摘 要：簡述了麻纖維基本性能及組成,概述了麻纖維地膜的制備成型工藝,介紹了麻纖維地膜的應用效應及其應用前景,對麻纖維地膜性能的優(yōu)化及可持續(xù)系統性應用指出方向,并基于麻纖維種類特性、麻纖維膜非織造制備工藝對功能化麻纖維可降解地膜進行了展望,為麻纖維資源化開發(fā)及應用提供思路。
關鍵詞：麻纖維；可降解；地膜；成型工藝
近年來,聚乙烯塑料薄膜大量用于地膜,因其回收難,不被降解,使農田土壤組織結構被損壞,農作物產量下降,農田生態(tài)環(huán)境遭到破壞,引起相關學者及部門的高度重視。2015年,《全國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃(2015—2030年)》明確將殘膜列為重點治理的農業(yè)污染源之一,并積極推進綠色可降解地膜的應用研發(fā)[1]。2018年,綠色降解地膜研制技術被農業(yè)農村部列為十項重大引領性農業(yè)技術之一。綠色降解地膜的全面推廣,減少了普通聚乙烯地膜的使用,緩和了農田生態(tài)環(huán)境,提高了農作物產量,推進了農業(yè)綠色發(fā)展?？山到獾啬な翘烊簧镔|為原料,常以天然植物纖維及淀粉為主要原料,通過改性、共混等工藝加工制備而成。天然植物纖維地膜是以植物不同部位提取的纖維素及木質素為原料采用一定成型工藝制成的可降解地膜,天然植物纖維地膜的相關研究和應用已逐漸展開。
麻纖維可降解地膜是由天然麻類植物纖維制備而成的一種綠色可降解地膜,曾被國家科技部列入重點推廣計劃,其原料來源廣泛,性能優(yōu)良,降解后還有助于改善農田土壤的物理結構和生態(tài)環(huán)境,提高土壤養(yǎng)分吸收及供應能力,有助于作物生長發(fā)育及增產[2]。2015年可降解地膜適應性評價的研究表明,麻纖維可降解地膜在多數地方農作物應用上具有良好的保溫、保墑、增產、改善土壤環(huán)境等效果。
1.麻纖維
1.1主要性能
麻類纖維屬高性能天然綠色植物纖維,力學性能優(yōu)良,常用來代替合成纖維被廣泛應用于綠色可降解復合材料中,部分麻纖維的拉伸強度高于天然纖維素纖維中的棉纖維,也高于常用化學纖維中的滌綸纖維,比模量也高于合成纖維中的滌綸纖維,密度最多高于滌綸纖維10%,黃麻纖維密度卻低于滌綸纖維[3]。麻纖維不僅具有滿足作為地膜材料的力學性能,而且質地輕盈,不附加地膜質量。另外,麻纖維屬天然纖維素纖維,回潮率較高,吸放濕性能優(yōu)良,與傳統合成纖維地膜相比,不易出現在地膜使用過程中因土壤水分蒸發(fā)而形成水滴現象[4]。
1.2主要成分
麻纖維[5]由纖維素、半纖維素、木質素和其他成分構成,其中纖維素[(C6H10O5)n]占據主體,顯然,麻纖維分解產物為有機物質、二氧化碳和水,綠色無污染,可完全降解,可用于可降解地膜材料。另外,麻纖維具有一定的細度和長度,使纖維間具有一定的接觸比表面積和摩擦抱合力,使其作為地膜材料制備成型時,無論是膜材料還是非織造布,滿足纖維與基質間界面粘附以及纖維間抱合力等膜材料力學性能。
2可降解地膜制備工藝
2.1常用可降解地膜制備工藝及特點
傳統農用地膜制備工藝主要是擠出吹膜成型,而隨著可降解地膜的研發(fā),液體地膜、紙地膜、非織造布地膜等成型工藝被提出[6]。不同可降解地膜成型工藝其適用材料及特點不同。
2.1.1擠出吹膜
原料在螺桿擠出機作用下熔融,環(huán)狀口模形成胚料,牽引輥使其上移,同時吹入空氣使其吹脹,碾壓輥壓平而制備成膜。工藝流程簡單、適應范圍廣、易于操作,適用可降解聚酯類,如聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚羥基脂肪酸酯等[7]。
2.1.2液態(tài)地膜
以工農業(yè)廢棄物為原料制備一種懸浮液,噴灑在土壤表層,形成一層膠狀薄膜,使土壤粘結在一起,起到地膜作用,成本高,引入成膜物質,引起二次污染,抗裂性及適應性差,所用農業(yè)廢棄物包括蛋白質、殼聚糖類腐殖酸類、淀粉類等[8]。
