堆肥处理对几种纤维素纤维织物的降解性能研究1

林燕萍

（江西服装学院，江西 南昌 330201）

纤维素是一种不溶于有机溶剂与水的大分子多糖，在自然界中广泛存在植物细胞壁中。由于自然界巨大的纤维素来源，人们通过直接提取或者通过不同化工工艺提取纺丝制备了晶型结构各异的纤维素纤维，并以其良好的力学、透湿透气、染色性能及较低的成本被大量应用于服装与家饰用品[1-2]。

但随着纤维素纤维的大量应用，所带来的纤维素类制品的废弃品处理问题日趋严峻，目前常用的方法主要为焚烧、填埋等均给环境安全带来应的隐患且降解率较低[3-4]。现有技术，填埋法纤维素纤维织物的降解、堆肥法纤维素纤维织物的降解，现状较详细描述。针对现有技术缺点，本文从分子结构、力学性能与热性性能对不同堆肥成分条件下纤维素织物的降解性能进行表征，为纤维素纤维的废弃处理提供参考。

1 实验

1.1 材料与试剂

棉纤维织物、苎麻纤维织物、亚麻纤维织物、竹浆纤维织物、Tencel纤维织物、普通粘胶织物（以上实验所用织物均为19.4 tex双股纱线织造的经纱420根/10 cm×纬纱380根/10 cm的平纹织物）。

1.2 仪器与设备

AR224CN 万分之一电子分析天平，奥豪斯仪器（上海）有限公司；101-1A电热鼓风烘箱，上海雷韵试验仪器制造有限公司；INSTRON5590万能材料试验机，美国英斯特朗公司；D/max-B型X-射线衍射仪，日本力学电机公司；WSHW-064BZ小型恒温恒湿试验箱，韦斯实验设备有限公司；STA449F5同步热分析仪，德国耐驰公司。

1.3 试样堆肥处理

利用动物粪便、杂草、树叶、作物秸秆、河底污泥等经堆制有机肥料，测试堆肥内部温度最高温度为55℃，属于高温堆肥的范畴。

将上述各种纤维素纤维织物清洗后在105℃的烘箱中干燥至恒重，记作G；对干燥后的织物进行称重、松散后，置于细不锈钢丝网中，并将细不锈钢丝网置于堆肥中心部位降解3个月；将降解后的织物取出清洗后再在105℃的烘箱中干燥至恒重后再次称重，记作G’。

1.4 质量降解率

利用式1计算各种纤维素纤维织物堆肥的质量降解率，该实验重复操作5次，排除极端值与异常值后计算质量降解率的平均值。

式中：W 为纤维素纤维织物的质量降解率，%；G为纤维素纤维织物堆肥降解前的烘干质量，g；G’为纤维素纤维织物堆肥降解后的烘干质量，g。

1.5 X-衍射曲线测试

将堆肥处理前后各种纤维素纤维织物在105℃条件下烘干后，剪成碎末试样。在CuKα靶（入射波长为0.154 nm）、Ni滤波、扫描速度5°/min、电压为40 KV、电流为50 mA的条件下对试样进行测试，并对测试后的曲线进行分峰后计算堆肥处理前后各种纤维素纤维织物中纤维的结晶度变化；调整电流为200 mA其他测试条件不变，测试计算堆肥处理前后各种纤维素纤维织物中纤维的取向度。

1.6 力学性能测试

将堆肥处理前后各种纤维素纤维织物在105℃条件下烘干后在20℃、65%相对湿度的恒温恒湿试验箱中调试24 h；将调试后的织物沿着经纱方向裁剪成长200 mm、宽50 mm矩形布条试样。利用INSTRON5590万能材料试验机在夹持长度150 mm、拉伸速度200 mm/min的条件下对裁剪后的布条试样进行力学性能测试，每组布条试样的力学性能测试30组，取力学性能测试结果的平均值。

1.7 热学性能测试

将堆肥处理前后各种纤维素纤维织物在105℃条件下烘干后，剪成碎末试样；利用STA449F5 同步热分析仪对碎末试样在氮气氛围保护下进行热学性能测试，测试温度从室温至600℃，升温速率为10℃/min。

2 结果与讨论

2.1 质量降解率分析

图1 纤维素纤维织物堆肥降解测试计算结果柱状图

纤维素纤维织物堆肥降解测试计算结果柱状图如图1所示，从图1可以看到，6种纤维素纤维织物经堆肥处理后质量降解率均高于50%，表明堆肥对纤维素纤维织物具有很好的降解作用；纤维素堆肥降解的机理是堆肥中的真菌、放线菌、芽孢杆菌等将有机质降解成可以吸收利用的腐殖质与小分子物质，最终释放水、二氧化碳及热量等。微生物降解有机质不仅取决于微生物的种类、堆肥的pH、温度、堆肥有机质的种类众多因素，其降解有机质的种类对其降解有至关重要[5-6]。本文研究的纤维素纤维织物的降解，实质是堆肥中微生物对纤维素的降解作用，组成纤维素的长链状大分子主要由为β-1,4键葡萄糖亚基紧密有序排列组成的类似网状结构不溶于水的晶体结构与无序、松散排列的无定行区。由于纤维素结晶结构不溶于水，在其降解过程中必须先经纤维素二糖酶、端解酶与纤维素内切酶协同作用将纤维素结晶结构分解成戊二糖与纤维二糖等，进而再次降解成葡萄糖供微生物吸收[7]。因此，在堆肥降解其他条件相同的条件下，纤维素纤维中结晶度的大小是影响纤维素降解率的最终原因。结合“2.2”中 X-衍射曲线分析可知，实验中所选的棉纤维织物、苎麻纤维织物、亚麻纤维织物、竹浆纤维织物、Tencel纤维织物与普通粘胶织物的降解率与其织造所用的纤维素结晶度呈正相关，这也验证上述降解机理的分析是正确的。

