农用非织造材料的回收及其生物可降解纤维的应用

严 姣，焦晓宁

(天津工业大学纺织学院，天津 300387)

农用非织造材料是在对传统农用薄膜、塑料等材料的使用中出现的功能性缺点和环境污染等研究的基础上发展起来的新型农业生产改良材料［1］，可提高重复利用率，减少经济投入及环境污染，在现代农业中起着重要作用。按照用途分类，农用非织造材料可分为遮盖材料、基布材料、灌溉排水材料、装运与工程材料、个人防护用品，其主要作用如:保温防寒作用、遮光作用、防霜作用、防病虫害、水土保护、无土栽培及排水灌溉［2］。农用非织造材料常采用短纤热粘合法和化学粘合法、针刺法以及长丝纺粘法等方法生产，其中长丝纺粘法因其生产工艺简单、加工流程短、非织布强度高而应用最广［3］。由于农用非织造材料的广泛应用，加上资源短缺和环境恶化等问题日益严重，因此，关于农用非织造材料废弃后的回收处理引起了人们广泛的关注。

1 废弃农用非织造材料常用的回收方法

目前，关于传统的塑料残膜的回收处理较为有效的方法是利用残膜回收机回收。但是也存在一些问题:技术不过关，生产效率较低;不直接产生显著的经济效益，因而农民较难接受等［4］。农用非织造材料相比传统的塑料薄膜，强度高，耐日晒性好，耐气候和老化性能强，使用过程中不易破坏，完全废弃时不会产生大量碎片分散的现象，所以比较容易回收。可以采用人工与机械相结合的方法，加大废旧地膜的回收力度。

目前最常用的农用非织造材料的回收再利用方法主要有3 种，分别是物理回收、化学回收和能量回收。

1.1 物理回收

农用非织造材料使用的纤维主要是涤纶和丙纶，还有天然纤维材料等。目前废弃涤纶回收主要采用物理回收法，即通过简单的机械分离(切割、撕松、开松等)、熔融造粒、与新鲜原料混合成新材料加以利用的方法。虽然对纤维的力学性能有一定的损伤，但因其投资小、操作简单迅速，所以应用很广［5］。

丙纶的物理回收是将丙纶粉碎后用作土壤稳定剂或混凝土添加剂，也可通过破碎、脱胶、除杂、干燥后得到干净的丙纶，将其熔融、掺混、塑化后制成仿木材料等中低端产品［6］。

农用天然纤维原料主要有粘胶纤维、木浆纤维、天然棉和麻类等，目前对纤维素纤维的回收再利用主要采用物理方法，即通过机械加工，通过切割和开松技术等将废料切割成小块，再采用角钉、钩齿、针布等开松设备对其进行开松除杂，制成散纤维，使其再生成初始状态后再进行利用。

1.2 化学回收

涤纶的传统化学回收是利用化学试剂将合成纤维废料解聚成为低分子物，如二甲酯、乙二醇、对苯二甲酸和聚酯单体，然后再通过纯化将这些单体制成新的化学纤维的方法。化学降解法包括水解法、醇解法、氨解法、胺解法和热解法等，已经有成功的PET 降解实验，但尚未工业化［7］。近年来，一些新工艺和新技术的出现，使得涤纶化学回收技术有了较大进步。如超临界技术，即在超临界条件下，水、甲醇等对聚酯高聚物有很高的溶解能力，其极性使得酯键很容易断裂，水解为乙二醇和对苯二甲酸，以达到回收的目的［8］。

丙纶的化学回收通常是在催化剂的作用下将聚丙烯低温裂解，得到相对分子质量低的烃类，通过精馏分离出丙烯、烷烃等物质［6］。还有通过改性进行回收利用，常见的有填充、共混、增强、增韧等方式［9］。也有利用煤直接液化技术和废旧聚丙烯的混合物转变成气态、液态产物，此技术不仅降低了煤液化的氢耗量，也为聚丙烯废弃物的回收找到了一种好的方法［10］。

纤维素类的化学回收主要是将这些废弃材料经过除杂除尘之后，制取硝酸纤维素、粘胶纤维、醋酸纤维等纤维素产品，用于制作火药、涂料、人造丝、绝缘材料等［11］。

锦纶6 的废料成分主要为己内酰胺高聚物及其低聚物，可通过酸法或碱法解聚成己内酰胺，以供回收利用，但费用较高［12］。

聚乙烯是通过不可逆聚合反应制得的，所以其回收只能通过交联改性，才能达到再利用即在经过处理的聚乙烯废料中加入交联剂使其形成三维网状结构，使其性质由热塑性变成热固性，通过改性不但改善了聚乙烯的力学性能及耐候性能，也增加了材料的应用范围［13］。

