可降解機械竹漿地膜紙研究

張 斌 王 幸 夏新興，* 童樹華 孟 育 華飛果

（1.浙江理工大學紡織科學與工程學院，浙江杭州，310018；2.浙江華邦特種紙有限公司，浙江衢州，324400；3.浙江金昌特種紙股份有限公司，浙江衢州，324400）

長期以來，塑料地膜的使用對環(huán)境造成嚴重污染[1-2]，因此，以纖維素基材料制備可降解的地膜，成為了地膜發(fā)展的一種重要方向。竹材資源作為一種可再生資源，其生長周期短、可再生性好、強度和回彈性高，被各行業(yè)廣泛使用[3-4]。竹材纖維的纖維素含量高[5-7]，纖維細長，表現(xiàn)出良好的制漿性能。因此以竹材資源為原料制備可降解地膜紙來代替塑料地膜成為一種可能。傳統(tǒng)竹漿制備方法以化學法或化學機械法為主[8]，化學試劑的添加雖然有效除去了竹漿中木素，增強竹漿性能，但同時對環(huán)境造成嚴重污染[9-10]，因此，以機械法制備機械竹漿、生產(chǎn)地膜紙具有重要意義。

1 實驗

1.1 實驗材料

3~5 cm長竹簽（毛竹，直徑2 mm）、漂白化學針葉木漿（以下簡稱針葉木漿，打漿度為40°SR），均由浙江金昌特種紙股份有限公司提供。聚乙烯醇（PVA）纖維、淀粉、纖維素納米纖絲（CNF）、聚酰胺聚環(huán)氧氯丙烷（PAE）、烷基烯酮二聚體（AKD）由浙江金加浩綠色納米材料股份有限公司提供。

1.2 實驗儀器與設備

IMT-CNMJ型高濃 磨漿 機、HK-MJ01型PFI磨漿機，東莞市英特耐森精密儀器有限公司。TD1-15型電熱蒸煮鍋，咸陽通達輕工設備有限公司。S41523003型抄紙機、S401400001型壓榨機、S401400002型干燥機，瑞典伊洛夫漢森公司。Phe?nom pro型臺式掃描電子顯微鏡，復納科學儀器有限公司。

1.3 機械竹漿制備

將直徑2 mm的長竹條剪短至3~5 cm，加入旋轉(zhuǎn)蒸煮鍋中，按照固液比1∶5加入水[11-12]，加熱1 h達溫度150℃，保溫2 h后取出，用高濃磨磨漿，磨盤壓力1.0 MPa，依次設置磨盤間距1.25 mm、1 mm、0.5 mm。3次磨漿后得到打漿度18°SR的機械竹漿。

1.4 地膜紙制備工藝

不同打漿度機械竹漿的制備：用PFI磨漿機對機械竹漿進一步打漿處理，控制不同打漿時間制備打漿度為20、30、40、50、60°SR的機械竹漿。

地膜紙的制備：將機械竹漿與針葉木漿按一定質(zhì)量比混合制備100 g/m2的地膜紙，控制不同機械竹漿打漿度及纖維配比。添加絕干漿質(zhì)量比10% PVA纖維、1.5%淀粉后，再分別加入CNF、PAE及AKD，制備地膜紙。

1.5 地膜紙的降解性

將地膜紙埋入微生物環(huán)境相同的地下5 cm處，每隔一段時間取出，觀察地膜紙實際形貌的變化情況，并用掃描電子顯微鏡（SEM）對地膜紙降解前后形貌進行觀察。

1.6 地膜紙的實際應用

表1為實際應用機械竹漿地膜紙基本物理性能指標，由浙江金昌特種紙股份有限公司提供。

表1 機械竹漿地膜紙的基本物理性能Table 1 Basic physical properties of mulch paper from mechanial bamboo pulp

實驗地點：龍游某蔬菜專業(yè)合作社；實驗時間：2021年3~4月；實驗作物：辣椒、地瓜藤。

實驗方法：對辣椒苗和地瓜藤兩種實驗作物分別鋪設可降解竹地膜與塑料地膜，對成長后的作物進行對比，實際種植方式按照當?shù)亓晳T進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 機械竹漿纖維分析

圖1為自制機械竹漿（18°SR）的纖維分析圖。由圖1可知，機械竹漿的質(zhì)均纖維長度為238 μm，主要分布在200~290 μm間，占比為96.0%；纖維平均寬度為14.8μm，主要分布在10~20μm間，纖維占比為87.3%。機械竹漿的細小纖維含量為6.1%。

