本发明涉及一种以农业废弃物及入侵植物为原料制成的环保可降解农用纸地膜，涉及一种上述纸地膜的制造方法。
背景技术：
地膜覆盖栽培是农业生产发展的一项重大技术措施。它具有提高地温、保水、保肥及防草等多种功能，极大地促进了农业生产。华南地区高温、高湿，多季轮作，杂草难以防控，地膜使用频次非常高。目前使用的地膜绝大多数是石油化工产品聚乙烯薄膜，由于其厚度仅约0.01mm，难以回收，种植户也没有回收意愿，长期使用将在耕地中积累越来越多的难以降解的塑料颗粒，形成“白色污染”，影响农作物根系生长及肥水吸收，甚至可能对农产品的质量产生影响，进而影响人们的健康。
本发明旨在提供一种环保可降解农用纸地膜，以解决华南地区地膜使用频次高，回收困难或无意愿回收造成耕地“白色污染”问题。本发明同时还提供一种上述纸地膜制造方法。
纸张的一般制作流程主要包括如下步骤：
1)原料获取；
2)原料初处理；
3)制浆：化学浸泡蒸煮制浆，包括碱性盐法蒸煮、中性盐法蒸煮和酸性盐法蒸煮，或化学机械法制浆；
4)洗浆；
5)漂白；
6)填料：用碳酸钙、明矾对絮凝后的纸浆进行填料，增强纸张的性能；
7)施胶：用羧甲基纤维素或其它施胶剂对填料后的纸浆进行施胶，增强纸张的防潮性能；
8)抄造、滤水、脱水、烘烤干燥；
9)压光卷纸。
上述传统造纸过程中水消耗大，污染重，环保压力大。尤其是化学浸泡蒸煮制浆环节用水量大，污染严重，洗浆筛浆及抄造用水也很多。因而，如果能采用更为环保的方案制得所述农用纸地膜，将会大大降低对环境的压力。
技术实现要素：
本发明的第一发明目的：以华南地区主要农业废弃物和入侵植物为原料，制备一种环保可降解的农用纸地膜，使这些农业废弃物或入侵植物变废为宝的同时，减少塑料地膜覆盖栽培对耕地造成的污染。
本发明的第二发明目的在于提供一种生产过程不产生化学污染的农用纸地膜制造方法。
本发明的第一发明目的通过如下技术方案实现：一种环保可降解农用纸地膜，所述纸地膜由长纤维原料或长纤维原料和短纤维原料制成的纸浆抄造而成，所述长纤维原料采用香蕉假茎、菠萝叶中的一种或两种的组合，所述短纤维原料采用水葫芦和木薯茎秆两者的组合或与甘蔗渣三者的组合或单采用甘蔗渣，所述纸浆中融入有防水剂(一种拒水剂)。本发明的原料配比，既能保证农用纸地膜的性能要求又能降低生产成本，通过在纸浆中融入防水剂十八碳烷酸1801能使纸张具有极强的憎水性，从而使其耐雨水冲刷性能得到大大提升，添加防水剂十八碳烷酸1801的纸地膜可承受的雨水连续冲刷量，是同样方法在不添加十八碳烷酸1801制造的纸地膜的8倍以上。作为优选：添加的防水剂为十八碳烷酸1801，添加的十八碳烷酸1801为纸浆干浆重量的0.5-1.2％；进一步优选：添加的十八碳烷酸1801为纸浆干浆重量的1.0％。通过添加干浆重量1.0％的十八碳烷酸1801，可使纸地膜具有类似于塑料膜的拒水防水性能，极大地提高了纸地膜的抗水性及耐雨水冲刷性能。而长、短纤维原料的配合使用，能增加纸张的柔韧性及干强度。
香蕉是华南地区主要的水果之一，2015年全国种植面积约650万亩，仅广东省的种植面积约200万亩。香蕉假茎成为华南地区一种主要的农业废弃物，其纤维含量高达55％，长度平均约8mm，是典型的长纤维。目前，香蕉收获后，绝大部分香蕉假茎被砍掉后扔在田间地头，其携带的病原菌容易导致病害传播进而影响下季香蕉收成，也浪费了优质长纤维。本发明将其优质长纤维利用在农用纸地膜上，即可减少病原菌的传播，也使废弃的香蕉假茎产生了价值。