聚丙烯腈废丝用二甲基亚砜(DMSO)回收是一种较合理的回收方法，利用溶剂DMSO 在一定条件下有选择地溶解聚丙烯腈纤维，其过程工艺简单，不污染环境，且DMSO 易回收再利用［14］。陈继华［15］采用催化氧化法即在温度350～600℃，通过催化剂的作用，将废弃聚丙烯腈分解成二氧化碳和水，此过程抑制了空气中的N2形成高温NOx，在石油化工领域处理废气运用较多。

1.3 能量回收

能量回收是将纤维废料中热值较高的化学纤维通过焚烧转化为热量，作为热源用于火力发电等。焚烧使固体废弃物变成惰性残余物，并对燃烧余热加以利用。合成纤维的热值一般在30 MJ/kg 以上，聚乙烯和丙纶的发热量更是高达46 MJ/kg，超过燃料油44 MJ/kg 的热值［16］，但是，焚烧处理会产生大量底灰和有害气体，空气污染严重，这种方法受到越来越多的限制。

1.4 土地填埋

土地填埋是将大块的废弃材料回收送至垃圾填埋厂填埋，小部分残留在作物土壤中，通过翻地、整地与下层的泥土混合。填埋法虽然处理简单，但废弃物渗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，可以加快土地的重复利用［17］，所以该法比较适用于易降解的农用非织造材料。

2 采用生物可降解纤维生产农用非织造材料

生物可降解纤维在一定条件下可以完全被生物降解。生物可降解非织造布制品在微生物的作用下能缓慢分解为二氧化碳和水，对环境无害。生物可降解纤维主要分为天然纤维及其衍生物类、微生物合成高分子类、化学合成高分子类［18］。目前，传统的废弃农用非织造材料的回收利用还存在一定的技术缺陷，高分子废弃物对环境的污染越来越严重。因此，采用生物可降解纤维生产农用非织造材料有良好的应用前景。

2.1 天然纤维及其衍生物类的应用

天然纤维具有可持续性和环保性，可参与自然界的生态循环。农业上使用较多的为棉、麻、丝、椰壳、秸秆、粘胶等［19］。这些纤维分布广泛，来源丰富，有良好的生物降解性，符合环保的要求［20］。使用生物可降解纤维生产农用非织造材料，废弃后的处理简便易行，且条例环保要求。

2.1.1 在无土栽培基质上的应用

生物可降解纤维尤其适合用于无土栽培基质，不仅能够满足无土栽培基质的要求，而且在作物成熟后还可随土壤降解，被广泛应用。

刘洪凤等［21］将85%的稻草秸秆纤维和15%的粘胶纤维经预混、开松后，采用气流成网成形，再经针刺加固形成连续的无土栽培基质，稻草纤维由纤维素纤维组成，同粘胶纤维均有良好的吸水性，同时稻草纤维内有大量的微孔，有很好的保水保肥效果，完全能满足作物对空气、水的需要，两种纤维均可天然降解，不会破坏生态环境。用秸秆型非织造布与肥料、草籽复合形成草坪基质、立体绿化基质等，秸秆纤维回潮率大，吸放湿快，纤维本身含有大量的植物养分，平均含氮0.6%、磷0.3%、钾1%、碳40%～50%，可自然降解并改善土壤的理性性状［22］。

英国Fisons Plc 公司生产的非织造布，其中一种是由47.5%木质材料和42%肥料，再添加其他一些纤维制成，用作种子基质和生长基质材料［23］。日本Asahi 公司开发了Bemliese 纤维素长丝纺粘非织造布，由棉绒制成铜氨纤维，铜氨纤维的回潮率可达12%～13%，有超强的吸液性和优良的生物降解性，适合做无土栽培基质［24］。

2.1.2 在非织造地膜上的应用

传统的塑料地膜的原料主要以聚乙烯为主，另有部分聚氯乙烯，由于产量大成本低而不被反复使用，在自然条件下不易降解，地膜大量残留在农田里，减少土壤中水分渗透量，影响通透性，降低土壤肥力水平，抑制农作物生长发育并使之减产［25］。随着非织造布在农业生产中的应用日益广泛，可降解非织造布地膜受到了极大的关注。

