2 透光性能分析

透光性能是农用地膜的一个重要指标。通过试验对比了普通PE地膜、施胶棉质地膜和未施胶棉质地膜的透光性，得出波长与透光率的关系曲线，如图1所示。

图1 PE地膜和棉质地膜的透光性对比

从图1棉质地膜和普通PE地膜透光性能对比可以看出:在各个波段内，PE地膜的透光性大于可降解地膜的透光性;在350～900 nm波段内PE地膜透光率保持在90%以上，在紫外光300～200 nm波段内其透光率急剧下降，由90%下降到50%;在红外光850～900 nm波段内棉质地膜透光率最高可达85%，在300～800 nm波段内施胶棉质地膜透光性比未施胶棉质地膜的透光率略高5%;在可见光400～780 nm波段内施胶棉质地膜的透光率保持在68%左右，而未施胶地膜的透光率维持在63%左右;在紫外光400～200 nm波段内施胶棉质地膜的透光率由65%下降到5%左右，而未施胶棉质地膜透光率由60%下降到5%左右。施胶棉质地膜比未施胶棉质地膜的透光性好，其原因是胶液的主要成分是PVA，而PVA是一种可完全生物降解的高分子聚合物，具有很好的透明性［5-6］。经施胶处理后的棉质地膜的透光性在可见光范围内透光率维持在68%左右，完全可以用于玉米、棉花、辣椒等农作物和蔬菜的育苗［7］。

2.3 降解性能分析

图2为纸基棉质地膜在土壤中降解率的变化曲线。从图2可知，随着土埋时间增加，棉质地膜的降解率也随之提高，土埋7 d时降解率为4.5%，经过28 d后棉质地膜的降解率达到20.2%，而普通PE地膜在土埋28 d后质量没有明显变化，说明纸基棉质地膜能在较短时间内快速降解，具有良好的降解性能。

纸基棉质地膜的主要成分是纤维素和PVA，二者均能被完全生物降解［8-9］。影响棉质地膜降解的主要因素有两个:

图2 棉质地膜的降解率与土埋时间的关系曲线

(1)水和湿度的影响。棉纤维和PVA含有大量的亲水基团，水分渗入薄膜后使其中增塑剂和含亲水基团的物质溶解，改变了聚合物材料的组成和比例，加速了材料的老化。

(2)微生物的影响。纤维素纤维富含碳源，经土壤中微生物降解后增加了碳源、氮源和水等物质，丰富了微生物所需的营养，有利于微生物的生长［10-11］，而微生物产生的分泌物(酶)又会进一步促使高聚物分子断裂成稳定的小分子(CO2和H2O)。

在以上两个因素的共同影响下，加速了棉质地膜的降解。

3 结论

(1)基于正交试验设计得到纸基棉质地膜的最佳抄制工艺是:面密度35 g/m2、胶液PVA质量分数4%、打浆度40°SR;在此工艺条件下制得的样品，其性能测试结果为:干态断裂强力17 N，撕裂度2.48 N，耐破度97.8 kPa，厚度 0.085 mm，性能指标达到或超过农用塑料地膜的要求。

(2)经石蜡浸渍、表面施胶处理后的纸基棉质地膜具有一定的透光性，在可见光范围内其透光率达到68%，可以满足玉米、棉花、辣椒等农作物和蔬菜育苗的要求。

(3)棉质地膜小样在经过28 d土埋后降解率达20.2%，表明纸基棉质地膜能在较短时间内快速降解，具有良好的降解性能，降解产物有利于提高土壤的肥力。

(4)纸基棉质地膜的柔软性有待改进，透光性可进一步提高，同时需进一步控制纸基棉质地膜的制备成本。

［1］我国农用膜需求旺盛［J］.纺织服装周刊，2010(10):31.

［2］盛伟.纸基棉短绒薄膜的研制与性能研究［D］.无锡:江南大学，2009:1-2.

［3］BRIASSOULIS D.Analysis of the mechanical and degradation performances of optimised agricultural biodegrad-able films［J］.Polymer Degradation and Stability，2007(92):1115-1132.

［4］盛伟，罗军，葛明桥.纸基棉短绒地膜的研制与表征［J］.产业用纺织品，2009，27(3):9-10.

［5］CHIELLINI E，CORTI A D，ANLONE S，et al.Biodegradation of PVA-basedformulations［J］.Macromol Symp，1999(144):127-l39.

［6］赵劲彤，张学俊，邸玉静.可生物降解PVA膜的研究进展［J］.塑料助剂，2009(6):1-2.

［7］傅玉全.纸基地膜覆盖栽培试验［J］.纸和造纸，2000(1):45-46.

［8］黄晨，方丽娜，韩晓建，等.丝胶浸渍棉质非织造地膜的制备与表征［J］.纺织学报，2007，28(11):53-55.

［9］李旭，樊金红，马鲁铭.聚乙烯醇降解微生物研究进展［J］.环境科学与技术，2009，32(3):75-77.

［10］张小英，杭伟明，周燕.纤维素纤维和蛋白质纤维降解特性的分析［J］.纺织学报，2007，28(10):9-11.

［11］唐莹莹，陈华君，潘志娟.纤维素纤维在活性污泥中的生物降解性［J］.纺织学报，2010，31(9):6-9.

Study on preparation and properties of completely degraded paper-based cotton film

Zhang Yanjie，Luo Jun，Ge Mingqiao
(Key Laboratory of Eco-Textiles，Ministry of Education，Jiangnan University)

The completely degraded cotton mulch films were produced by waste cotton fiber through wet paper making process.The process parameters were optimized throughout orthogonal test，and paper-based cotton film sample was impregnated in the liquid paraffin and PVA solution，and the specimen was prepared and the main mechanical properties were tested.The results showed that paper-based cotton films had better mechanical properties while processes conditions were 35 g/m2of area density，4%of PVA latex mass percentage and 40°SR of beat effect，the dry breaking strength was 17 N，tearing strength was 2.48 N，resistance to damage was 97.8 kPa and thickness was 0.085 mm，the material could met the quality needs of mulch plastic film，visible light permeability of the cotton films was at 68%，and degradation rate was over 20%for 28d degradation，and the degradation products would help to increase soil organic matter.

cotton film，wet paper-making，mechanical performance，permeability，degradability

TS176+.9

A

1004－7093(2011)11－0005－05

*中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(JUSRP21003)

2011－06－29

张燕杰，女，1986年生，在读硕士研究生。主要研究废弃天然纤维的回收利用。

罗 军，E-mail:luoj@jiangnan.edu.cn