菠萝，又称凤梨，是华南地区特有的水果之一，每年种植面积80万亩以上，广东省的种植面积约40万亩。菠萝收获后的植株约有10％用于繁育种苗而在田间继续生长，其余的则直接采摘用于剥取菠萝叶纤维。繁育种苗后的菠萝叶常会干枯、不再饱满，难以剥取菠萝叶纤维，而这些干枯的叶子并不影响造纸。即使是收获菠萝后马上采摘菠萝叶，一般也会有30-50％的叶子由于折断、病斑、尺寸不合格等原因被抛弃。而菠萝叶中纤维素含量一般为60-75％，其纤维单体长度为3-8mm，是优质的长纤维。
水葫芦是一种严重影响水域生态的恶性入侵植物，其生物量巨大。每年都有大量的水葫芦被打捞后运至垃圾场填埋，不仅占用了宝贵的垃圾填埋空间，也浪费了生物质。水葫芦纤维含量为20-30％，平均纤维长度不足1mm，灰分略高，一般不单独用来造纸。
木薯是华南地区的特色作物，其茎秆高达2-3m，一般仅有不足5％的茎秆用作留种，其余的茎秆一般被作为废弃物扔掉了。木薯茎秆纤维素含量约41％，其平均长度约0.9mm，与水葫芦纤维长度相当。
甘蔗近年来在华南地区的种植面积在2000万亩上下浮动，甘蔗榨取蔗糖之后的甘蔗渣约有1000万吨。甘蔗纤维相对较长，平均1-2mm，与阔叶木纤维相当，可单独用来造纸。由于蔗髓薄壁细胞难以去除，蔗髓中的纤维短而粗，成纸性能不够优良，以致于甘蔗渣一般被用作燃料，仅约20％用于造纸。甘蔗作为华南地区的特色经济作物，其榨取蔗糖之后的甘蔗渣可以部分或整体替代本发明中的水葫芦和木薯茎秆的组合。甘蔗渣纤维尽管比较长，但其长宽比很低，不足80倍，且髓质的存在降低了其纤维性能，故不宜作为长纤维使用。
鉴于上述农业废弃物中香蕉假茎、菠萝叶纤维的优异性能，利用它们及入侵植物水葫芦、木薯茎秆、甘蔗渣等的纤维相结合，制造出环保可降解的农用纸地膜，不仅能使这些农业废弃物或入侵植物变废为宝，也能减少塑料地膜覆盖栽培对耕地造成的污染。
农用纸地膜的柔韧性与抗拉强度通过使用50％以上的优质长纤维提供，所以所述长纤维原料和短纤维原料浆干重之比≥1:1；所述水葫芦浆与木薯茎秆浆浆干重之比推荐为1:2至2:1，优选1:1。如果减少长纤维使用比例，则纸地膜性能尤其是抗拉力强度迅速下降，反之，增加长纤维使用比例，会提高纸地膜的性能。
本发明的纸地膜主要技术指标：
本发明的第二发明目的通过如下技术方案实现：一种所述环保可降解农用纸地膜制造方法，具体包括如下步骤：
1)原料准备：将纤维原料如香蕉假茎、水葫芦、木薯茎秆切碎，物料块长度35-45mm，厚度8-15mm。
2)机械法制浆：将步骤1)准备好的纤维原料用高浓磨分别制浆；然后将所获得的纤维原料粗浆进行蒸煮，整个过程不添加任何化学试剂；将蒸煮后的粗浆再进行精磨磨浆。
3)抄浆准备：将纤维原料浆按长纤维原料浆料干重不小于短纤维原料浆料干重的比例进行混合，加水稀释至浆浓度为2-4％，添加防腐剂卡松dl501至15-40ppm，优选20ppm，和纸浆干重0.5-1.2％优选1％的防水剂十八碳烷酸1801，搅拌中缓慢加入纸浆干重0.1-0.3％的分散剂peo，搅拌均匀即为可以抄纸的浆料。
4)抄造：将步骤3)中准备的浆料输送至网部滚筒抄造，再经对辊挤压脱水，鼓热风干燥，压光，卷纸，即可得所述农用纸地膜。
