用于侵蚀控制的可生物降解黄麻/粘胶非织造布及其增强的物理与力学性能

《Materials Advances》：A biodegradable jute/viscose nonwoven fabric for erosion control with enhanced physical and mechanical propertiesOpen Access

　　

摘要翻译：
本研究聚焦于采用纯黄麻及黄麻-粘胶纤维共混物制备用于侵蚀控制的可生物降解非织造布。纤维首先经过开松、共混，并通过梳理工艺转化为纤维网，随后采用针刺技术进行机械加固以制成非织造布。研究人员对所得样品进行了表面形貌、拉伸强度、孔径分析、耐磨性评估、颗粒过滤效率及生物降解性测试以评价其性能。结果表明，在所有制备的非织造布中，纯粘胶织物表现出最高的断裂强力，为94.41 N，其耐磨性可达35 000次循环。相比之下，黄麻织物及其共混物在孔径和颗粒过滤效率方面展现出更优性能，使其适用于侵蚀控制织物。值得注意的是，黄麻-粘胶共混物（50∶50）具有最小孔径（170 μm）和高达89.77%的颗粒过滤效率。因此，50∶50共混物成为最优样品，在强力、颗粒过滤效率、孔径及耐磨性方面均表现优异，是侵蚀控制织物的有效选择。由此可见，利用黄麻和粘胶纤维开发可生物降解非织造布是迈向生态友好型侵蚀控制的关键举措，符合可持续土地管理与保护的整体目标。

论文解读

**一、研究背景与问题**

土壤侵蚀是全球范围内广泛存在且日益严峻的环境问题，由风、水或重力等自然力量引起，导致土壤和沉积物迁移，进而造成肥沃土壤流失、水体淤积、道路与桥梁等基础设施损毁以及生态系统破坏。传统的侵蚀控制措施通常依赖于水泥、塑料及组合纺织品等材料，这些材料不可生物降解，长期使用会对环境产生不利影响。因此，亟需开发对生态更友好、更可持续的侵蚀控制技术。可生物降解非织造布因其能够稳定土壤、防止侵蚀，并可在植被恢复后自行降解，成为一种很有前景的替代方案。黄麻作为一种天然纤维，具有优异的强度和生物降解性；粘胶纤维则是一种由植物纤维素再生的纤维，可为织物提供更好的可靠性和多功能性。然而，单一纤维制备的非织造布往往难以同时满足力学性能、过滤效率、孔径结构、耐磨性和生物降解性的综合要求。因此，本研究旨在开发一种兼具成本效益和可生物降解性的针刺非织造布，通过黄麻与粘胶纤维的共混，实现性能的平衡与优化，以满足侵蚀控制应用的需求。

**二、研究内容与结论**

该研究发表于《Materials Advances》，系统探讨了利用黄麻和粘胶纤维开发可生物降解非织造布用于侵蚀控制的可行性。研究人员采用全因子实验设计，制备了30种非织造布样品，系统考察了纤维共混比（五个水平）、织物单位面积质量（三个水平）和针刺密度（两个水平）对非织造布物理、力学、过滤及生物降解性能的影响。研究结果表明，纯粘胶非织造布在所有样品中具有最高的断裂强力（94.4 N）和最优的耐磨性（最高35 000次循环），这归因于粘胶纤维较细、更柔韧，易于形成均匀的纤维网络和良好的缠结结构。相比之下，纯黄麻织物在颗粒过滤效率方面表现最优（93.99%），这得益于黄麻纤维粗糙、不规则的形态特征。在共混样品中，50∶50黄麻/粘胶共混物（250 g m^-2，12次/cm²针刺密度）综合性能最佳，其断裂强力为56.46 N，颗粒过滤效率达89.77%，孔径为170 μm，耐磨性为20 000次循环，并表现出最高的生物降解率（15天土埋后失重25.43%）。该共混物在力学性能、过滤效率、孔径和耐磨性之间取得了良好平衡，成为最适用于侵蚀控制的最优样品。研究表明，通过合理的纤维共混和工艺参数优化，可以开发出满足侵蚀控制应用需求的可生物降解非织造布，为可持续土地管理提供了一种环保解决方案。

