粘膠纖維堆肥降解性能研究1

林燕萍

（江西服裝學(xué)院，江西 南昌 330201）

粘膠纖維堆肥降解性能研究1

林燕萍

（江西服裝學(xué)院，江西 南昌 330201）

利用纖維的質(zhì)量損失率、化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)、纖維表面摩擦系數(shù)及力學(xué)性能，探討了堆肥對粘膠纖維的降解性能。研究表明，粘膠纖維的質(zhì)量損失率、纖維表面摩擦系數(shù)與斷裂伸長率均隨堆肥降解時(shí)間的增加而不增加，而纖維結(jié)晶度、晶粒尺寸及斷裂強(qiáng)度卻隨堆肥降解時(shí)間的增加而不降低，且纖維的化學(xué)組成與晶型結(jié)構(gòu)不變?；谏鲜鰷y試認(rèn)為：堆肥處理對粘膠纖維具有較好的降解作用。

粘膠纖維；堆肥；降解；質(zhì)量損失率；分子結(jié)構(gòu)；纖維表面摩擦系數(shù)；力學(xué)性能

纖維素纖維是人類利用較早的紡織纖維材料，除了棉、麻等天然纖維素纖維材料，近年來，隨著化工技術(shù)的進(jìn)步，種類繁多的人造纖維素纖維也走進(jìn)了人們的視野，進(jìn)入了千家萬戶的日常生活，其中以粘膠纖維最為突出[1-3]。大量纖維素纖維的使用，為大量以纖維素纖維為原料的紡織品的廢棄物的處理帶來了巨大的難題[4-5]。據(jù)中國經(jīng)濟(jì)導(dǎo)報(bào)報(bào)道，2013年我國廢棄紡織品總量大概在2 600萬噸，其中天然纖維素纖維紡織品的總量就占了800萬噸，而這些廢棄的纖維素纖維紡織品的回收率為3‰，這與我國紡織纖維年進(jìn)口量高達(dá)65%形成鮮明的對比，這也使得對廢棄纖維素纖維紡織品的回收利用工藝的革新迫在眉睫[6]。而這些廢棄紡織品的處理方式也大多通過填埋或焚燒進(jìn)行處理，不僅對大氣、水資源造成了嚴(yán)重的污染，產(chǎn)生的酸雨也嚴(yán)重污染了土壤，給農(nóng)作物帶來了巨大的安全隱患。本文通過對堆肥法研究粘膠纖維的降解，為纖維素纖維紡織品廢棄物的處理提供一定的參考經(jīng)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

普通粘膠纖維（新鄉(xiāng)白鷺化纖集團(tuán)有限責(zé)任公司，纖維的細(xì)度為1.36 dtex，長度為35 mm）；溴化鉀（博歐特(天津)化工貿(mào)易有限公司）、丙醇（上海倍卓生物科技有限公司），以上所用化學(xué)試劑均為AR級(jí)。

1.2 儀器

DV214C萬分之一電子天平（美國奧豪斯儀器(上海)有限公司）、DHG-9240A精密干燥箱（沈陽林頻實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）、KB-TH-S-150Z立式恒溫恒濕試驗(yàn)箱（東莞市科寶試驗(yàn)設(shè)備有限公司）、INSTRON5590萬能材料試驗(yàn)機(jī)（美國英斯特朗公司）、FTIR-7600型紅外光譜儀（天津天光光學(xué)儀器有限公司）、X’ Pert PRO X-射線衍射儀（荷蘭帕納科公司）、Y151型纖維摩擦系數(shù)儀（常州二紡精密機(jī)械有限公司）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1纖維的堆肥降解處理

建構(gòu)3 m×3 m×3 m的堆肥池，利用人畜的糞便、尿液、雜草、樹葉、垃圾等進(jìn)行高溫堆肥，并隨時(shí)測試觀察堆肥池中心溫度，以使整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中保持堆肥中心溫度在50℃左右。將粘膠纖維在1∶10的丙醇溶液中浸泡10 min后，蒸餾水清凈，在105℃的DHG-9240A精密干燥箱中干燥至恒重。使用DV214C萬分之一電子天平稱取10 g（記作G0），共稱取30份，將其中25份粘膠纖維分別放置于直徑為0.1 m球形鋼絲網(wǎng)球中，球面小孔的孔隙直徑為0.3 mm的圓形。將裝有粘膠纖維的鋼絲球放置在堆肥池的中心位置，并分別在30天、60天、90天、120天與180天各取出5份。將取出的粘膠纖維再次在1:10的丙醇溶液中浸泡10 min后，蒸餾水洗凈，再次置于105℃的DHG-9240A精密干燥箱中干燥至恒重后，再次稱重（記作Ga）后待用。