步骤2)中蒸煮的温度为110-140℃，时间15-45min。本发明的蒸煮过程是在粗磨制浆之后精磨制浆之前,蒸煮的主要目的在于使纤维软化，区别于化学法蒸煮制浆的脱木素将纤维解离出来的目的；其次，蒸煮过程中不添加任何化学试剂；再次，本发明中蒸煮温度为110-140℃，时间为15-45min，优选115-125℃，时间30-45min，压力为0.15mpa左右，随蒸煮温度自然变化，化学法制浆中蒸煮时间一般超过120min，温度在150℃以上，而且一般需增压到若干个大气压。试验表明，本发明方法在120℃左右蒸煮30-45min后精磨制浆可比相同条件下不蒸煮直接精磨制浆节约一半的时间，且所得纸浆的打浆度更好。
步骤2)中精磨磨浆，打浆度28-45°sr。其中，水葫芦、木薯茎秆纤维的纤维长度偏低，提高打浆度会提高纤维的帚度，同时也会降低其长度，鉴于其纤维长度偏低，通过打浆度提高其帚度并不能提高纸张性能，甚至会降低其成纸性能，所以需要控制其打浆度范围。
表1不同打浆度下浆纤维长度
其中，水葫芦纤维、木薯茎秆纤维打浆度控制在28-35°sr,推荐为30°sr，香蕉假茎纤维控制在38-45°sr，推荐为41°sr。
步骤3)中加水稀释，使浆浓度为2-4％。根据抄纸机的车速调整纸浆浓度，使相应的浆浓度与车速抄出的地膜纸定量符合要求。
步骤4)中成纸定量为140-200g/m2。田间试验表明，豆角、丝瓜等棚架类蔬菜叶片较大，雨水容易沿叶片固定的位置形成大雨滴落下，因而要求纸张的干强度比较大，耐雨水冲击能力强。本发明根据华南地区夏季湿热多大雨，冬季温暖多小雨的气候特点，确定了冬季使用的纸地膜定量为140-160g/m2，夏季纸地膜定量为180-200g/m2，如表2。
表2不同定量的基本型纸地膜耐雨水连续冲刷量情况表
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1)华南地区高温、高湿，多季轮作，杂草难以防控，地膜使用频次非常高，本发明就地取材，以华南地区农业废弃物和危害较大的恶性入侵植物水葫芦为原料，采用长短纤维结合制作环保可自然降解的纸地膜，不但具有良好的防草效果及促产作用，而且避免了塑料地膜带来的“白色污染”和对土壤结构的破坏；
2)本发明方法整个造纸流程中使用的三种化学制剂均无毒，且防腐剂卡松dl501与分散剂聚氧化乙烯peo易降解，而十八碳烷酸是自然界广泛存在的一种脂肪酸，几乎存在于所有的油脂中，如动物脂肪和植物油,使本发明纸地膜降解率可到100％；
3)根据本发明方法制得的纸地膜，具有良好的耐雨水冲刷性能，其耐雨水连续冲刷量可达同样材料而不使用本方法制造纸张的10倍以上，在地面平整的情况下可经受400mm以上非暴雨的连续冲刷保持不烂，能在水中浸泡7天保持不湿。且在雨水冲湿重新干燥后纸张的柔韧性、拒水性及耐雨水冲刷性能基本没有改变。在没有暴雨冲刷的情况下，华南地区夏季40-50天、冬春季50天以后自行降解，完全满足人们对地膜的期望。
附图说明
图1为本发明制造方法具体实施例的工艺流程图。
具体实施方式
下面为本发明制得的几种纸地膜(成纸定量均以200g/m2为例，测定时间以广州夏季为例)性能如下：
实施例1a
一种环保可降解农用纸地膜的基本原料组成：
香蕉假茎浆:水葫芦浆:木薯茎秆浆2:1:1(干浆)