圖1 機械竹漿的纖維分析Fig.1 Fiber analysis of mechanical bamboo pulp

2.2 地膜紙制備工藝研究

2.2.1 機械竹漿打漿度對地膜紙機械強度影響

圖2為機械竹漿打漿度對地膜紙抗張強度及撕裂度的影響，在機械竹漿與針葉木漿質(zhì)量比為50∶50時，地膜紙抗張強度隨機械竹漿打漿度的增加先迅速增加后緩慢增加；地膜紙撕裂度則隨機械竹漿打漿度的增加先增后減。機械竹漿打漿度為20°SR時，地膜紙抗張強度為0.87 kN/m，撕裂度為540 mN。機械竹漿打漿度提高至40°SR時，地膜紙抗張強度為2.03 kN/m，撕裂度為620 mN。而當機械竹漿打漿度為60°SR時，地膜紙抗張強度為2.20 kN/m，撕裂度為600 mN，撕裂度開始降低，這主要是因為影響撕裂度的最大因素是纖維長度，過度打漿會導致纖維被切斷，導致撕裂度下降。因此，綜合考慮，選擇機械竹漿打漿度為40°SR。

圖2 機械竹漿打漿度對地膜紙抗張強度及撕裂度的影響Fig.2 Effect of mechanical bamboo pulp beating degree on tensile strength and tearing degree of mulch paper

2.2.2 纖維配比對地膜紙機械強度影響

圖3為纖維配比對地膜紙抗張強度及撕裂度的影響，當機械竹漿打漿度為40°SR時，隨著纖維配比中機械竹漿的增加，地膜紙抗張強度和撕裂度明顯降低，當機械竹漿與針葉木漿質(zhì)量比為50∶50時，地膜紙抗張強度為2.03 kN/m，撕裂度為620 mN。當機械竹漿與針葉木漿質(zhì)量比為80∶20時，地膜紙抗張強度為0.700 kN/m，撕裂度為290 mN，當機械竹漿與針葉木漿質(zhì)量比增加到90∶10時，地膜紙抗張強度為0.450 kN/m，撕裂度僅200 mN，此時地膜紙的力學性能較差，紙張容易破損。綜合考慮，選擇機械竹漿與針葉木漿質(zhì)量比80∶20制備地膜紙。

圖3 纖維配比對地膜紙抗張強度及撕裂度的影響Fig.3 Effect of fiber ratio on tensile strength and tearing degree of mulch paper

2.2.3 CNF對地膜紙強度的影響

圖4為CNF添加量對地膜紙抗張強度及撕裂度的影響。由圖4可知，當?shù)啬ぜ埮浞街屑尤?0%PVA纖維和1.5%淀粉后，漿內(nèi)繼續(xù)添加CNF可使地膜紙抗張強度和撕裂度進一步提高。未添加CNF時，地膜紙的抗張強度為1.32 kN/m，撕裂度為580 mN。當CNF添加量達到1.5%時，地膜紙的抗張強度為1.52 kN/m，撕裂度為650 mN，地膜紙達到較高的力學性能。綜合考慮，選擇CNF添加量為1.5%。

圖4 CNF對地膜紙抗張強度及撕裂度的影響Fig.4 Effect of CNF dosage on tensile strength and tearing degree of mulch paper

2.2.4 PAE對地膜紙干、濕抗張強度影響

圖5為PAE對地膜紙干、濕抗張強度的影響。由圖5可知，PAE的添加會使地膜紙的干、濕抗張強度都有提高，濕抗張強度隨PAE增加提高明顯，干抗張強度的增加比較緩慢。未添加PAE時，地膜紙濕強度為0，PAE添加量為0.5%時，地膜紙濕強度為0.420 kN/m，此時雖然有部分濕強度，但是強度太小，容易斷開。而當PAE添加量達1.0%時，地膜紙的濕強度達0.740 kN/m，干抗張強度從未添加的1.52 kN/m達到1.57 kN/m，此時地膜紙具有一定的使用性。

圖5 PAE對地膜紙的干、濕抗張強度的影響Fig.5 Effect of PAE on the wet and dry tensile strength of mulch paper

