農(nóng)用非織造材料的回收及其生物可降解纖維的應(yīng)用

嚴(yán) 姣，焦曉寧

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387)

農(nóng)用非織造材料是在對傳統(tǒng)農(nóng)用薄膜、塑料等材料的使用中出現(xiàn)的功能性缺點和環(huán)境污染等研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)改良材料［1］，可提高重復(fù)利用率，減少經(jīng)濟(jì)投入及環(huán)境污染，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中起著重要作用。按照用途分類，農(nóng)用非織造材料可分為遮蓋材料、基布材料、灌溉排水材料、裝運與工程材料、個人防護(hù)用品，其主要作用如:保溫防寒作用、遮光作用、防霜作用、防病蟲害、水土保護(hù)、無土栽培及排水灌溉［2］。農(nóng)用非織造材料常采用短纖熱粘合法和化學(xué)粘合法、針刺法以及長絲紡粘法等方法生產(chǎn)，其中長絲紡粘法因其生產(chǎn)工藝簡單、加工流程短、非織布強度高而應(yīng)用最廣［3］。由于農(nóng)用非織造材料的廣泛應(yīng)用，加上資源短缺和環(huán)境惡化等問題日益嚴(yán)重，因此，關(guān)于農(nóng)用非織造材料廢棄后的回收處理引起了人們廣泛的關(guān)注。

1 廢棄農(nóng)用非織造材料常用的回收方法

目前，關(guān)于傳統(tǒng)的塑料殘膜的回收處理較為有效的方法是利用殘膜回收機回收。但是也存在一些問題:技術(shù)不過關(guān)，生產(chǎn)效率較低;不直接產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益，因而農(nóng)民較難接受等［4］。農(nóng)用非織造材料相比傳統(tǒng)的塑料薄膜，強度高，耐日曬性好，耐氣候和老化性能強，使用過程中不易破壞，完全廢棄時不會產(chǎn)生大量碎片分散的現(xiàn)象，所以比較容易回收。可以采用人工與機械相結(jié)合的方法，加大廢舊地膜的回收力度。

目前最常用的農(nóng)用非織造材料的回收再利用方法主要有3 種，分別是物理回收、化學(xué)回收和能量回收。

1.1 物理回收

農(nóng)用非織造材料使用的纖維主要是滌綸和丙綸，還有天然纖維材料等。目前廢棄滌綸回收主要采用物理回收法，即通過簡單的機械分離(切割、撕松、開松等)、熔融造粒、與新鮮原料混合成新材料加以利用的方法。雖然對纖維的力學(xué)性能有一定的損傷，但因其投資小、操作簡單迅速，所以應(yīng)用很廣［5］。

丙綸的物理回收是將丙綸粉碎后用作土壤穩(wěn)定劑或混凝土添加劑，也可通過破碎、脫膠、除雜、干燥后得到干凈的丙綸，將其熔融、摻混、塑化后制成仿木材料等中低端產(chǎn)品［6］。

農(nóng)用天然纖維原料主要有粘膠纖維、木漿纖維、天然棉和麻類等，目前對纖維素纖維的回收再利用主要采用物理方法，即通過機械加工，通過切割和開松技術(shù)等將廢料切割成小塊，再采用角釘、鉤齒、針布等開松設(shè)備對其進(jìn)行開松除雜，制成散纖維，使其再生成初始狀態(tài)后再進(jìn)行利用。

1.2 化學(xué)回收

滌綸的傳統(tǒng)化學(xué)回收是利用化學(xué)試劑將合成纖維廢料解聚成為低分子物，如二甲酯、乙二醇、對苯二甲酸和聚酯單體，然后再通過純化將這些單體制成新的化學(xué)纖維的方法?；瘜W(xué)降解法包括水解法、醇解法、氨解法、胺解法和熱解法等，已經(jīng)有成功的PET 降解實驗，但尚未工業(yè)化［7］。近年來，一些新工藝和新技術(shù)的出現(xiàn)，使得滌綸化學(xué)回收技術(shù)有了較大進(jìn)步。如超臨界技術(shù)，即在超臨界條件下，水、甲醇等對聚酯高聚物有很高的溶解能力，其極性使得酯鍵很容易斷裂，水解為乙二醇和對苯二甲酸，以達(dá)到回收的目的［8］。

