堆肥處理對幾種纖維素纖維織物的降解性能研究1

林燕萍

（江西服裝學院，江西 南昌 330201）

纖維素是一種不溶于有機溶劑與水的大分子多糖，在自然界中廣泛存在植物細胞壁中。由于自然界巨大的纖維素來源，人們通過直接提取或者通過不同化工工藝提取紡絲制備了晶型結(jié)構(gòu)各異的纖維素纖維，并以其良好的力學、透濕透氣、染色性能及較低的成本被大量應(yīng)用于服裝與家飾用品[1-2]。

但隨著纖維素纖維的大量應(yīng)用，所帶來的纖維素類制品的廢棄品處理問題日趨嚴峻，目前常用的方法主要為焚燒、填埋等均給環(huán)境安全帶來應(yīng)的隱患且降解率較低[3-4]?，F(xiàn)有技術(shù)，填埋法纖維素纖維織物的降解、堆肥法纖維素纖維織物的降解，現(xiàn)狀較詳細描述。針對現(xiàn)有技術(shù)缺點，本文從分子結(jié)構(gòu)、力學性能與熱性性能對不同堆肥成分條件下纖維素織物的降解性能進行表征，為纖維素纖維的廢棄處理提供參考。

1 實驗

1.1 材料與試劑

棉纖維織物、苧麻纖維織物、亞麻纖維織物、竹漿纖維織物、Tencel纖維織物、普通粘膠織物（以上實驗所用織物均為19.4 tex雙股紗線織造的經(jīng)紗420根/10 cm×緯紗380根/10 cm的平紋織物）。

1.2 儀器與設(shè)備

AR224CN 萬分之一電子分析天平，奧豪斯儀器（上海）有限公司；101-1A電熱鼓風烘箱，上海雷韻試驗儀器制造有限公司；INSTRON5590萬能材料試驗機，美國英斯特朗公司；D/max-B型X-射線衍射儀，日本力學電機公司；WSHW-064BZ小型恒溫恒濕試驗箱，韋斯實驗設(shè)備有限公司；STA449F5同步熱分析儀，德國耐馳公司。

1.3 試樣堆肥處理

利用動物糞便、雜草、樹葉、作物秸稈、河底污泥等經(jīng)堆制有機肥料，測試堆肥內(nèi)部溫度最高溫度為55℃，屬于高溫堆肥的范疇。

將上述各種纖維素纖維織物清洗后在105℃的烘箱中干燥至恒重，記作G；對干燥后的織物進行稱重、松散后，置于細不銹鋼絲網(wǎng)中，并將細不銹鋼絲網(wǎng)置于堆肥中心部位降解3個月；將降解后的織物取出清洗后再在105℃的烘箱中干燥至恒重后再次稱重，記作G’。

1.4 質(zhì)量降解率

利用式1計算各種纖維素纖維織物堆肥的質(zhì)量降解率，該實驗重復操作5次，排除極端值與異常值后計算質(zhì)量降解率的平均值。

式中：W 為纖維素纖維織物的質(zhì)量降解率，%；G為纖維素纖維織物堆肥降解前的烘干質(zhì)量，g；G’為纖維素纖維織物堆肥降解后的烘干質(zhì)量，g。

1.5 X-衍射曲線測試

將堆肥處理前后各種纖維素纖維織物在105℃條件下烘干后，剪成碎末試樣。在CuKα靶（入射波長為0.154 nm）、Ni濾波、掃描速度5°/min、電壓為40 KV、電流為50 mA的條件下對試樣進行測試，并對測試后的曲線進行分峰后計算堆肥處理前后各種纖維素纖維織物中纖維的結(jié)晶度變化；調(diào)整電流為200 mA其他測試條件不變，測試計算堆肥處理前后各種纖維素纖維織物中纖維的取向度。

