王思思 韦 炜 邹汉涛 刘 涛 胡 奇 汤清伦

武汉纺织大学纺织科学与工程学院，湖北 武汉 430200

无土栽培用聚乳酸/苎麻落麻非织造布基质的制备及性能研究*

王思思 韦 炜 邹汉涛 刘 涛 胡 奇 汤清伦

武汉纺织大学纺织科学与工程学院，湖北 武汉 430200

以聚乳酸纤维和苎麻落麻纤维为原料制成的针刺非织造布为研究对象，着重分析纤维原料的不同混合比对非织造布的拉伸断裂强力、透气性、保暖性、芯吸效应和含液率等性能的影响及其原因，并将聚乳酸/苎麻落麻针刺非织造布作为无土栽培基质进行草坪种植试验，结果显示种植出的小麦草生长状况良好，发芽率高达97.7%，证明其作为无土栽培基质可行。

聚乳酸纤维，苎麻落麻纤维，针刺非织造布，无土栽培

无土栽培是指不使用天然土壤，利用营养液或固体基质加营养液的方式栽培作物的一种方法。我国无土栽培技术的研究始于20世纪90年代初期，主要开发的栽培基材产品有合成纤维织物基速生天然草毯和合成纤维非织造布无土栽培基质等。其中，非织造布具有的独特的三维立体网络结构和足够的力学强度，以及所形成的孔隙空间较稳定等，有利于根系扩张固定植物，使植物分布均匀，同时还拥有足够大的孔隙率，可容纳大量的营养液和空气，是一种理想的无土栽培基质[1- 3]。近年非织造布以其独特的性能优势,如可人工调节、孔隙率大、透气透水性好、整块连片、无病虫害、清洁卫生，以及比土壤能更好地满足植物生长所需的水、肥、气、热等四大条件等，在无土栽培领域得到了广泛的关注[4-9]。

非织造布无土栽培基质多数以合成纤维(如聚丙烯、聚酯和聚酰胺纤维等)为原料，存在废弃物不能降解或降解物会对环境产生污染等问题，因此，开发可自然降解的产品是其重要的发展方向[10-13]。苎麻在纺织过程中会产生大量的落麻纤维。利用苎麻落麻纤维开发天然可降解的非织造布无土栽培基质，可提升苎麻落麻纤维的使用价值，为苎麻落麻纤维的利用找到新的增值途径，这具有很大的意义。本研究主要采用完全可生物降解的聚乳酸纤维和苎麻落麻纤维为原料，通过针刺加工制成环境友好型非织造布，测试分析该非织造布的相关性能，并进行草坪种植试验，探索其作为无土栽培基质的应用可行性。

1 试验部分

1.1 原料的选择

聚乳酸纤维(长度55 mm、线密度1.54 dtex)，苎麻落麻纤维(长度30～50 mm、线密度4.67 dtex)。

1.2 设备与仪器

YG(B)026-250型电子织物强力仪；YG(B)461D型数字式织物透气量仪；YG(B)606D型平板式保温仪；YG(B)871型毛细管效应测定仪。

1.3 试样制备

将聚乳酸纤维和苎麻落麻纤维按一定质量配比进行混合，再通过针刺加工工艺制备出不同的非织造布样品。

1.4 性能测试

1.4.1 拉伸断裂强力

将不同质量配比的非织造布样品在YG(B)026- 250型电子织物强力仪上测试其拉伸断裂强力。试样大小为20 cm×5 cm。每种试样测试10组，测试结果取平均值。

1.4.2 透气性

将不同质量配比的非织造布样品在YG(B)461D型数字式织物透气量仪上测试其透气性。试样面积为20 cm2。每种试样测试10组，测试结果取平均值。

1.4.3 保暖性

将不同质量配比的非织造布样品在YG(B)606D型平板式保温仪上测试其传热系数。试样大小为30 cm×30 cm。每种试样测试10组，测试结果取平均值。

1.4.4 芯吸高度与芯吸速率

将不同质量配比的非织造布样品在YG(B)871型毛细管效应测定仪上测试其芯吸高度，记录规定时间内液体沿织物缝隙上升或渗入的高度，即为芯吸高度。试样大小为20 cm×5 cm，测试温度保持30 ℃恒温，测试时间为30 min。芯吸速率利用样品30 min内每间隔5 min的芯吸高度来表征。