丙綸的化學(xué)回收通常是在催化劑的作用下將聚丙烯低溫裂解，得到相對分子質(zhì)量低的烴類，通過精餾分離出丙烯、烷烴等物質(zhì)［6］。還有通過改性進(jìn)行回收利用，常見的有填充、共混、增強、增韌等方式［9］。也有利用煤直接液化技術(shù)和廢舊聚丙烯的混合物轉(zhuǎn)變成氣態(tài)、液態(tài)產(chǎn)物，此技術(shù)不僅降低了煤液化的氫耗量，也為聚丙烯廢棄物的回收找到了一種好的方法［10］。

纖維素類的化學(xué)回收主要是將這些廢棄材料經(jīng)過除雜除塵之后，制取硝酸纖維素、粘膠纖維、醋酸纖維等纖維素產(chǎn)品，用于制作火藥、涂料、人造絲、絕緣材料等［11］。

錦綸6 的廢料成分主要為己內(nèi)酰胺高聚物及其低聚物，可通過酸法或堿法解聚成己內(nèi)酰胺，以供回收利用，但費用較高［12］。

聚乙烯是通過不可逆聚合反應(yīng)制得的，所以其回收只能通過交聯(lián)改性，才能達(dá)到再利用即在經(jīng)過處理的聚乙烯廢料中加入交聯(lián)劑使其形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其性質(zhì)由熱塑性變成熱固性，通過改性不但改善了聚乙烯的力學(xué)性能及耐候性能，也增加了材料的應(yīng)用范圍［13］。

聚丙烯腈廢絲用二甲基亞砜(DMSO)回收是一種較合理的回收方法，利用溶劑DMSO 在一定條件下有選擇地溶解聚丙烯腈纖維，其過程工藝簡單，不污染環(huán)境，且DMSO 易回收再利用［14］。陳繼華［15］采用催化氧化法即在溫度350～600℃，通過催化劑的作用，將廢棄聚丙烯腈分解成二氧化碳和水，此過程抑制了空氣中的N2形成高溫NOx，在石油化工領(lǐng)域處理廢氣運用較多。

1.3 能量回收

能量回收是將纖維廢料中熱值較高的化學(xué)纖維通過焚燒轉(zhuǎn)化為熱量，作為熱源用于火力發(fā)電等。焚燒使固體廢棄物變成惰性殘余物，并對燃燒余熱加以利用。合成纖維的熱值一般在30 MJ/kg 以上，聚乙烯和丙綸的發(fā)熱量更是高達(dá)46 MJ/kg，超過燃料油44 MJ/kg 的熱值［16］，但是，焚燒處理會產(chǎn)生大量底灰和有害氣體，空氣污染嚴(yán)重，這種方法受到越來越多的限制。

1.4 土地填埋

土地填埋是將大塊的廢棄材料回收送至垃圾填埋廠填埋，小部分殘留在作物土壤中，通過翻地、整地與下層的泥土混合。填埋法雖然處理簡單，但廢棄物滲透液可能引起地下水污染，受到一定的限制。材料中可降解成分越多越好，可以加快土地的重復(fù)利用［17］，所以該法比較適用于易降解的農(nóng)用非織造材料。

2 采用生物可降解纖維生產(chǎn)農(nóng)用非織造材料

生物可降解纖維在一定條件下可以完全被生物降解。生物可降解非織造布制品在微生物的作用下能緩慢分解為二氧化碳和水，對環(huán)境無害。生物可降解纖維主要分為天然纖維及其衍生物類、微生物合成高分子類、化學(xué)合成高分子類［18］。目前，傳統(tǒng)的廢棄農(nóng)用非織造材料的回收利用還存在一定的技術(shù)缺陷，高分子廢棄物對環(huán)境的污染越來越嚴(yán)重。因此，采用生物可降解纖維生產(chǎn)農(nóng)用非織造材料有良好的應(yīng)用前景。