1.6 力學性能測試

將堆肥處理前后各種纖維素纖維織物在105℃條件下烘干后在20℃、65%相對濕度的恒溫恒濕試驗箱中調(diào)試24 h；將調(diào)試后的織物沿著經(jīng)紗方向裁剪成長200 mm、寬50 mm矩形布條試樣。利用INSTRON5590萬能材料試驗機在夾持長度150 mm、拉伸速度200 mm/min的條件下對裁剪后的布條試樣進行力學性能測試，每組布條試樣的力學性能測試30組，取力學性能測試結(jié)果的平均值。

1.7 熱學性能測試

將堆肥處理前后各種纖維素纖維織物在105℃條件下烘干后，剪成碎末試樣；利用STA449F5 同步熱分析儀對碎末試樣在氮氣氛圍保護下進行熱學性能測試，測試溫度從室溫至600℃，升溫速率為10℃/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)量降解率分析

圖1 纖維素纖維織物堆肥降解測試計算結(jié)果柱狀圖

纖維素纖維織物堆肥降解測試計算結(jié)果柱狀圖如圖1所示，從圖1可以看到，6種纖維素纖維織物經(jīng)堆肥處理后質(zhì)量降解率均高于50%，表明堆肥對纖維素纖維織物具有很好的降解作用；纖維素堆肥降解的機理是堆肥中的真菌、放線菌、芽孢桿菌等將有機質(zhì)降解成可以吸收利用的腐殖質(zhì)與小分子物質(zhì)，最終釋放水、二氧化碳及熱量等。微生物降解有機質(zhì)不僅取決于微生物的種類、堆肥的pH、溫度、堆肥有機質(zhì)的種類眾多因素，其降解有機質(zhì)的種類對其降解有至關(guān)重要[5-6]。本文研究的纖維素纖維織物的降解，實質(zhì)是堆肥中微生物對纖維素的降解作用，組成纖維素的長鏈狀大分子主要由為β-1,4鍵葡萄糖亞基緊密有序排列組成的類似網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不溶于水的晶體結(jié)構(gòu)與無序、松散排列的無定行區(qū)。由于纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)不溶于水，在其降解過程中必須先經(jīng)纖維素二糖酶、端解酶與纖維素內(nèi)切酶協(xié)同作用將纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)分解成戊二糖與纖維二糖等，進而再次降解成葡萄糖供微生物吸收[7]。因此，在堆肥降解其他條件相同的條件下，纖維素纖維中結(jié)晶度的大小是影響纖維素降解率的最終原因。結(jié)合“2.2”中 X-衍射曲線分析可知，實驗中所選的棉纖維織物、苧麻纖維織物、亞麻纖維織物、竹漿纖維織物、Tencel纖維織物與普通粘膠織物的降解率與其織造所用的纖維素結(jié)晶度呈正相關(guān)，這也驗證上述降解機理的分析是正確的。

2.2 X-衍射曲線分析

纖維素纖維織物堆肥降解前后X-衍射曲線分析計算結(jié)果如表1所示，從表中可以看出，堆肥降解處理前后，棉纖維、苧麻纖維、亞麻纖維、竹漿纖維、Tencel纖維與粘膠纖維各自所對應(yīng)的101、10ī、002的2θ沒有太大變化，表明堆肥降解處理并未改變各自纖維的晶型結(jié)構(gòu)，棉纖維、苧麻纖維與亞麻纖維依然保持了纖維素Ⅰ的晶型結(jié)構(gòu)，竹漿纖維、Tencel纖維與粘膠纖維依然保持了纖維素II的晶型結(jié)構(gòu)。另一方面，棉纖維、苧麻纖維、亞麻纖維、竹漿纖維、Tencel纖維與粘膠纖維的晶粒尺寸、結(jié)晶度與取向指數(shù)經(jīng)堆肥降解后均有所下降，這是由于堆肥中微生物分泌的纖維素二糖酶、端解酶與纖維素內(nèi)切酶的協(xié)同作用致使纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)最終降解成供微生物吸收的葡萄糖。晶粒尺寸的減小必然造成造成纖維素晶體間作用力的減弱，且纖維素大分子取向度的降低必然降低纖維素纖維織物的力學性能，這將在下文“2.3”力學性能分析中進行驗證。