2.2.5 AKD對地膜紙防水性影響

圖6為AKD對地膜紙Cobb值的影響，圖7為AKD對地膜紙水接觸角的影響。從圖6可以看出，隨AKD添加量的增加，地膜紙的Cobb值明顯降低，當AKD添加量大于0.15%后，地膜紙的Cobb值降低緩慢。當未施膠時，地膜紙的Cobb值>200 g/m2。而當AKD添加量達0.15%時，地膜紙Cobb值為27.7 g/m2，此時地膜紙有較好的抗水性。從圖7可以明顯看出，隨著AKD添加量的增加，地膜紙的接觸角逐漸變大，紙張表面越來越疏水。未添加AKD時，地膜紙表面接觸角為0，當AKD添加量為0.15%時，地膜紙接觸角提高至112.95°，此時有較高的抗水性，繼續(xù)增加AKD的添加量，對地膜紙的抗水性增加作用不大，這是因為當添加量達0.15%時，地膜紙的羥基基本與AKD結(jié)合。

圖6 AKD對地膜紙Cobb值的影響Fig.6 Effect of AKD on the Cobb value of mulch paper

圖7 AKD對地膜紙水接觸角的影響Fig.7 Effect of AKD on water contact angle of mulch paper

2.3 地膜紙應用

2.3.1 地膜紙的降解性能研究

圖8為埋在地下不同時間地膜降解過程照片，圖9為地膜紙降解前后SEM圖。從圖8可見，埋入地下7天后，紙面開始出現(xiàn)菌斑，說明土壤中細菌已經(jīng)對地膜紙進行分解作用。隨時間進一步增加，地膜紙進一步降解破裂，破損嚴重。由圖9可見，降解前地膜紙表面有大量細長纖維相互交織，而降解60天后的地膜紙中，纖維斷裂嚴重，纖維表面出現(xiàn)小片狀。

圖8 不同時間地膜紙降解過程照片F(xiàn)ig.8 Pictures of mulch paper degradation process at different times

圖9 地膜紙降解前后SEM圖（×200）Fig.9 SEM images of mulch paper before and after degradation(×200)

2.3.2 地膜紙在辣椒苗生長中實際應用

圖10為塑料地膜及機械竹漿地膜覆蓋對辣椒生長的實物對比圖，圖11為不同地膜覆蓋對辣椒生長的雜草抑制實物對比圖。由圖10、圖11可知，機械竹漿地膜紙覆蓋下的辣椒植株的莖稈更加粗壯，生長情況比覆蓋塑料膜的辣椒更好，塑料地膜覆蓋下雜草數(shù)量較多，而可降解地膜覆蓋下幾乎沒有雜草。

圖10 不同地膜覆蓋對辣椒生長的實物對比圖Fig.10 Comparison of pepper growth with different plastic film mulching

圖11 不同地膜覆蓋對辣椒生長的雜草抑制實物對比圖Fig.11 Comparison of weed inhibition of pepper growth by different plastic film mulching

2.3.3 地膜紙在地瓜藤生長中實際應用

圖12為不同地膜覆蓋對番薯藤生長的實物對比圖，圖13為不同地膜覆蓋下番薯藤粗細對比實物圖。由圖12和圖13可見，使用機械竹漿地膜使番薯藤的莖稈更加粗壯。因此，可降解地膜能促進番薯藤的生長。

圖12 不同地膜覆蓋對番薯藤生長的實物對比圖Fig.12 Comparison of the growth of sweet potato vines with dif?ferent plastic film mulching

圖13 不同地膜覆蓋下番薯藤粗細對比實物圖Fig.13 Comparison of the thickness of sweet potato vines under different plastic films

3 結(jié) 論

3.1 機械竹漿打漿度40°SR、機械竹漿與針葉木漿質(zhì)量比80∶20時，加入絕干漿質(zhì)量比為10%的PVA纖維、1.5%淀粉和1.5% CNF，100 g/m2機械竹漿地膜紙的抗張強度為1.52 kN/m，撕裂度為650 mN。

3.2 在地膜紙中添加1% PAE和0.15% AKD，地膜紙濕抗張強度為0.740 kN/m，Cobb值為27.7 g/m2，水接觸角為112.95°，地膜紙具有良好的濕強度與抗水性。

3.3 地膜紙具有良好降解性能，地膜紙埋入土壤中60天后，地膜紙破損嚴重，出現(xiàn)片狀小碎片。相較于塑料地膜，機械竹漿地膜紙可促進辣椒及地瓜藤的生長，并能有效抑制雜草。