**三、主要研究方法**

研究人员主要采用了以下关键技术方法：使用光学显微镜（Labomed CZM6，180倍放大）观察非织造布的表面形貌和纤维缠结状态；依据EN 143:2021+A1:2006标准，采用氯化钠（NaCl）气溶胶测试颗粒过滤效率；依据ISO 13934-1标准，使用恒速伸长（CRE）拉伸试验机测定织物断裂强力和断裂伸长率；依据ASTM F316-03标准，使用毛细管流孔隙度仪（CFP-1500A）通过泡点法测量孔径；依据ISO 12947标准，使用Martindale耐磨试验机在9 kPa压力下评估耐磨性；依据ASTM D5988-12标准，通过15天土埋试验评估生物降解性，以重量损失表征降解程度。黄麻纤维购自巴基斯坦Sargodha黄麻工厂，粘胶纤维购自Best Products Private Limited公司。

**四、研究结果**

**1. 表面形貌：** 通过光学显微镜观察到纤维之间形成缠结并构成稳定的非织造布结构，孔径和纤维缠结在大部分织物中分布均匀，纤维的排列和缠结有助于形成多孔结构。

**2. 颗粒过滤效率：** 单位面积质量和针刺密度的增加均能提升颗粒过滤效率。纯黄麻织物在250 g m^-2和12次/cm²条件下达到最高过滤效率93.99%，比纯粘胶的最高值（80.82%）高出13.17个百分点。黄麻含量较高的共混物过滤效率也更高，归因于黄麻纤维粗糙、不规则的表面特性更有利于颗粒截留。

**3. 力学性能：** 纯粘胶非织造布（250 g m^-2，12次/cm²）具有最高的断裂强力（94.4 N）和断裂伸长率（115 mm）。黄麻/粘胶共混物的断裂强力介于纯纤维织物之间。增加单位面积质量和针刺密度均能提高断裂强力，但会降低断裂伸长率。

**4. 孔径分析：** 所有样品的孔径范围为120至375 μm。增加单位面积质量和针刺密度通常使孔径减小。30∶70黄麻/粘胶共混物在250 g m^-2和12次/cm²条件下获得最小孔径（120 μm）。然而，70∶30共混物在250 g m^-2时出现孔径增大现象，表明孔径与工艺参数之间并非简单的线性关系。

**5. 耐磨性：** 纯粘胶织物耐磨性最优（最高35 000次循环），纯黄麻织物最低（3000-6000次循环）。增加单位面积质量和针刺密度在多数情况下可改善耐磨性，但效果因共混比而异。50∶50共混物在250 g m^-2和12次/cm²下耐磨性达15 000次循环。

**6. 生物降解性：** 15天土埋试验后，50∶50黄麻/粘胶共混物（样品24）失重率最高（25.43%），其次为70∶30共混物（样品30，18.18%）、纯黄麻（样品1，16.67%）、纯粘胶（样品12，13.30%）。50∶50共混物的降解率约为致密纯黄麻样品（9.52%）的1.92倍，表明共混纤维的协同效应和织物结构特征共同影响生物降解行为。

**五、讨论与结论**

研究讨论指出，生物降解行为受纤维组成、共混比和非织造布结构特征的共同影响，而非仅由纤维类型决定。尽管加入粘胶可能增加材料成本，但其改善的耐久性、耐磨性和力学性能可通过延长使用寿命和减少维护需求来抵消额外费用。研究结论确认，50∶50黄麻/粘胶共混非织造布在力学性能、过滤效率、孔径、耐磨性和生物降解性方面综合性能最优，展现出作为临时侵蚀控制材料的巨大潜力。未来研究可进一步优化非织造布结构（如孔径、密度、厚度），并探索剑麻、亚麻、棉和香蕉纤维等更多可持续天然及再生纤维，以提升生物降解侵蚀控制纺织品在田间条件下的性能。