1.4.5 含液率

分别对不同质量配比的非织造布样品的干态质量和芯吸完成后的湿态质量进行测试，再按照下式分别计算试样的含液率(w)：

式中：m1——试样的干态质量，g；m2——试样芯吸后的湿态质量，g。

1.4.6 小麦草的栽培

以聚乳酸/苎麻落麻(质量配比为40∶60)针刺非织造布作为无土栽培基质，将浸种后的300粒小麦草种子均匀撒于基质表面，定期浇水，观察小麦草的生长情况并进行记录。

2 结果与分析

图1 聚乳酸/苎麻落麻针刺非织造布样品的拉伸断裂强力

2.1 拉伸断裂强力

图1为不同质量配比的聚乳酸/苎麻落麻针刺非织造布样品的拉伸断裂强力图。从图1可知，纯聚乳酸针刺非织造布拉伸断裂强力为334 N，远高于纯苎麻落麻针刺非织造布的拉伸断裂强力(59 N)，聚乳酸/ 苎麻落麻针刺非织造布样品的拉伸断裂强力随着苎麻落麻纤维质量分数的增加而降低。产生这种结果的原因在于聚乳酸纤维(55 mm)略长于苎麻落麻纤维(30～50 mm)，故聚乳酸纤维经针刺加固后纤维缠结效果优于苎麻落麻纤维，加之聚乳酸纤维的单纤强度略大于苎麻落麻纤维，故随着苎麻落麻纤维质量分数的增加，非织造布样品的力学性能变差。

2.2 透气性

图2为不同质量配比的聚乳酸/苎麻落麻针刺非织造布样品的透气性能图。从图2可知，纯聚乳酸针刺非织造布透气率为1 489 mm/s，远低于纯苎麻落麻针刺非织造布的透气率(3 341 mm/s)，聚乳酸/苎麻落麻针刺非织造布样品的透气性随着苎麻落麻纤维质量分数的增加而变大。这是因为苎麻落麻纤维为天然纤维，其直径(线密度为4.67 dtex)较聚乳酸纤维(线密度为1.54 dtex)大，制成的苎麻落麻针刺非织造布结构更为疏松，孔隙率大，故随着苎麻落麻纤维质量分数的增加，非织造布样品的透气性越好。由此可见，将聚乳酸纤维和苎麻落麻纤维按适当的质量配比制成无土栽培用针刺非织造布，可获得良好的透气性能，用其作为培养基质，能满足植物生长对空气的需要。

图2 聚乳酸/苎麻落麻针刺非织造布样品的透气率

2.3 保暖性

图3为不同质量配比的聚乳酸/苎麻落麻针刺非织造布样品的保暖性能图。从图3可知，纯聚乳酸针刺非织造布传热系数为3.5 W/(m2·K)，小于纯苎麻落麻针刺非织造布的传热系数[5.3 W/ (m2·K)]，聚乳酸/苎麻落麻针刺非织造布样品的传热系数随着苎麻落麻纤维质量分数的增加而变大，即保暖性变差。造成这一现象的原因可能与聚乳酸纤维较苎麻落麻纤维细，比表面积较大，可“捕捉”的静止空气量多有关。此外，聚乳酸纤维的公定回潮率为0.4%，苎麻落麻纤维的公定回潮率可达12.0%，回潮率越小则保暖性较好。由此可见，将聚乳酸纤维和苎麻落麻纤维按适当的质量配比制成针刺非织造布，作为无土栽培基质，能够为植物的生长提供适宜的温度环境。

图3 聚乳酸/苎麻落麻针刺非织造布样品的传热系数

2.4 芯吸高度和芯吸速率

芯吸效应是指由于织物内纤维的毛细管弯曲面附加引力的作用，进入织物内的水分自动引导传输流动，以维持毛细管内流体迁移的一种性能。芯吸效应能使水分子沿纤维内孔隙形成的毛细管上升，并出现润湿现象。芯吸高度反映的是作为无土栽培基质的非织造布在垂直方向导水的重要特征。芯吸高度高则液体传输的高度高。芯吸速率在微观上取决于纤维的物理化学性能，以及液体分子的热平衡过程，在宏观上取决于纤维孔隙的形态与方向。