十八碳烷酸18011.0％。
该纸地膜性能参数为：
实施例2a
一种环保可降解农用纸地膜的基本原料组成：
香蕉假茎浆:水葫芦浆:木薯茎秆浆4:1:1(干浆)
十八碳烷酸18011.0％。
该纸地膜性能参数为：
实施例3a
一种环保可降解农用纸地膜的基本原料组成：
香蕉假茎浆:水葫芦浆:木薯茎秆浆1:0:0(干浆)
十八碳烷酸18011.0％。
该纸地膜性能参数为：
实施例4a
一种环保可降解农用纸地膜的基本原料组成：
菠萝叶浆:水葫芦浆:木薯茎秆浆1:0:0(干浆)
十八碳烷酸18011.0％。
该纸地膜性能参数为：
实施例5a
一种环保可降解农用纸地膜的基本原料组成：
香蕉假茎浆:甘蔗渣浆2:1(干浆)
十八碳烷酸18011.0％。
该纸地膜性能参数为：
下面为本发明环保可降解农用纸地膜制造方法的具体实施例。
实施例一
如图1所示，本发明实施例一的环保可降解农用纸地膜制造方法，具体包括如下步骤：
原料准备：将新鲜的香蕉假茎、水葫芦、木薯茎秆剪切式粉碎备用。物料长度35-45mm，厚度8-15mm。
机械法制浆：直接将剪切粉碎后的香蕉假茎、水葫芦、木薯茎秆分别用串联高浓磨磨浆，分别制得粗浆，然后将所制粗浆120℃蒸煮45min，再分别精磨制浆。香蕉假茎浆的打浆度约41°sr，水葫芦及木薯茎秆浆均为30°sr。
抄浆准备：将香蕉假茎浆、水葫芦浆、木薯渣浆按浆料干重2:1:1的比例混合，加水至浆浓度为3％；添加造纸防腐剂dl501至纸浆中的浓度为15ppm；添加浆料干重1％的防水剂十八碳烷酸1801，控制浆温为80-90℃，使十八碳烷酸充分融化，并与浆料结合；然后缓慢加入浆料干重0.3-0.5％的分散剂peo，搅拌均匀。
抄造：调整车速，控制成纸定量为150g/m2。将上述准备好的混合纸浆输送至网部滚筒抄造，有效幅宽1200mm，经挤压脱水，鼓风干燥，压光后的纸张其干强度3760m，湿强度为20.42％。
室内模拟试验表明，该纸地膜可耐受420mm大雨连续冲刷而不穿孔或裂解。
2016年12月至2017年3月间的田间种植试验表明，该纸地膜在田间使用40天不腐烂，至第65天时已完全降解。
实施例二
本发明实施例二的环保可降解农用纸地膜制造方法，具体包括如下步骤：
原料准备：将新鲜的香蕉假茎、水葫芦、木薯茎秆剪切式粉碎备用。物料长度35-45mm，厚度约10mm。
机械法制浆：将香蕉假茎、水葫芦、木薯茎秆分别用串联高浓磨磨浆，制得粗浆，然后将所制粗浆125℃蒸煮30min，再分别精磨制浆，香蕉假茎浆的打浆度约41°sr，水葫芦及木薯茎秆浆均为30°sr。
抄浆准备：将香蕉假茎浆、水葫芦与木薯茎秆浆按其干重4:1:1的比例混合，加水至浆浓度为3.5％。添加造纸防腐剂dl501至纸浆中的浓度为15ppm，添加浆料干重1％的防水剂十八碳烷酸1801，混匀打浆。
抄造：成纸定量200g/m2。将上述加入添加剂的混合纸浆输送至网部滚筒抄造，有效幅宽1200mm，经挤压脱水，鼓风干燥，压光后的纸张其干强度4390m，湿强度为21.2％，然后卷纸，即为优质的耐雨水冲刷、兼具防草、促产效果的农用纸地膜。
室内模拟试验表明，该纸地膜可耐受466mm大雨连续冲刷而不穿孔或裂解。
2016年5月田间种植试验表明，该纸地膜在田间使用43天不腐烂，至第65天时已完全降解。