2.1.3紙地膜
采用造紙工藝將植物漿液加工成“紙”,結合后處理工藝將“紙”制備成具有地膜功能(強度、保溫、保墑等)的紙地膜,需要加入助劑(增強劑、透明劑等)才能完成,引入化學物質會造成污染,且很難保證干濕態(tài)力學性能、透光性;地膜力學性能不足、使用壽命短、工藝繁瑣、成本高,不適合商業(yè)化[9]。
2.1.4非織造布地膜
定向或隨機排列的纖維通過摩擦、抱合、黏合或這些方法的相互結合制成的片狀物、纖網或絮墊,不包括機織物、針織物、紙、濕法縮絨的氈制品,工藝簡單,自動化程度高且價廉無污染,廣泛應用于植物纖維及可降解高分子聚合物纖維可降解地膜的制備[10]。
2.2麻纖維可降解地膜制備工藝
非織造布地膜成型工藝以纖維為原料,采用一定的物理、化學加固方式,既維持了纖維的形態(tài)及性能,同時又滿足地膜力學性能需求,是麻纖維可降解地膜主要的制備成型工藝。
麻纖維可降解地膜采用非織造布成型工藝,以麻纖維為主結構,保留其性能的同時滿足麻纖維可降解地膜的機械強度,具有厚度薄、質感輕柔等特點,還可根據不同種類麻纖維表面結構形態(tài)及物理特性選擇合理的成網、加固方式,結合后整理技術,提高纖維間、纖維粘結點結合性,改善麻纖維可降解地膜的力學性能,保溫保墑,作物增產,土壤生態(tài)環(huán)境等適用性。
王思意等[11]采用機械梳理成網聚乙烯醇黏合加固制備黃麻纖維可降解地膜,當黃麻纖維質量分數80.00%,地膜面密度40g/m²,黏合劑質量分數5.89%,模壓溫度和壓力為130℃,4MPa時,黃麻纖維地膜斷裂強度可達946N/m²,彎曲性能、透濕、透氣、透光性良好。顏婷婷等[12]采用針刺及熱軋加固方式,制備黃麻纖維地膜,并通過正交試驗分析出最優(yōu)針刺密度及熱軋工藝參數。陳鵬超[13]采用濕法非織造制備黃麻纖維可降解地膜,研究表明地膜的斷裂強度、透氣率與纖維長度成正相關,經拒水整理后,透氣率增加,可完全降解。為了提高麻纖維可降解地膜適用性,結合非織造布制備成型工藝后整理技術,王朝云等[14]以苧麻、黃麻纖維為原料,采用梳理與氣流成網相結合的成網工藝制備環(huán)保麻纖維地膜,并用有機氟整理劑進行表面拒水整理,力學性能滿足使用要求。谷田雨[15]采用梳理成網、熱軋加固方式制備苧麻纖維可降解地膜,研究表明苧麻纖維質量分數為50%時,地膜性能最優(yōu),對其進行帶液率為5%的拒水處理,處理后的麻纖維地膜拒水、透氣性良好。
麻纖維可降解地膜非織造布制備成型工藝多以黃麻、苧麻纖維為主體,且制備工藝成熟?；诖?/span>,一方面,可拓寬其他麻類纖維在可降解地膜中的研發(fā)應用;另一方面,可由此成熟的地膜制備工藝拓寬麻類纖維膜的制備與應用,可利用麻類纖維自身特性(如大麻、羅布麻纖維的抗菌性,羅布麻纖維遠紅外、抗紫外等)制備功能性可降解地膜,拓寬麻類纖維資源應用領域。
3麻纖維可降解地膜的應用
近年來,麻纖維可降解地膜已初步形成了生產工藝、生產設備的產業(yè)化,并在多個地方應用實踐,在保溫、保墑、作物增產、土壤生態(tài)環(huán)境等方面取得較好效果。
3.1保溫保墑效應
麻纖維可降解地膜在低溫環(huán)境覆蓋時,具有優(yōu)良的保溫作用,并且其作為無紡布材料透氣性較好,高溫季節(jié)使用時,可避免燒苗現象。石磊[16]研究指出,大棚內,低溫環(huán)境時覆蓋麻纖維地膜可顯著提升土壤溫度,而高溫環(huán)境時,與無覆蓋土壤相比,覆蓋麻纖維地膜的土壤溫度要低。尚瑞廣等[17]指出,無論什么季節(jié),田間覆蓋麻纖維地膜均能提高土壤溫度,且有效避免了夏季膜下溫度過高現象,且具有較好的吸、放濕性能,雨水可以透過地膜且可抑制其蒸發(fā),有效提高了土壤水分利用率,保墑效果較好。王文興等[18]、李榮等[19]分別指出麻纖維地膜在馬鈴薯、玉米種植中表現出較好的保墑效果。
3.2增產效應
