植物纖維地膜的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

賈珊珊，徐 紅(， )

農(nóng)用地膜的覆蓋技術(shù)，是自20世紀(jì)80年代引入我國后發(fā)展極為迅速的一項(xiàng)高產(chǎn)栽培技術(shù)[1]。由于地膜具有保溫、保墑、保肥和防寒的顯著優(yōu)點(diǎn)，加上我國處于季風(fēng)地帶，80%以上的耕地存在干旱、低洼和鹽堿等障礙因素，特別是在廣闊的西北地區(qū)，土壤沙化、土壤鹽漬化等現(xiàn)象十分嚴(yán)重，需要進(jìn)行調(diào)理和改良，使得地膜的需求量日益增長。目前，我國已成為農(nóng)用地膜生產(chǎn)和使用量最多的國家[2-3]。我國農(nóng)田中地膜多數(shù)為塑料單體聚乙烯或其他合成聚合物，本身具有分子量大，性能穩(wěn)定，難以分解的特性，雖然在使用過程中能夠確保農(nóng)產(chǎn)品增產(chǎn)增收，但是一個(gè)使用周期過后，大量殘留的地膜碎片由于回收困難而散落在土壤中，年復(fù)一年將嚴(yán)重降低土壤的通透性，給耕作、播種和作物的生長帶來了很大的困難。因此，開發(fā)可降解的農(nóng)用地膜，解決殘膜造成的“白色污染”成了近年來研究的熱點(diǎn)[4-5]。不同種類地膜的研究開發(fā)進(jìn)展得很快，也有大量的地膜產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)行試用，取得了較好的效果，植物纖維地膜作為其中的一類受到了廣泛關(guān)注。

1 地膜的原料選擇

植物纖維地膜是指以植物纖維作為原料加工生產(chǎn)的農(nóng)用地膜，天然的纖維素材料可在自然環(huán)境中被微生物降解，因此屬綠色環(huán)保產(chǎn)品。而纖維素材料，作為一種天然的可再生的高分子材料，大量存在于綠色植物中，再生速度很快，取之不盡用之不竭。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，全世界每年通過光合作用產(chǎn)生的植物物質(zhì)，大約只有11%被用作農(nóng)作物產(chǎn)品、飼料、造紙和建筑原料，高達(dá)89%的天然纖維素原料被自然界分解轉(zhuǎn)化，最終形成CO2和H2O，造成了巨大的資源浪費(fèi)[2]，因此，利用植物纖維制造可降解地膜是充分利用資源，同時(shí)也是為以日趨枯竭的石油資源為主要原料的塑料工業(yè)開辟了一個(gè)新的原料來源。

自然界中植物品種種類繁多，但就地膜的生產(chǎn)制造而言，目前主要研究采用的原料有以下幾種：

(1)從廢物利用及資源多少考慮，可降解的植物纖維并適用于制成地膜的材料首推棉短絨，經(jīng)過初步加工或精梳落下的短絨，長度多在6～8mm，價(jià)格低廉，經(jīng)過再加工可生產(chǎn)為棉短絨地膜，對(duì)環(huán)境無害。江南大學(xué)的呂仕元，羅軍等人便采用棉紡加工廠的廢棄棉短絨下腳料，經(jīng)過濕法造紙法和一些改善性能的后處理，制備出了可完全降解的地膜[6-7]。

(2)同時(shí)，我國也具有豐富的麻類纖維資源，種植面積和產(chǎn)量均居世界首位，在麻類眾多的品種中，經(jīng)過研究培育，配套合適的加工方法，也能提供出優(yōu)質(zhì)原料。周景輝、李志明等在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)利用紅麻全桿經(jīng)過常規(guī)造紙方法制造的紙基麻地膜，兼有塑料地膜保溫性能和生物降解性能[8-9]；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院的王朝云，呂江南等以苧麻、黃麻等麻類纖維為主要原料，采用梳理成網(wǎng)與氣流成網(wǎng)相結(jié)合的工藝，配合化學(xué)固結(jié)方法，試制出了各項(xiàng)力學(xué)性能滿足使用要求的麻地膜[10]。

(3)除了紡織用纖維外，自然界中仍有大量的植物資源可以為人們所利用，也有一些研究利用各種物理或化學(xué)的方法對(duì)其形態(tài)進(jìn)行加工處理后，提取纖維用來生產(chǎn)地膜。天津輕工業(yè)學(xué)院的高玉杰，謝來蘇將各種造紙用草漿配合少量木漿，抄紙成型后加入助劑制成了可用于實(shí)踐研究的地膜[4]；安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)則選用從稻草中提取的纖維，使用聚乙烯醇將其黏合，生產(chǎn)農(nóng)用地膜[11]；覃程榮制作地膜所利用的原料為制糖工業(yè)的副產(chǎn)物——甘蔗渣，熟化成黏膠，再完成成膜步驟[12]。