高玉杰等［26］选用草浆及少量木浆，添加适当助剂或辅料，利用湿法成网技术制成的地膜，各项使用性能与塑料地膜相当，并且该地膜经历降解的时间约为105 d，显示了较好的降解性。

王朝云等［27］等以苎麻落麻、黄麻等麻类纤维为主要原料，含麻量一般为50%～100%，配以其他植物纤维，采用梳理成网与气流成网相结合的工艺，并通过化学粘合法，制出力学性能良好的麻地膜。麻纤维吸湿与散湿快，断裂强度较高且湿强更高、断裂伸长率极低，耐磨、透湿透气性好。该麻地膜在田间铺放50～70 d 开始出现破裂，埋土超过60 d 后可完全破裂为5 cm 以下的碎片或呈丝状，随着时间推移，可在田间完全降解。

程士润［28］利用稻秸秆纤维与废蚕丝为原料，用聚乙烯醇/淀粉溶液为粘合剂，湿法成网制备地膜，可以在自然状态下发生降解，秸秆纤维中含有大量的钾元素，可以提高土壤中钾元素的含量，蚕丝纤维有较好的强伸度以及吸湿性好，分解产生的蛋白质可以改善土壤特性，提高土壤含氮量。

刘陶等［29］用亚麻和蚕丝纤维的纺织下脚料制备麻/丝非织造布农用地膜，具有很好的保湿和保温作用，并且土壤的含氮量随地膜降解而提高。

黄晨等［30］将棉、丝纤维混合梳理成网，经过水刺加固后浸渍在4%的明胶溶液中制备出可降解地膜，棉纤维吸湿性好，耐强碱，耐有机溶剂、隔热耐热。该地膜与常规农用地膜相比，具有较好的物理性能和降解性，并且降解后可为土壤增肥。

吴星娥等［31］通过壳聚糖内添加剂和表面施胶两种方法对红麻全秆地膜进行处理，可提高地膜的湿强。壳聚糖可在短时间内即可被酶分解成低分子物质，整个生物降解过程对环境无污染。另外壳聚糖具有抑菌防腐作用，能提高作物的抵抗力，在农业上应用广泛［32］。

Bahram 等［33］发现淀粉基生物可降解地膜大约在播种3 周后开始发生破裂，认为可以取代传统的聚乙烯地膜。

2.2 其他可生物降解类纤维的应用

生物可降解纤维除了天然纤维及其衍生物，还有两类分别是微生物合成高分子类、化学合成高分子类。聚烃基脂肪酸酯(PHA)属于微生物合成高分子类，是很多微生物合成的一种细胞内聚酯，它是多种微生物在能量和碳源过剩时的储备物质。PHA 这种天然高分子材料在通常条件下很稳定，但在土壤、湖泊、海洋等自然环境中材料的力学性质会发生大幅下降，很容易生物降解。PHA 膜优良的生物可降解性，常被用于农业上的包装材料［34］。

聚乳酸纤维属于化学合成高分子类，是由玉米、小麦等淀粉原料经发酵、缩合、聚合而得到的聚合物纤维，原料来源充分而且可以再生。并且PLA 纤维在合适的自然条件下易生物降解，可分解为二氧化碳和水，完成自然循环，不会污染环境。聚乳酸纤维因优良的可生物降解性被用作农业材料，如农业上防虫、防兽害的盖布［35］。由于合成类生物可降解纤维存在技术难、价格昂贵等问题，目前用该种纤维做农用非织造材料较少。

3 结语

非织造布因工艺简单，成本低且对原料适应性能好，在农业领域有多方面的应用，是农业发展使用材料的一个重要方向。开发农用非织造材料既要考虑实际的应用需求，还要结合绿色环保要求，不断开发新材料和新的生产技术，更好地解决农用非织造材料废弃后的回收处理及可持续发展。今后，生物可降解纤维在农用非织造材料中的应用将逐步扩大。另外，我国是一个纺织大国，各类纺丝废弃物越来越多，通过回收应用于农用非织造材料，如果回收利用的废纤维材料同时可生物降解;这样即可以高效利用资源，又可以减少环境污染，值得推广应用。

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