2.1 天然纖維及其衍生物類的應(yīng)用

天然纖維具有可持續(xù)性和環(huán)保性，可參與自然界的生態(tài)循環(huán)。農(nóng)業(yè)上使用較多的為棉、麻、絲、椰殼、秸稈、粘膠等［19］。這些纖維分布廣泛，來源豐富，有良好的生物降解性，符合環(huán)保的要求［20］。使用生物可降解纖維生產(chǎn)農(nóng)用非織造材料，廢棄后的處理簡便易行，且條例環(huán)保要求。

2.1.1 在無土栽培基質(zhì)上的應(yīng)用

生物可降解纖維尤其適合用于無土栽培基質(zhì)，不僅能夠滿足無土栽培基質(zhì)的要求，而且在作物成熟后還可隨土壤降解，被廣泛應(yīng)用。

劉洪鳳等［21］將85%的稻草秸稈纖維和15%的粘膠纖維經(jīng)預(yù)混、開松后，采用氣流成網(wǎng)成形，再經(jīng)針刺加固形成連續(xù)的無土栽培基質(zhì)，稻草纖維由纖維素纖維組成，同粘膠纖維均有良好的吸水性，同時稻草纖維內(nèi)有大量的微孔，有很好的保水保肥效果，完全能滿足作物對空氣、水的需要，兩種纖維均可天然降解，不會破壞生態(tài)環(huán)境。用秸稈型非織造布與肥料、草籽復(fù)合形成草坪基質(zhì)、立體綠化基質(zhì)等，秸稈纖維回潮率大，吸放濕快，纖維本身含有大量的植物養(yǎng)分，平均含氮0.6%、磷0.3%、鉀1%、碳40%～50%，可自然降解并改善土壤的理性性狀［22］。

英國Fisons Plc 公司生產(chǎn)的非織造布，其中一種是由47.5%木質(zhì)材料和42%肥料，再添加其他一些纖維制成，用作種子基質(zhì)和生長基質(zhì)材料［23］。日本Asahi 公司開發(fā)了Bemliese 纖維素長絲紡粘非織造布，由棉絨制成銅氨纖維，銅氨纖維的回潮率可達(dá)12%～13%，有超強的吸液性和優(yōu)良的生物降解性，適合做無土栽培基質(zhì)［24］。

2.1.2 在非織造地膜上的應(yīng)用

傳統(tǒng)的塑料地膜的原料主要以聚乙烯為主，另有部分聚氯乙烯，由于產(chǎn)量大成本低而不被反復(fù)使用，在自然條件下不易降解，地膜大量殘留在農(nóng)田里，減少土壤中水分滲透量，影響通透性，降低土壤肥力水平，抑制農(nóng)作物生長發(fā)育并使之減產(chǎn)［25］。隨著非織造布在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛，可降解非織造布地膜受到了極大的關(guān)注。

高玉杰等［26］選用草漿及少量木漿，添加適當(dāng)助劑或輔料，利用濕法成網(wǎng)技術(shù)制成的地膜，各項使用性能與塑料地膜相當(dāng)，并且該地膜經(jīng)歷降解的時間約為105 d，顯示了較好的降解性。

王朝云等［27］等以苧麻落麻、黃麻等麻類纖維為主要原料，含麻量一般為50%～100%，配以其他植物纖維，采用梳理成網(wǎng)與氣流成網(wǎng)相結(jié)合的工藝，并通過化學(xué)粘合法，制出力學(xué)性能良好的麻地膜。麻纖維吸濕與散濕快，斷裂強度較高且濕強更高、斷裂伸長率極低，耐磨、透濕透氣性好。該麻地膜在田間鋪放50～70 d 開始出現(xiàn)破裂，埋土超過60 d 后可完全破裂為5 cm 以下的碎片或呈絲狀，隨著時間推移，可在田間完全降解。