2 地膜的加工工藝

一般的以合成高分子材料為基質(zhì)的降解地膜制備過程比較復(fù)雜，而且在地膜生產(chǎn)加工的過程中也常常會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。目前，隨著非織造布在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用越來越廣泛，以纖維素為主的植物纖維地膜的制作常常采用非織造布的生產(chǎn)工藝，不僅工藝比較簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低，而且加工過程無污染。

2.1 成膜方法

農(nóng)用地膜和其他材料相比，透光性的要求較高，這就間接對(duì)地膜的厚度有了一定程度的限制。濕法成網(wǎng)，也稱為造紙法，可制得厚度較小、滿足使用要求的地膜。在制作過程中，將長度較短的植物纖維加入適量的助劑，如分散劑、柔軟劑、增強(qiáng)劑等，通過打漿，調(diào)料，稀釋等工序，制得纖維均勻分布的漿液，再進(jìn)行鋪網(wǎng)，烘干后即可得到植物纖維非織造農(nóng)用地膜。此方法制得的地膜克重最輕，可控制在35g左右，效果比較理想[4，6-8]。

非織造布的加工方法多種多樣，在此基礎(chǔ)上，植物纖維地膜的加工也向著多樣化發(fā)展。利用干法成網(wǎng)，再結(jié)合針刺固結(jié)；或使用梳理成網(wǎng)和氣流成網(wǎng)結(jié)合，配合化學(xué)黏合固結(jié)，都可制造出農(nóng)用地膜，但是方法的選擇應(yīng)依據(jù)纖維成網(wǎng)的可行性，根據(jù)待加工植物纖維的表觀特性、物理特征來判斷。

2.2 后處理工藝

在地膜的成網(wǎng)成型加工過程中，厚度是相對(duì)而言比較容易控制的一項(xiàng)指標(biāo)，而影響地膜使用品質(zhì)的另外一些主要因素則是地膜的強(qiáng)度和透光性。由于原料和制作工藝的影響，普通的聚乙烯塑料薄膜所特有的強(qiáng)力和透明度是植物纖維地膜不能達(dá)到的。為了提高地膜的使用性能，可選擇性地為其進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮筇幚砑庸ぁ?/p>

選擇合適的透明劑對(duì)地膜進(jìn)行浸漬或者涂布可以大幅度地提升地膜的透光性能，但同時(shí)也會(huì)對(duì)地膜的強(qiáng)度產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，所以用量應(yīng)嚴(yán)格控制。目前所采用的透明劑，多為氯化石蠟和液體石蠟[4]。

由于地膜在使用過程中歷經(jīng)風(fēng)吹雨打，強(qiáng)度較低的地膜過早出現(xiàn)破裂會(huì)影響其保溫、保墑作用，在地膜成型后對(duì)其進(jìn)行施膠處理，可以增加纖維粘接點(diǎn)的強(qiáng)度，達(dá)到增強(qiáng)的目的。目前對(duì)于增強(qiáng)劑的研究也呈增多趨勢(shì)，適當(dāng)?shù)厥褂迷鰪?qiáng)劑不僅可以提高地膜的干濕強(qiáng)度，而且還對(duì)地膜的降解速度有一定的控制。天然的絲膠、明膠、丙烯酸酯、聚乙烯醇、殼聚糖和幾種樹脂都被作為增強(qiáng)劑進(jìn)行了分析研究[13-15]。絲膠和明膠屬于天然膠黏劑，雖然可完全降解，但是粘接性能稍弱。丙烯酸酯、聚乙烯醇、樹脂類屬于合成型膠黏劑，粘接力較強(qiáng)，使地膜的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)得到優(yōu)化，但是其用量對(duì)地膜的降解性能仍有待繼續(xù)研究。殼聚糖不僅具有良好的成膜性，可增強(qiáng)地膜的強(qiáng)度，同時(shí)它還具有抗菌作用，可以延長細(xì)菌對(duì)地膜的侵蝕時(shí)間，從而延長地膜的降解時(shí)間，實(shí)現(xiàn)地膜的降解過程可控。

3 地膜的性能及應(yīng)用[4-15]

