纸地膜研究状况与趋势

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本文作者：吕国华1白文波1国金义2宋吉青1作者单位：1.中国农业科学院2.东营市垦利县永安镇农林站

引言

农用地膜覆盖技术在应对农业自然灾害、扩大农作物的种植区域以及提高作物产量等方面的效果显著［1］。同时，随着塑料地膜的大面积推广应用，塑料残留物对环境的危害也日益加剧。因此，研发利于推广应用的可降解地膜对促进农业的可持续发展具有重要的作用。目前，可完全降解的塑料主要以淀粉、纤维素、糖和有机酸的一种或几种为基本原料，经过物理、化学或生物学方法加工而成的。受原材料成本、膜材料价格以及推广应用的影响，农用地膜仍然较多采用纤维素或淀粉为基本原料，包括淀粉基地膜和纸地膜等。其中，纸地膜以造纸工艺为基础，以植物纤维为基本原料，在植物纸浆的基础上，通过添加湿强剂、防腐剂和透明剂等化学助剂，采用常规造纸工艺抄制出原纸，然后对其进行加工处理，使纸张具有农用地膜所要求的机械强度和透光、透水、保温、增温、保墒性或其他增肥和除草功能［2－4］。

1助剂选择及工艺

1．1纤维类型及制浆方法

纤维素属于多羟基葡萄糖聚合物，是无水葡萄糖残基通过β－1和4苷键连接而成的立体规整性高分子。从化学结构上看，天然纤维素高分子内含有许多亲水性的羟基集团;从物理构造上，纤维素又是一种纤维状、多毛细管的高分子聚合物，具有多孔和大表面积的特性，因此纤维素具有一定的亲和吸附性［5］。目前，在造纸工艺中所选择的纤维素原料类型较多，包括杂草纤维如龙须草、荻、苇，农业秸秆纤维如玉米秆、棉秆［6］等，也有采用麻类［7－9］、木材、废纸等纤维素原料［10－11］。不同类型的纤维直接影响最终产品的性能和价格，如草纤维和农业秸秆纤维，不但来源丰富而且价格便宜，但是纤维强度较低，不利于提高增强纸地膜的机械强度，不利于机械化操作。麻类纤维的纤维长度和强度均好于普通秸秆纤维，但是原材料来源和成本是限制其推广应用的基本因素。在造纸工艺中，制浆方法包括化学浆法、机械制浆和生物制浆等。其中，较多采用化学浆法，包括烧碱法、硫酸盐法、亚硫酸盐法等［10，12］，为减少在生产过程中采用强酸、强碱而产生的污染，专利200710123115．5［6］采用“浸渍氧化催解”法制浆，生产过程中不用高温高压蒸煮，不用强碱，用无机和有机盐以及有机溶剂配制而成的浸渍剂，使用0．4～0.6MPa的氧压，制成浆的纤维不受破坏，木质素得到改性，胶体灰分得到分解，生产过程不产生黑液，无污染;机械制浆包括磨石磨木浆、盘磨机械浆和热磨机械浆等，在生产过程中不添加任何化学物质，采用揉搓、挤压、自然爆破撕裂获得，无污染物产生［13］;生物制浆技术在纸浆过程中，添加一定量的生物制剂，通过微生物酶降解非纤维素，以获得纯纤维素纤维用作造纸原料，工艺辅料减少，产生的工业废水易处理［14］。