图4和图5分别反映了不同质量配比的聚乳酸/苎麻落麻针刺非织造布样品的芯吸高度和芯吸速率状况。由图4和图5可知，聚乳酸/苎麻落麻针刺非织造布样品的芯吸高度和芯吸速率随苎麻落麻纤维质量分数的增加而变大。这是因为苎麻落麻纤维亲水性好，聚乳酸纤维亲水性差，因此含苎麻落麻纤维多的非织造布样品的吸湿导湿性好，故单位时间内芯吸高度增加越多，芯吸速率越大。

图4 聚乳酸/苎麻落麻针刺非织造布样品的芯吸高度

图5 聚乳酸/苎麻落麻针刺非织造布样品的芯吸速率

2.5 含液率

含液率是衡量无土栽培基质的一项重要指标。无土栽培基质中含液率越高，则所能包含的植物营养液就越多，越有利于植物根系的吸收，为植物生长提供充足的肥料及无机盐等。

图6为不同质量配比的聚乳酸/苎麻落麻针刺非织造布样品的含液率状况。由图6可知，随苎麻落麻纤维质量分数的增加，聚乳酸/苎麻落麻针刺非织造布样品的含液率升高。究其原因可能在于，随着苎麻落麻纤维质量分数的增加，非织造布的结构变得更为疏松，孔隙率更大，可容纳液体的空间更多，从而促使含液率增加。

图6 聚乳酸/苎麻落麻针刺非织造布样品的含液率

2.6 小麦草的栽培

图7对小麦草的生长进行了记录，可以看出：在开始的7 d内，大部分作为培养基质的聚乳酸/苎麻落麻针刺非织造布样品表面，小麦草的生长较为迅速。播种1 d后即长出约1.0 cm长的须根；2～3 d左右长出芽苗，草种发芽率可达97.7%，此时根长约2.0 cm，株高约1.5 cm；4～5 d时草根穿过非织造布样品，根长约3.0 cm，株高约4.0 cm。 播种7 d后小麦草生长速度放缓。7～8 d时草根长可达5.0 cm，株高可达8.0 cm；10 d时根长为8.0 cm，株高为10.0 cm；15 d时根长为9.0 cm，株高为11.0 cm；15～25 d时小麦草生长状况良好，根长和株高几乎未继续变化。图8为小麦草生长25 d后的实物照片。

图7 小麦草生长记录

图8 小麦草生长25 d后的实物照片

3 结论

本研究将聚乳酸纤维和苎麻落麻纤维以不同的质量配比混合，再通过针刺加工工艺制成聚乳酸/苎麻落麻针刺非织造布，测试分析其各项性能，并探索其作为无土栽培基质的可行性，研究分析发现：

(1) 在不同质量配比的聚乳酸/苎麻落麻针刺非织造布样品中，随着苎麻落麻纤维质量分数的增加，非织造布样品的拉伸断裂强力降低、保暖性能下降，但透气性、芯吸高度、芯吸速率和含液率等有所增加。

(2) 利用聚乳酸纤维和苎麻落麻纤维混合制成的针刺非织造布具有一定的强力、透气性、保暖性和亲水性，符合作为无土栽培基质的要求。且草坪种植试验结果表明，聚乳酸/苎麻落麻(质量配比为40∶60)针刺非织造布作为无土栽培基质时，种植出的小麦草生长状况良好，发芽率高达97.7%。此外，聚乳酸/苎麻落麻针刺非织造布较目前市场上常见的合成纤维无土栽培基质而言，前者可完全降解，并在使用过程中不造成环境污染，完全满足国家提出的可持续发展要求。

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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

*国家级大学生创新训练计划资助项目(2013CXZD004)

2016-04-26

王思思，女，1993年生，在读本科生，研究方向为新型功能非织造产品的设计与开发

韦炜，Email：wei.wei@wtu.edu.cn

TS176+.3

A

1004-7093(2016)09-0025-05