粘胶纤维堆肥降解性能研究1

林燕萍

（江西服装学院，江西 南昌 330201）

粘胶纤维堆肥降解性能研究1

林燕萍

（江西服装学院，江西 南昌 330201）

利用纤维的质量损失率、化学组成、分子结构、纤维表面摩擦系数及力学性能，探讨了堆肥对粘胶纤维的降解性能。研究表明，粘胶纤维的质量损失率、纤维表面摩擦系数与断裂伸长率均随堆肥降解时间的增加而不增加，而纤维结晶度、晶粒尺寸及断裂强度却随堆肥降解时间的增加而不降低，且纤维的化学组成与晶型结构不变。基于上述测试认为：堆肥处理对粘胶纤维具有较好的降解作用。

粘胶纤维；堆肥；降解；质量损失率；分子结构；纤维表面摩擦系数；力学性能

纤维素纤维是人类利用较早的纺织纤维材料，除了棉、麻等天然纤维素纤维材料，近年来，随着化工技术的进步，种类繁多的人造纤维素纤维也走进了人们的视野，进入了千家万户的日常生活，其中以粘胶纤维最为突出[1-3]。大量纤维素纤维的使用，为大量以纤维素纤维为原料的纺织品的废弃物的处理带来了巨大的难题[4-5]。据中国经济导报报道，2013年我国废弃纺织品总量大概在2 600万吨，其中天然纤维素纤维纺织品的总量就占了800万吨，而这些废弃的纤维素纤维纺织品的回收率为3‰，这与我国纺织纤维年进口量高达65%形成鲜明的对比，这也使得对废弃纤维素纤维纺织品的回收利用工艺的革新迫在眉睫[6]。而这些废弃纺织品的处理方式也大多通过填埋或焚烧进行处理，不仅对大气、水资源造成了严重的污染，产生的酸雨也严重污染了土壤，给农作物带来了巨大的安全隐患。本文通过对堆肥法研究粘胶纤维的降解，为纤维素纤维纺织品废弃物的处理提供一定的参考经验。

1 实验

1.1 材料

普通粘胶纤维（新乡白鹭化纤集团有限责任公司，纤维的细度为1.36 dtex，长度为35 mm）；溴化钾（博欧特(天津)化工贸易有限公司）、丙醇（上海倍卓生物科技有限公司），以上所用化学试剂均为AR级。

1.2 仪器

DV214C万分之一电子天平（美国奥豪斯仪器(上海)有限公司）、DHG-9240A精密干燥箱（沈阳林频实验设备有限公司）、KB-TH-S-150Z立式恒温恒湿试验箱（东莞市科宝试验设备有限公司）、INSTRON5590万能材料试验机（美国英斯特朗公司）、FTIR-7600型红外光谱仪（天津天光光学仪器有限公司）、X’ Pert PRO X-射线衍射仪（荷兰帕纳科公司）、Y151型纤维摩擦系数仪（常州二纺精密机械有限公司）。

1.3 实验方法

1.3.1纤维的堆肥降解处理

建构3 m×3 m×3 m的堆肥池，利用人畜的粪便、尿液、杂草、树叶、垃圾等进行高温堆肥，并随时测试观察堆肥池中心温度，以使整个实验过程中保持堆肥中心温度在50℃左右。将粘胶纤维在1∶10的丙醇溶液中浸泡10 min后，蒸馏水清净，在105℃的DHG-9240A精密干燥箱中干燥至恒重。使用DV214C万分之一电子天平称取10 g（记作G0），共称取30份，将其中25份粘胶纤维分别放置于直径为0.1 m球形钢丝网球中，球面小孔的孔隙直径为0.3 mm的圆形。将装有粘胶纤维的钢丝球放置在堆肥池的中心位置，并分别在30天、60天、90天、120天与180天各取出5份。将取出的粘胶纤维再次在1:10的丙醇溶液中浸泡10 min后，蒸馏水洗净，再次置于105℃的DHG-9240A精密干燥箱中干燥至恒重后，再次称重（记作Ga）后待用。

1.3.2质量损失率测试

利用公式（1）计算经不同时间段堆肥处理的粘胶纤维的质量损失率，取5次实验测试的平均值。

式中：W为粘胶纤维堆肥降解处理后的质量损失率，%；G0为堆肥降解处理前装入钢丝球中粘胶粘胶纤维的质量，g，本次实验G0取值为10 g；Ga为堆肥降解处理后钢丝球中粘胶纤维试样的质量，g。