2.2 X-衍射曲线分析

纤维素纤维织物堆肥降解前后X-衍射曲线分析计算结果如表1所示，从表中可以看出，堆肥降解处理前后，棉纤维、苎麻纤维、亚麻纤维、竹浆纤维、Tencel纤维与粘胶纤维各自所对应的101、10ī、002的2θ没有太大变化，表明堆肥降解处理并未改变各自纤维的晶型结构，棉纤维、苎麻纤维与亚麻纤维依然保持了纤维素Ⅰ的晶型结构，竹浆纤维、Tencel纤维与粘胶纤维依然保持了纤维素II的晶型结构。另一方面，棉纤维、苎麻纤维、亚麻纤维、竹浆纤维、Tencel纤维与粘胶纤维的晶粒尺寸、结晶度与取向指数经堆肥降解后均有所下降，这是由于堆肥中微生物分泌的纤维素二糖酶、端解酶与纤维素内切酶的协同作用致使纤维素结晶结构最终降解成供微生物吸收的葡萄糖。晶粒尺寸的减小必然造成造成纤维素晶体间作用力的减弱，且纤维素大分子取向度的降低必然降低纤维素纤维织物的力学性能，这将在下文“2.3”力学性能分析中进行验证。

表1 纤维素纤维织物堆肥降解前后X-衍射曲线分析计算结果

2.3 力学性能分析

纤维素纤维织物堆肥降解前后力学性能测试计算结果柱状图如图2所示，从图中可以看出，棉纤维织物、苎麻纤维织物、亚麻纤维织物、竹浆纤维织物、Tencel纤维织物与粘胶纤维织物经堆肥降解处理后织物的断裂强力均有不同的下降，这主要由3方面因素引起的：一是在“2.2”X-衍射曲线分析中的纤维素结晶度与取向度的降低，导致了织物所用纤维自身断裂强力的下降，强力弱环增加；二是由于纤维的降解致使纱线的细度下降，导致在相同捻系数条件下纤维间的抱合力下降，强力弱环增加；三是由于纤维、纱线的变化，导致织物交织点相对滑移的难度减小。基于上述3点因素也验证了堆肥处理对纤维素纤维织物具有较好的降解作用。

图2 纤维素纤维织物堆肥降解前后力学性能 测试计算结果柱状图

2.4 热学性能分析

纤维素纤维织物堆肥降解前后热学性能分析计算结果如表2所示，从表2可以看出，纤维素纤维织物织造所用的纤维经堆肥降解后，纤维的分解起始温度、分解速率最高温度、分解结束温度与质量残存率均呈下降趋势，这是由于纤维结晶度降低使得纤维的热学稳定性下降，造成了纤维裂解温度的提前与裂解程度加深。观察各种纤维素纤维织物热失重试验后的质量残存率可以看出纤维质量的残存率与纤维的结晶度呈现正相关，由此也验证了堆肥处理对纤维素大分子结构具有较强的破坏作用，从而起到了很好的降解作用。

表2 纤维素纤维织物堆肥降解前后热学性能分析计算结果

2.5 讨论

结合上文实验数据可知，纤维素在堆肥中的降解主要因素可以归结于3点：一是堆肥中温湿因素，在高温状态下纤维素分子结构得到更多的能量，使得分子能量高于纤维内部分子的活化能增强，同时在水分子的作用下，大分子间氢键作用力进一步下降，使得纤维内部分子链段滑移相对容易；二是堆肥内部微生物的噬啃作用，堆肥中的养分滋养了大量的芽孢杆菌、放线菌等对有机质进行噬啃并进行消化分解多糖，进一步消化释放出二氧化碳、水与热量等，而释放出来的水与热量又反过来促进纤维素的分解；三是微生物在分解过程中所产生的酸性物质使得堆肥中的pH值在一定程度上降低，提高了纤维素的分解效率与分解率。基于上述3点因素，可以推知堆肥处理对纤维素纤维具有较好的降解作用。

3 结论

通过分析6种纤维素纤维织物经堆肥处理的降解表明，经堆肥降解处理后，6种纤维的质量、晶粒尺寸、结晶度、取向指数、力学性能与热学性能均有不同程度的下降，但各种纤维素纤维降解前后的纤维晶须结构不变。该研究验证了堆肥处理对纤维素纤维具有很好的降解作用，且在堆肥温度、pH、堆肥方法相同的条件下，纤维素堆肥降解程度与纤维素结晶度呈现正相关性，对纤维素废弃品的处理提供了实验参考。