1．2化学助剂选择

1．2．1制浆添加剂

制浆工艺中添加化学助剂的主要目的是提高得浆率，改善纸浆的物理强度、柔韧性，提高透明度，增强其防腐和抗分解能力。在目前纸基地膜的加工处理中，除使用部分已经加工好的具有良好韧性及较薄的白纸，如拷贝纸、美浓纸等薄型白纸［15］以外，一般都需要对纸浆进行处理，例如为提高得率，一般会添加一定量的蒽醌(0．05%)［10，12］;为增加纸基地膜的干湿强度、干裂断长和撕裂指数等基本指标，在打浆过程中一般会添加湿强剂或其他合成纤维素。例如在打浆度52～58°SR的条件下，周景辉和朱宏伟［2］通过试验确定了聚酰胺环氧氯丙烷树脂(PAE)、羟甲基纤维素(CMC)、水溶性聚乙烯醇纤维(PVA)和聚丙烯纤维的用量，用量比例分别为1．5%，0．1%，1%和5%。结果表明，纸基地膜的各项指标满足地膜覆盖的要求，可替代塑料地膜。为提高纸浆的透明度，打浆时采用次氯酸盐和过氧化氢的一种或混合为漂白剂，一般加入量为植物纤维原料量的1．5%～12%［10］;为了提高纤维的柔软性和强度，在打浆过程中可以加入1．5%的羧甲基纤维素钠(CMC)作为纤维的润涨剂，当打浆度达到53°SR时，加入1%的水溶性聚乙烯醇(PVA)，以增强其吸湿性;为了提高纸基地膜的抗降解程度，在纸浆中加入5%～8%的防水剂，4%～6%的增强剂［6］或0．05%～1．5%的8－羟基喹啉酮用以增强其防腐作用［10］。

1．2．2涂布助剂

在制造出一定规格的原纸基础上，为使纸基地膜的基本性能达到普通塑料地膜所要求的机械性能、透水性、保温、保湿和抗分解的能力，通常在纸张表层涂布一定量化学助剂。涂布方法通常采用浸泡、滚涂、喷涂、刷涂等技术方法，涂布助剂类型相对较多。例如，段蕴华等［10］在纸张表面涂布有机硅油、聚丙烯酸乙二酸丙三酯、石蜡系聚合物、生物胶等化学助剂，以提高纸基地膜的防水性能、撕裂指数等。刘正初等［14］选择醇酸清漆和200#汽油的混合液(8:2)作为涂布剂，其中醇酸清漆是由动植物油炼制而成，可以被微生物分解，不会产生二次污染。楮全慧［6］在纸张表面施加1．5%的壳聚糖湿强剂(20℃，pH=7)，纸的强度可以增加40%左右。同时，为制造复合多功能地膜，徐华［11］在纸基地膜的表面喷淋不干胶，然后涂布一层粘虫剂，用来防止爬虫和飞虫侵入，同时需要额外的薄膜对粘虫剂进行保护。段蕴华等［9］在涂布液中添加肥料或除草剂，制作出具有肥效或除草功能的纸基地膜。

1．2．3生产工艺特征

纸基地膜生产过程一般采用常规抄纸、分切原纸、涂布助剂、烘干等基本加工工艺，其中涂布采用的方法包括浸渍、滚筒式单面涂布、喷涂、刷涂等涂布方法［10，15－16］。另外，专利(01127449．2)在两层纤维原纸中间喷涂麦饭石(长石质饭状安山岩，粒度为100～6000目粉末)，经压榨合成，压光打孔，切割成能够改良土壤的纸地膜，而且因为麦饭石能够释放多种养分，因此该纸基地膜具有改良土壤的作用［17］。为了提高普通纸的伸长率，韩绍娟等［18］提出了一种物理方法，即在造纸生产工艺上增加一个后烘缸(生产工艺类似于皱纹纸)，后烘缸的温度控制在95～105℃，压力为2个大气压，能够增加普通纸的伸长率，生产的纸基地膜有利于机械铺设，同时地膜的透气率有一定的改善。