1.3.3红外光谱曲线测试

将未经堆肥降解处理粘胶纤维与堆肥降解处理180天的粘胶纤维剪碎后与溴化钾碾磨均匀后制成粘胶纤维溴化钾压片，使用FTIR-7600型红外光谱仪对制备的粘胶纤维溴化钾压片进行红外光谱测试。FTIR-7600型红外光谱仪的测试参数：测试光谱分别率为0.2 cm-1，波普测试范围为4000～400 cm-1，测试次数为120次。

1.3.4 X-衍射曲线测试

将未经堆肥降解处理粘胶纤维与堆肥降解处理30天、60天、90天、120天与180天的粘胶纤维剪碎后制成纤维碎末压片。使用X’ Pert PRO X-射线衍射仪对制备的纤维碎末压片进行测试，X’ Pert PRO X射线衍射仪测试参数：Cu靶；Ni滤波；Kα射线波长为0.154 nm；测试电压为60 KV，电流为60 mA；测试角度范围为5°～60°；扫描步长为2°/min。

1.3.5纤维表面摩擦系数测试

将未经堆肥降解处理粘胶纤维与堆肥降解处理30天、60天、90天、120天与180天的粘胶纤维在20℃，相对湿度为65%的KB-TH-S-150Z立式恒温恒湿试验箱平衡24 h后，依据《纺材实验》中纤维表面摩擦系数纤维辊的制作方法，制备待测粘胶纤维纤维辊[7]。使用Y151型纤维摩擦系数仪对平衡后的粘胶纤维试样和相对应纤维辊的摩擦系数。Y151型纤维摩擦系数仪测试参数：将待测粘胶纤维试样两端夹持质量为100 mg的张力夹后骑跨在待测粘胶纤维对应的纤维辊上，在转速分别为30 r/min与1 r/min的条件下测试纤维的表面摩擦系数，每组纤维测试100根，去除测试误差数据后，取粘胶纤维表面摩擦系数的平均值。

1.3.6力学性能测试

将未经堆肥降解处理粘胶纤维与堆肥降解处理30天、60天、90天、120天与180天的粘胶纤维在20℃，相对湿度为65%的KB-TH-S-150Z立式恒温恒湿试验箱平衡24 h后，使用INSTRON5590万能材料试验机对纤维试样进行断裂强度与断裂伸长率进行测试。测试参数：CRE拉伸，纤维夹持长度为20 mm，拉伸速度为20 mm/min，每组纤维试样测试30根取测试数据的平均值。

2 结果与讨论

2.1 质量损失率测试

堆肥降解粘胶纤维的质量损失率测试结果如图1所示，从图1明显看出粘胶纤维的质量损失率随着降解时间的增加而不断升高，这是由于粘胶纤维在堆肥中受到物理降解（如堆肥中微生物的啃咬、堆肥中的热作用等使得粘胶纤维的支链侧基消除、主链断裂和拉锁，从而使纤维素大分子裂解为分子量较低的物质，从而使粘胶纤维降解）、化学降解（化学降解多指在酸碱情况下发生降解，在堆肥中由于各种物质相互作用及堆肥中微生物的呼吸作用可以产生一些酸性物质使得粘胶纤维发生酸解、醇解、水解，从而使得粘胶纤维降解）、微生物降解（微生物的降解往往伴随着物理降解与化学降解，微生物不仅可以通过啃咬、呼吸作用产生酸性物质进行降解，还可以通过产生酶从而使纤维材料氧化、分裂，从而使得连接纤维降解）等多种降解机理的作用，使得粘胶纤维质量随着堆肥时间的增加不断下降。从测试结果也可以明显看出，堆肥时间在180天左右时，降解率高达50%左右，具有较好的降解效果。

图1 粘胶纤维质量损失率随堆肥降解时间变化曲线

图2 红外光谱曲线

2.2 红外光谱曲线测试

将未经堆肥降解处理粘胶纤维与堆肥降解处理180天的粘胶纤维的红外光谱曲线如图2所示，从图2可以看出，将未经堆肥降解处理粘胶纤维与堆肥降解处理180天的粘胶纤维的均在3410 cm-1附近由-OH的伸缩振动引起的强而宽的吸收峰，在2920 cm-1附近由C-H伸缩振动引起的吸收峰，在1640 cm-1附近由H-O-H引起的吸收峰，在1380 cm-1附近由苯环C-H面外变形振动引起的吸收峰，C-C、C-O、-OH的伸缩振动在1160 cm-1与1070 cm-1附近引起了吸收峰，899 cm-1附近的吸收峰是由β-糖苷键振动的。从上述的波谱基团分析可以看出，堆肥降解处理180天的粘胶纤维的化学组成与未经堆肥降解处理粘胶纤维大致相同，说明堆肥处理并未改变粘胶纤维的化学组成成分。