程士潤［28］利用稻秸稈纖維與廢蠶絲為原料，用聚乙烯醇/淀粉溶液為粘合劑，濕法成網(wǎng)制備地膜，可以在自然狀態(tài)下發(fā)生降解，秸稈纖維中含有大量的鉀元素，可以提高土壤中鉀元素的含量，蠶絲纖維有較好的強伸度以及吸濕性好，分解產(chǎn)生的蛋白質(zhì)可以改善土壤特性，提高土壤含氮量。

劉陶等［29］用亞麻和蠶絲纖維的紡織下腳料制備麻/絲非織造布農(nóng)用地膜，具有很好的保濕和保溫作用，并且土壤的含氮量隨地膜降解而提高。

黃晨等［30］將棉、絲纖維混合梳理成網(wǎng)，經(jīng)過水刺加固后浸漬在4%的明膠溶液中制備出可降解地膜，棉纖維吸濕性好，耐強堿，耐有機溶劑、隔熱耐熱。該地膜與常規(guī)農(nóng)用地膜相比，具有較好的物理性能和降解性，并且降解后可為土壤增肥。

吳星娥等［31］通過殼聚糖內(nèi)添加劑和表面施膠兩種方法對紅麻全稈地膜進(jìn)行處理，可提高地膜的濕強。殼聚糖可在短時間內(nèi)即可被酶分解成低分子物質(zhì)，整個生物降解過程對環(huán)境無污染。另外殼聚糖具有抑菌防腐作用，能提高作物的抵抗力，在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用廣泛［32］。

Bahram 等［33］發(fā)現(xiàn)淀粉基生物可降解地膜大約在播種3 周后開始發(fā)生破裂，認(rèn)為可以取代傳統(tǒng)的聚乙烯地膜。

2.2 其他可生物降解類纖維的應(yīng)用

生物可降解纖維除了天然纖維及其衍生物，還有兩類分別是微生物合成高分子類、化學(xué)合成高分子類。聚烴基脂肪酸酯(PHA)屬于微生物合成高分子類，是很多微生物合成的一種細(xì)胞內(nèi)聚酯，它是多種微生物在能量和碳源過剩時的儲備物質(zhì)。PHA 這種天然高分子材料在通常條件下很穩(wěn)定，但在土壤、湖泊、海洋等自然環(huán)境中材料的力學(xué)性質(zhì)會發(fā)生大幅下降，很容易生物降解。PHA 膜優(yōu)良的生物可降解性，常被用于農(nóng)業(yè)上的包裝材料［34］。

聚乳酸纖維屬于化學(xué)合成高分子類，是由玉米、小麥等淀粉原料經(jīng)發(fā)酵、縮合、聚合而得到的聚合物纖維，原料來源充分而且可以再生。并且PLA 纖維在合適的自然條件下易生物降解，可分解為二氧化碳和水，完成自然循環(huán)，不會污染環(huán)境。聚乳酸纖維因優(yōu)良的可生物降解性被用作農(nóng)業(yè)材料，如農(nóng)業(yè)上防蟲、防獸害的蓋布［35］。由于合成類生物可降解纖維存在技術(shù)難、價格昂貴等問題，目前用該種纖維做農(nóng)用非織造材料較少。

3 結(jié)語

非織造布因工藝簡單，成本低且對原料適應(yīng)性能好，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有多方面的應(yīng)用，是農(nóng)業(yè)發(fā)展使用材料的一個重要方向。開發(fā)農(nóng)用非織造材料既要考慮實際的應(yīng)用需求，還要結(jié)合綠色環(huán)保要求，不斷開發(fā)新材料和新的生產(chǎn)技術(shù)，更好地解決農(nóng)用非織造材料廢棄后的回收處理及可持續(xù)發(fā)展。今后，生物可降解纖維在農(nóng)用非織造材料中的應(yīng)用將逐步擴大。另外，我國是一個紡織大國，各類紡絲廢棄物越來越多，通過回收應(yīng)用于農(nóng)用非織造材料，如果回收利用的廢纖維材料同時可生物降解;這樣即可以高效利用資源，又可以減少環(huán)境污染，值得推廣應(yīng)用。

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