1.3.2質(zhì)量損失率測試

利用公式（1）計(jì)算經(jīng)不同時(shí)間段堆肥處理的粘膠纖維的質(zhì)量損失率，取5次實(shí)驗(yàn)測試的平均值。

式中：W為粘膠纖維堆肥降解處理后的質(zhì)量損失率，%；G0為堆肥降解處理前裝入鋼絲球中粘膠粘膠纖維的質(zhì)量，g，本次實(shí)驗(yàn)G0取值為10 g；Ga為堆肥降解處理后鋼絲球中粘膠纖維試樣的質(zhì)量，g。

1.3.3紅外光譜曲線測試

將未經(jīng)堆肥降解處理粘膠纖維與堆肥降解處理180天的粘膠纖維剪碎后與溴化鉀碾磨均勻后制成粘膠纖維溴化鉀壓片，使用FTIR-7600型紅外光譜儀對制備的粘膠纖維溴化鉀壓片進(jìn)行紅外光譜測試。FTIR-7600型紅外光譜儀的測試參數(shù)：測試光譜分別率為0.2 cm-1，波普測試范圍為4000～400 cm-1，測試次數(shù)為120次。

1.3.4 X-衍射曲線測試

將未經(jīng)堆肥降解處理粘膠纖維與堆肥降解處理30天、60天、90天、120天與180天的粘膠纖維剪碎后制成纖維碎末壓片。使用X’ Pert PRO X-射線衍射儀對制備的纖維碎末壓片進(jìn)行測試，X’ Pert PRO X射線衍射儀測試參數(shù)：Cu靶；Ni濾波；Kα射線波長為0.154 nm；測試電壓為60 KV，電流為60 mA；測試角度范圍為5°～60°；掃描步長為2°/min。

1.3.5纖維表面摩擦系數(shù)測試

將未經(jīng)堆肥降解處理粘膠纖維與堆肥降解處理30天、60天、90天、120天與180天的粘膠纖維在20℃，相對濕度為65%的KB-TH-S-150Z立式恒溫恒濕試驗(yàn)箱平衡24 h后，依據(jù)《紡材實(shí)驗(yàn)》中纖維表面摩擦系數(shù)纖維輥的制作方法，制備待測粘膠纖維纖維輥[7]。使用Y151型纖維摩擦系數(shù)儀對平衡后的粘膠纖維試樣和相對應(yīng)纖維輥的摩擦系數(shù)。Y151型纖維摩擦系數(shù)儀測試參數(shù)：將待測粘膠纖維試樣兩端夾持質(zhì)量為100 mg的張力夾后騎跨在待測粘膠纖維對應(yīng)的纖維輥上，在轉(zhuǎn)速分別為30 r/min與1 r/min的條件下測試?yán)w維的表面摩擦系數(shù)，每組纖維測試100根，去除測試誤差數(shù)據(jù)后，取粘膠纖維表面摩擦系數(shù)的平均值。

1.3.6力學(xué)性能測試

將未經(jīng)堆肥降解處理粘膠纖維與堆肥降解處理30天、60天、90天、120天與180天的粘膠纖維在20℃，相對濕度為65%的KB-TH-S-150Z立式恒溫恒濕試驗(yàn)箱平衡24 h后，使用INSTRON5590萬能材料試驗(yàn)機(jī)對纖維試樣進(jìn)行斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長率進(jìn)行測試。測試參數(shù)：CRE拉伸，纖維夾持長度為20 mm，拉伸速度為20 mm/min，每組纖維試樣測試30根取測試數(shù)據(jù)的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)量損失率測試

堆肥降解粘膠纖維的質(zhì)量損失率測試結(jié)果如圖1所示，從圖1明顯看出粘膠纖維的質(zhì)量損失率隨著降解時(shí)間的增加而不斷升高，這是由于粘膠纖維在堆肥中受到物理降解（如堆肥中微生物的啃咬、堆肥中的熱作用等使得粘膠纖維的支鏈側(cè)基消除、主鏈斷裂和拉鎖，從而使纖維素大分子裂解為分子量較低的物質(zhì)，從而使粘膠纖維降解）、化學(xué)降解（化學(xué)降解多指在酸堿情況下發(fā)生降解，在堆肥中由于各種物質(zhì)相互作用及堆肥中微生物的呼吸作用可以產(chǎn)生一些酸性物質(zhì)使得粘膠纖維發(fā)生酸解、醇解、水解，從而使得粘膠纖維降解）、微生物降解（微生物的降解往往伴隨著物理降解與化學(xué)降解，微生物不僅可以通過啃咬、呼吸作用產(chǎn)生酸性物質(zhì)進(jìn)行降解，還可以通過產(chǎn)生酶從而使纖維材料氧化、分裂，從而使得連接纖維降解）等多種降解機(jī)理的作用，使得粘膠纖維質(zhì)量隨著堆肥時(shí)間的增加不斷下降。從測試結(jié)果也可以明顯看出，堆肥時(shí)間在180天左右時(shí)，降解率高達(dá)50%左右，具有較好的降解效果。