2田间效果验证

与塑料地膜相比，纸基地膜具有一定的透气性，主要因为在纸膜浸涂过程中，由于涂料液的粘度以及各种浸渍阻力、溶剂挥发等因素的影响，纸页内部的纤维孔隙不可能被完全填充，从而保留一定的空隙。其次，纤维本身具有一定的颜色和较低的透明度，在不进行处理的条件下，纸基地膜的透明度较低。纸地膜覆盖的土壤，由于其较高的透气性增大了夜间长波辐射的热量散失［19］。同时，透明度降低了白天太阳辐射的透射，导致纸地膜的平均地温略低于塑料地膜。然而，虽然太阳辐射的透射率降低，由于纸基地膜本身可以吸收更多的太阳辐射，并以热传导的形式将热量传导给土壤，因此纸基地膜覆盖的土壤温度仅略低于塑料地膜覆盖的土壤温度。研究结果表明，最终的作物产量要高于塑料地膜，表现出了较好的经济价值和环保价值。傅玉全［20］使用丹江口第一造纸厂生产的纸地膜，主要技术指标为:原纸定量35±5g/m2，原纸断裂长(纵横平均)3600～3700m，原纸湿强度20%，涂布量8～10g/m2，透明度65%～70%。与裸地栽培的对照试验结果表明，作物的光合作用有明显改善，土壤温度增加，土壤含水量状况较好，具有抑制杂草和增产的优势。同时，与普通塑料薄膜相比除雨天保温效果略差外，其增产效果好，抑制杂草能力强，可以有效防止土壤板结。而且，纸基地膜60天基本降解，不但减少农田污染，而且可以增加土壤有机质。另外，纸基地膜的纤维素材料具有一定的吸湿性能，不但具有调节土壤湿度的作用，而且空气湿度也有一定的调节作用，可以有效抑制大棚中因过度潮湿而带来的菌核病和灰霉病等病害的发生和传播。因此，与普通塑料地膜相比，纸地膜能够更好地协调保水性与透气性之间的矛盾，具有较好的保温效果，具有抑制杂草、减少“白色污染”和提高土壤质量的作用，有利于降低空气环境的相对湿度，降低病虫害的发生概率，从而提高作物的光合作用，有利于作物的持续增产。

3存在问题

1)田间试验结果表明，与露天及普通塑料地膜相比，纸地膜具有减少“白色污染”、改良土壤微环境、培肥土壤、改善植物光合作用、提高作物产量和品质的优势。但是，目前田间的实际应用仍然较少，这与纸地膜的干湿强度和断裂强度较低有直接关系，这使得纸地膜在人工或机械铺设过程中，容易破碎，从而不利于机械化作业。2)纸地膜成本较高是限制大规模推广应用的重要原因［4，20］。目前也有研究表明，纸地膜的成本可以有效降低，如专利00125308．5［11］采用较为低廉的普通农作物秸秆纤维，可以降低成本，使其成本低于聚乙烯地膜成本，从而有利于纸地膜的推广应用。3)纸地膜受到太阳辐射、风力侵蚀、降雨侵蚀及微生物分解等一系列破坏作用，容易发生分解、破碎，纸地膜持续时间较短［3］，影响了保温保湿的效果。4)与塑料地膜生产中各项指标和标准体系相比，纸地膜的各项指标体系尚没有建立，不利于纸地膜的生产和推广。

4讨论与结论

1)纸地膜加工过程中，需要不断筛选纤维素材料，改良制浆加工工艺，优化助剂类型，参考塑料地膜产品标准，优化纸地膜的性能，并最终建立一套完善的纸地膜的质量参数标准体系。根据作物生长中需要地膜覆盖的时间长短，对纸地膜的抗老化和分解能力进行合理调整，不但有助于实现地膜覆盖的效果，且省时省力。总之，最终获得机械性能、降解性能、生物性能等各项指标比较理想的纸地膜，并尽可能降低生产成本，是纸地膜能够大规模推广应用的前提。2)目前纸地膜加工工艺往往加入漂白剂等化学助剂，以增加纸地膜的透明度，由此必然产生一定的污染，因此纸地膜可以不以增加透明度为基本目标，可以添加其他调色剂，改善纸地膜的其他功能。如黑色地膜可以有效抑制杂草，银灰色反光地膜可以起到避蚜、防治病毒病的作用［21］，白色反光地膜可以改善作物冠层内的太阳辐射，均有利于提高作物产量。3)由于植物纤维可以吸附较多的矿物离子，因此功能性纸地膜的研制开发具有一定的优势，集肥效、杀菌、杀虫、除草等不同功能为一体的复合功能型纸地膜有待于进一步开发应用;而且，复合型纸地膜的功能助剂(肥料或农药)的释放周期及有效性的调控有待于进一步研究。4)虽然纸地膜能够完全降解，但是纸地膜加工过程中必然使用一些化学助剂以增强纸地膜的机械性能、降解性能和生物性能等，比如涂布助剂所使用的水溶性脂类、醇类、植物或动物油脂和人工合成纤维等，这些化学材料的生物降解性及其对土壤环境体系的影响有待于进一步研究。