近年來有關(guān)植物纖維可降解地膜的研究表明，已有較多的植物纖維地膜研制成功，地膜的克重大多數(shù)集中在35～50g/m2，厚度則約從0.10mm到0.35mm不等。這些地膜的強(qiáng)力指標(biāo)，如干、濕斷裂強(qiáng)度，抗撕裂強(qiáng)度等，已基本能夠滿足使用要求。通過少量種植實(shí)驗(yàn)研究，透光性雖不及普通塑料薄膜，但是也沒有對(duì)作物生長造成負(fù)面的影響，同時(shí)還減少了由于暴曬造成的燒苗現(xiàn)象。同時(shí)，由于采用非織造生產(chǎn)工藝，農(nóng)膜即使經(jīng)過了浸膠等后處理工序，仍然有較多的微孔存在，因此具有一定的透氣透濕性能，在使用過程中能夠減少膜內(nèi)溫度過高而頂部結(jié)露現(xiàn)象。

由于纖維素可被微生物、細(xì)菌和真菌侵蝕，發(fā)生生物物理降解和化學(xué)降解，因而使用周期過后，地膜可在自然環(huán)境下被降解。同時(shí)，部分在制膜過程中添加的助劑，含有對(duì)作物生長有益的元素，降解后化為有機(jī)廢料，也可被土壤吸收，提高可種植性。

4 地膜存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)

植物纖維地膜的巨大優(yōu)越性在于它的生物可降解性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了廢棄資源再利用，資源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。但是降解地膜的生產(chǎn)成本仍舊高于塑料薄膜，更適合于高附加值的作物，難于大范圍地推廣；同時(shí)，植物地膜的品質(zhì)有待于繼續(xù)提高，如何使地膜厚度、干濕強(qiáng)度和透明度等指標(biāo)達(dá)到與塑料地膜相當(dāng)?shù)某潭?，?duì)地膜的降解速度進(jìn)行有效控制，目前還沒有得到很好的解決，大部分研究仍處在實(shí)驗(yàn)室階段。

不可否認(rèn)的是，可降解材料仍然是環(huán)節(jié)日益嚴(yán)重的“塑料垃圾問題”的有效途徑。成本和品質(zhì)決定了降解地膜的推廣使用，如何降低原料的價(jià)格，開發(fā)出新的適宜生產(chǎn)推廣的加工方法，仍是目前研究工作的重心。

[1] 劉容德,張桂云,史貞.我國降解地膜的發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].齊魯石油化工,1996, (4):322—324.

[2] 鹿寶鑫,周睿,王霞.天然纖維基降解塑料地膜的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2008,(12):207—209.

[3] 李燕紅.造成殘膜污染的原因及解決途徑[J].新疆農(nóng)業(yè)科技，2007,(4):47.

[4] 高玉杰,謝來蘇.紙基農(nóng)用地膜的開發(fā)與應(yīng)用[J].中國造紙，2002,(3):30—31.

[5] 黎先發(fā).可降解地膜材料研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].塑料,2004,33(1):76—81.

[6] 呂仕元,陸德生,王祖行等.自然降解農(nóng)用棉短絨地膜的研制[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2002，(2):13—17.

[7] 盛偉,羅軍,葛明橋.紙基棉短絨地膜的研制與表征[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2009，(3): 9—11.

[8] 周景輝,朱宏偉.環(huán)保型紙基麻地膜的試制[J].中國造紙學(xué)報(bào),2003,18(2):101—105.

[9] 李志明,吳星娥,周景輝.紅麻全桿地膜保溫與降解應(yīng)用試驗(yàn)[J].中國造紙,2004,23(8): 20—22.

[10] 王朝云,呂江南,歐陽清,等.環(huán)保型麻地膜的試制[J].紡織學(xué)報(bào),2008,29(3): 42—46.

[11] 謬宏超,黃晨,張璐,等.稻草纖維和廢蠶絲制作非織造布工藝的研究[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào),2008, 14(8):82—84.

[12] 覃程榮,王雙飛,宋海農(nóng).新型全降解地膜降解性能的研究[J].廣西輕工業(yè),2003,(1):10—13.

[13] 黃晨,方麗娜,韓曉建,等.絲膠浸漬棉質(zhì)非織造地膜的制備與表征[J].紡織學(xué)報(bào),2007,28(11): 52—56.

[14] 吳星娥,周景輝.不同濕強(qiáng)劑對(duì)紅麻全桿地膜濕強(qiáng)性能比較[J].紙和造紙,2005,(1):43—45.

[15] 覃程榮,王雙飛,宋海農(nóng).新型全降解地膜降解性能的研究[J].廣西輕工業(yè),2003,(1):10—13.