圖1 粘膠纖維質(zhì)量損失率隨堆肥降解時(shí)間變化曲線

圖2 紅外光譜曲線

2.2 紅外光譜曲線測試

將未經(jīng)堆肥降解處理粘膠纖維與堆肥降解處理180天的粘膠纖維的紅外光譜曲線如圖2所示，從圖2可以看出，將未經(jīng)堆肥降解處理粘膠纖維與堆肥降解處理180天的粘膠纖維的均在3410 cm-1附近由-OH的伸縮振動(dòng)引起的強(qiáng)而寬的吸收峰，在2920 cm-1附近由C-H伸縮振動(dòng)引起的吸收峰，在1640 cm-1附近由H-O-H引起的吸收峰，在1380 cm-1附近由苯環(huán)C-H面外變形振動(dòng)引起的吸收峰，C-C、C-O、-OH的伸縮振動(dòng)在1160 cm-1與1070 cm-1附近引起了吸收峰，899 cm-1附近的吸收峰是由β-糖苷鍵振動(dòng)的。從上述的波譜基團(tuán)分析可以看出，堆肥降解處理180天的粘膠纖維的化學(xué)組成與未經(jīng)堆肥降解處理粘膠纖維大致相同，說明堆肥處理并未改變粘膠纖維的化學(xué)組成成分。

2.3 X-衍射曲線測試

利用文獻(xiàn)AHTEE M與BOHN A中晶型結(jié)構(gòu)的計(jì)算公式[8-9]，計(jì)算未經(jīng)堆肥降解處理粘膠纖維與堆肥降解處理30天、60天、90天、120天與180天的粘膠纖維的X-衍射曲線測試結(jié)果如表1所示，從表1可以看出粘膠纖維的結(jié)晶度與晶粒尺寸均隨著堆肥時(shí)間的增加而不斷下降，堆肥降解前后纖維的晶峰位置均在12.5°、20.5°及22°附近，由此可知堆肥處理并未使纖維素的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，繼續(xù)保持纖維素Ⅱ的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，但使纖維素的結(jié)晶度與晶粒尺寸下降，必然導(dǎo)致纖維的力學(xué)性能下降，這將在下述的實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

表1 堆肥降解前后粘膠纖維晶粒結(jié)構(gòu)測試結(jié)果

2.4 纖維表面摩擦系數(shù)與力學(xué)性能測試

堆肥降解前后粘膠纖維表面摩擦系數(shù)與力學(xué)性能的測試結(jié)果如圖3、圖4所示，從圖中可以看出纖維的表面摩擦系數(shù)與纖維斷裂伸長率隨著堆肥降解時(shí)間的增加而不斷增加，而纖維的斷裂強(qiáng)度隨著堆肥降解時(shí)間的增加而不斷降低，這是由于粘膠纖維在堆肥降解過程中，由于受到物理降解、化學(xué)降解與生物降解的作用，使得纖維表面受到一定程度的坑穴與損傷，增加了纖維的強(qiáng)力弱環(huán)，致使纖維的表面摩擦系數(shù)上升，纖維力學(xué)性能下降。從纖維的斷裂強(qiáng)度損失率高達(dá)78.54%，結(jié)合上述測試的纖維質(zhì)量損失率可以看出，堆肥處理對粘膠纖維具有較好的降解作用。

圖3 纖維表面摩擦系數(shù)隨堆肥降解時(shí)間的變化曲線

圖4 纖維力學(xué)性能隨堆肥降解時(shí)間的變化曲線

3 結(jié)論

通過堆肥前后粘膠纖維的性能指標(biāo)測試可知，經(jīng)過纖維的質(zhì)量損失率、纖維表面摩擦系數(shù)與鍛煉伸長率均隨堆肥降解時(shí)間的增加而不增加，而纖維結(jié)晶度、晶粒尺寸及斷裂強(qiáng)度卻隨堆肥降解時(shí)間的增加而不降低，且纖維的化學(xué)組成與晶型結(jié)構(gòu)不變。從上述測試結(jié)果表明，堆肥處理對粘膠纖維具有較好的降解作用。

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Research of Composting Degradation Properties of Viscose Fiber

LIN Yan-ping

（Jiangxi Institute of Fashion Technology, Nanchang, Jiangxi 330201, China）

Fiber quality loss rate, chemical composition, molecular structure, fiber surface friction coefficient and the mechanical properties were tested to study composting degradation properties of viscose fiber. Research showed that fiber quality loss rate, fiber surface friction coefficient and breaking elongation all increased with composting treatment time except crystallinity, grain size and breaking strength. It was believed that there was excellent degradation effect of composting treatment based on test result above.

viscose fiber; composting; degradation; quality loss rate; molecular structure; fiber surface friction coefficient; mechanical properties

TS102

A

1004-8405(2016)04-0051-05

10.16561/j.cnki.xws.2016.04.10

2016-06-16

江西省教育廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（GJJ151230）；江西省文化藝術(shù)科學(xué)重點(diǎn)研究基地中華服飾文化研究中心資助項(xiàng)目。

林燕萍（1982～），女，碩士，講師；研究方向：功能性服裝設(shè)計(jì)與工藝研究。linyanping_q@126.com