表1 纖維素纖維織物堆肥降解前后X-衍射曲線分析計算結(jié)果

2.3 力學性能分析

纖維素纖維織物堆肥降解前后力學性能測試計算結(jié)果柱狀圖如圖2所示，從圖中可以看出，棉纖維織物、苧麻纖維織物、亞麻纖維織物、竹漿纖維織物、Tencel纖維織物與粘膠纖維織物經(jīng)堆肥降解處理后織物的斷裂強力均有不同的下降，這主要由3方面因素引起的：一是在“2.2”X-衍射曲線分析中的纖維素結(jié)晶度與取向度的降低，導致了織物所用纖維自身斷裂強力的下降，強力弱環(huán)增加；二是由于纖維的降解致使紗線的細度下降，導致在相同捻系數(shù)條件下纖維間的抱合力下降，強力弱環(huán)增加；三是由于纖維、紗線的變化，導致織物交織點相對滑移的難度減小。基于上述3點因素也驗證了堆肥處理對纖維素纖維織物具有較好的降解作用。

圖2 纖維素纖維織物堆肥降解前后力學性能 測試計算結(jié)果柱狀圖

2.4 熱學性能分析

纖維素纖維織物堆肥降解前后熱學性能分析計算結(jié)果如表2所示，從表2可以看出，纖維素纖維織物織造所用的纖維經(jīng)堆肥降解后，纖維的分解起始溫度、分解速率最高溫度、分解結(jié)束溫度與質(zhì)量殘存率均呈下降趨勢，這是由于纖維結(jié)晶度降低使得纖維的熱學穩(wěn)定性下降，造成了纖維裂解溫度的提前與裂解程度加深。觀察各種纖維素纖維織物熱失重試驗后的質(zhì)量殘存率可以看出纖維質(zhì)量的殘存率與纖維的結(jié)晶度呈現(xiàn)正相關(guān)，由此也驗證了堆肥處理對纖維素大分子結(jié)構(gòu)具有較強的破壞作用，從而起到了很好的降解作用。

表2 纖維素纖維織物堆肥降解前后熱學性能分析計算結(jié)果

2.5 討論

結(jié)合上文實驗數(shù)據(jù)可知，纖維素在堆肥中的降解主要因素可以歸結(jié)于3點：一是堆肥中溫濕因素，在高溫狀態(tài)下纖維素分子結(jié)構(gòu)得到更多的能量，使得分子能量高于纖維內(nèi)部分子的活化能增強，同時在水分子的作用下，大分子間氫鍵作用力進一步下降，使得纖維內(nèi)部分子鏈段滑移相對容易；二是堆肥內(nèi)部微生物的噬啃作用，堆肥中的養(yǎng)分滋養(yǎng)了大量的芽孢桿菌、放線菌等對有機質(zhì)進行噬啃并進行消化分解多糖，進一步消化釋放出二氧化碳、水與熱量等，而釋放出來的水與熱量又反過來促進纖維素的分解；三是微生物在分解過程中所產(chǎn)生的酸性物質(zhì)使得堆肥中的pH值在一定程度上降低，提高了纖維素的分解效率與分解率?；谏鲜?點因素，可以推知堆肥處理對纖維素纖維具有較好的降解作用。

3 結(jié)論

通過分析6種纖維素纖維織物經(jīng)堆肥處理的降解表明，經(jīng)堆肥降解處理后，6種纖維的質(zhì)量、晶粒尺寸、結(jié)晶度、取向指數(shù)、力學性能與熱學性能均有不同程度的下降，但各種纖維素纖維降解前后的纖維晶須結(jié)構(gòu)不變。該研究驗證了堆肥處理對纖維素纖維具有很好的降解作用，且在堆肥溫度、pH、堆肥方法相同的條件下，纖維素堆肥降解程度與纖維素結(jié)晶度呈現(xiàn)正相關(guān)性，對纖維素廢棄品的處理提供了實驗參考。