麻纖維可降解地膜對作物的增產效應主要是通過加快作物的出苗、生長、發(fā)育、提高成活率及作物生長質量、加劇養(yǎng)分積累等實現。安霞等[20-21]研究了麻纖維可降解地膜對不同瓜類的栽培及櫻桃番茄生長產量的影響,結果表明麻纖維地膜透氣性良好,有利于作物根系生長,對櫻桃番茄有促生長增產作用。楊媛茹等[22]研究大棚內麻纖維可降解地膜對辣椒生長期株高、開花率、結果率等多級綜合評定效果,表明對辣椒營養(yǎng)生長起到促進作用,開花及結果率都得到相應提高。李文略等[23]研究表明,麻纖維可降解地膜在一定程度上能夠提早蘆筍采收期及提升品質,降低莖枯病。鄭麗等[24]研究表明苧麻纖維地膜有效抑制柑桔容器育苗過程中的草害,促進容器柑橘苗的生長。謝丕江等[25]采用苧麻纖維地膜覆蓋促進棉花生長發(fā)育,產量提高6%。
3.3土壤生態(tài)環(huán)境效應
麻纖維可降解地膜的降解特性以及降解后對土壤生態(tài)環(huán)境的影響,直接關系到麻纖維地膜應用前景。龍世方[26]研究了麻纖維地膜降解特性及其環(huán)境效應,研究發(fā)現,麻纖維地膜在土壤中降解速率較快,且夏季快于秋冬季,土壤pH值對其降解速率影響較小,且降解后,土壤中的N,P,K含量升高,促進小白菜作物生長,降低了土壤中CaCl2提取態(tài)Cd,Mn,Zn含量。王朝云等[27]研究表明,麻纖維地膜的降解使土壤容量降低,孔隙率增加,三相比例得到改善,土壤養(yǎng)分、微生物數量等均增加,土壤生態(tài)環(huán)境得到改善。宋建龍[28]研究表明,麻纖維地膜降解后,土壤容量降低、含水率提高,土壤有機質提高,部分酶(土壤蔗糖酶、纖維素酶、酸性磷酸酶)活性提高,麻纖維地膜的使用使土壤生態(tài)環(huán)境得到改善。
由此可見,麻纖維可降解地膜的三者效應相互促進相輔相成,在地膜應用上前景較好,可應用于農作物、果蔬等,應用范圍廣,且具有較好的保溫、保墑及作物增產作用,對土壤生態(tài)環(huán)境具有較好的循環(huán)可持續(xù)改善作用,增加土壤肥力,綠色無污染。
4展望
麻纖維可降解地膜已成為農業(yè)環(huán)境領域的研究熱點,采用非織造生產工藝制備的麻纖維地膜應用效果較好,具有很好的保溫、保墑,促進作物增產、可降解、無污染,且降解后的麻纖維地膜可改良培肥土壤,改善土壤生態(tài)環(huán)境,充分踐行了生態(tài)文明理念。麻纖維可降解地膜應用于農業(yè)領域,為國家和人民帶來良好的經濟、生態(tài)、社會效益的同時,促進農業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展,前景可期。
另外,基于麻纖維可降解地膜的研發(fā)制備與應用實踐,可從以下幾方面進一步提高:1)基于不同種類麻纖維結構形態(tài)及力學特征,制備不同種類麻纖維地膜在滿足正常使用強度下,盡量降低克重;2)以生態(tài)環(huán)保為基準,優(yōu)化麻纖維地膜后處理工藝,提高透光透氣不透水性能;3)以農業(yè)機械系統化為目標,麻纖維地膜強度和實際作業(yè)生產機械設備相結合,提高產業(yè)化鋪膜進程;4)針對區(qū)域環(huán)境、土壤特點、作物生產特性,分區(qū)域、分作物、分類別針對性研發(fā)麻纖維地膜,提高麻纖維地膜的適應性,同時加強其降解機理的研究;5)加快推進麻纖維地膜原料、制備技術、應用實踐,形成一套完善的適應性評價系統;6)拓寬麻纖維種類在麻纖維地膜中的研發(fā)應用,目前主要有黃麻、苧麻纖維等,基于現有麻纖維地膜研發(fā)技術,可進一步開發(fā)大麻、羅布麻、劍麻等麻類纖維在麻纖維地膜中的應用;7)根據不同種類麻纖維自身功能特性,基于麻纖維地膜制備成型工藝,研發(fā)功能性麻纖維膜,拓寬麻類纖維資源應用領域。
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文章摘自：陳春暉,吉強,劉揚,王金輝,許多.麻纖維可降解地膜研究進展[J].現代塑料加工應用,2021,33(04):60-63.