2.3 X-衍射曲线测试

利用文献AHTEE M与BOHN A中晶型结构的计算公式[8-9]，计算未经堆肥降解处理粘胶纤维与堆肥降解处理30天、60天、90天、120天与180天的粘胶纤维的X-衍射曲线测试结果如表1所示，从表1可以看出粘胶纤维的结晶度与晶粒尺寸均随着堆肥时间的增加而不断下降，堆肥降解前后纤维的晶峰位置均在12.5°、20.5°及22°附近，由此可知堆肥处理并未使纤维素的分子结构发生变化，继续保持纤维素Ⅱ的结晶结构，但使纤维素的结晶度与晶粒尺寸下降，必然导致纤维的力学性能下降，这将在下述的实验中得到验证。

表1 堆肥降解前后粘胶纤维晶粒结构测试结果

2.4 纤维表面摩擦系数与力学性能测试

堆肥降解前后粘胶纤维表面摩擦系数与力学性能的测试结果如图3、图4所示，从图中可以看出纤维的表面摩擦系数与纤维断裂伸长率随着堆肥降解时间的增加而不断增加，而纤维的断裂强度随着堆肥降解时间的增加而不断降低，这是由于粘胶纤维在堆肥降解过程中，由于受到物理降解、化学降解与生物降解的作用，使得纤维表面受到一定程度的坑穴与损伤，增加了纤维的强力弱环，致使纤维的表面摩擦系数上升，纤维力学性能下降。从纤维的断裂强度损失率高达78.54%，结合上述测试的纤维质量损失率可以看出，堆肥处理对粘胶纤维具有较好的降解作用。

图3 纤维表面摩擦系数随堆肥降解时间的变化曲线

图4 纤维力学性能随堆肥降解时间的变化曲线

3 结论

通过堆肥前后粘胶纤维的性能指标测试可知，经过纤维的质量损失率、纤维表面摩擦系数与锻炼伸长率均随堆肥降解时间的增加而不增加，而纤维结晶度、晶粒尺寸及断裂强度却随堆肥降解时间的增加而不降低，且纤维的化学组成与晶型结构不变。从上述测试结果表明，堆肥处理对粘胶纤维具有较好的降解作用。

参考文献：

[1] 贠秋霞. 探讨负离子粘胶纤维保健机理及应用[J]. 合成材料老化与应用, 2015, 44(6): 102-104.

[2] 林燕萍. 日光辐照对粘胶纤维性能的影响[J]. 现代纺织技术, 2016(3): 5-9.

[3] 林燕萍. 超声波人造海水对棉纤维侵蚀性能的影响[J]. 上海纺织科技, 2015, 43(9): 12-15.

[4] 侯甲子, 张万喜, 李莉莉, 等. 纤维素纤维材料几种降解方法的研究[J]. 高分子学报, 2013(1): 30-25.

[5] 林燕萍. 中国南北方地区土壤对粘胶纤维降解性能的影响[J]. 纤维素科学与技术, 2016, 24(3): 67-73.

[6] 曲腾云. 纺织纤维在土壤填埋和生理盐水中降解行为表征[D]. 上海: 东华大学, 2015.

[7] 沈建明. 纺材实验[M]. 北京: 中国纺织出版社, 1999: 67-73.

[8] Ahtee M, Hattula T, Mangs J, et al. An X-ray diffraction method for determination of crystallinity of wood pulp[J]. Paperi Ja Puu, 1983, 8(65): 475-480.

[9] Bohn A, Fink H P, Ganster J, et al. X-ray texture investigations of bacterial cellulose[J]. Macromol Chem Phys, 2000, 201(15): 1913-1921.

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

江西省教育厅科技计划项目（GJJ151230）；江西省文化艺术科学重点研究基地中华服饰文化研究中心资助项目。

林燕萍（1982～），女，硕士，讲师；研究方向：功能性服装设计与工艺研究。linyanping_q@126.com