摘 要：简述了麻纤维基本性能及组成,概述了麻纤维地膜的制备成型工艺,介绍了麻纤维地膜的应用效应及其应用前景,对麻纤维地膜性能的优化及可持续系统性应用指出方向,并基于麻纤维种类特性、麻纤维膜非织造制备工艺对功能化麻纤维可降解地膜进行了展望,为麻纤维资源化开发及应用提供思路。
关键词：麻纤维；可降解；地膜；成型工艺
近年来,聚乙烯塑料薄膜大量用于地膜,因其回收难,不被降解,使农田土壤组织结构被损坏,农作物产量下降,农田生态环境遭到破坏,引起相关学者及部门的高度重视。2015年,《全国农业可持续发展规划(2015—2030年)》明确将残膜列为重点治理的农业污染源之一,并积极推进绿色可降解地膜的应用研发[1]。2018年,绿色降解地膜研制技术被农业农村部列为十项重大引领性农业技术之一。绿色降解地膜的全面推广,减少了普通聚乙烯地膜的使用,缓和了农田生态环境,提高了农作物产量,推进了农业绿色发展。可降解地膜是天然生物质为原料,常以天然植物纤维及淀粉为主要原料,通过改性、共混等工艺加工制备而成。天然植物纤维地膜是以植物不同部位提取的纤维素及木质素为原料采用一定成型工艺制成的可降解地膜,天然植物纤维地膜的相关研究和应用已逐渐展开。
麻纤维可降解地膜是由天然麻类植物纤维制备而成的一种绿色可降解地膜,曾被国家科技部列入重点推广计划,其原料来源广泛,性能优良,降解后还有助于改善农田土壤的物理结构和生态环境,提高土壤养分吸收及供应能力,有助于作物生长发育及增产[2]。2015年可降解地膜适应性评价的研究表明,麻纤维可降解地膜在多数地方农作物应用上具有良好的保温、保墒、增产、改善土壤环境等效果。
1.麻纤维
1.1主要性能
麻类纤维属高性能天然绿色植物纤维,力学性能优良,常用来代替合成纤维被广泛应用于绿色可降解复合材料中,部分麻纤维的拉伸强度高于天然纤维素纤维中的棉纤维,也高于常用化学纤维中的涤纶纤维,比模量也高于合成纤维中的涤纶纤维,密度最多高于涤纶纤维10%,黄麻纤维密度却低于涤纶纤维[3]。麻纤维不仅具有满足作为地膜材料的力学性能,而且质地轻盈,不附加地膜质量。另外,麻纤维属天然纤维素纤维,回潮率较高,吸放湿性能优良,与传统合成纤维地膜相比,不易出现在地膜使用过程中因土壤水分蒸发而形成水滴现象[4]。
1.2主要成分
麻纤维[5]由纤维素、半纤维素、木质素和其他成分构成,其中纤维素[(C6H10O5)n]占据主体,显然,麻纤维分解产物为有机物质、二氧化碳和水,绿色无污染,可完全降解,可用于可降解地膜材料。另外,麻纤维具有一定的细度和长度,使纤维间具有一定的接触比表面积和摩擦抱合力,使其作为地膜材料制备成型时,无论是膜材料还是非织造布,满足纤维与基质间界面粘附以及纤维间抱合力等膜材料力学性能。
2可降解地膜制备工艺
2.1常用可降解地膜制备工艺及特点
传统农用地膜制备工艺主要是挤出吹膜成型,而随着可降解地膜的研发,液体地膜、纸地膜、非织造布地膜等成型工艺被提出[6]。不同可降解地膜成型工艺其适用材料及特点不同。
2.1.1挤出吹膜
原料在螺杆挤出机作用下熔融,环状口模形成胚料,牵引辊使其上移,同时吹入空气使其吹胀,碾压辊压平而制备成膜。工艺流程简单、适应范围广、易于操作,适用可降解聚酯类,如聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚羟基脂肪酸酯等[7]。
2.1.2液态地膜
以工农业废弃物为原料制备一种悬浮液,喷洒在土壤表层,形成一层胶状薄膜,使土壤粘结在一起,起到地膜作用,成本高,引入成膜物质,引起二次污染,抗裂性及适应性差,所用农业废弃物包括蛋白质、壳聚糖类腐殖酸类、淀粉类等[8]。
2.1.3纸地膜
采用造纸工艺将植物浆液加工成“纸”,结合后处理工艺将“纸”制备成具有地膜功能(强度、保温、保墒等)的纸地膜,需要加入助剂(增强剂、透明剂等)才能完成,引入化学物质会造成污染,且很难保证干湿态力学性能、透光性;地膜力学性能不足、使用寿命短、工艺繁琐、成本高,不适合商业化[9]。
2.1.4非织造布地膜
定向或随机排列的纤维通过摩擦、抱合、黏合或这些方法的相互结合制成的片状物、纤网或絮垫,不包括机织物、针织物、纸、湿法缩绒的毡制品,工艺简单,自动化程度高且价廉无污染,广泛应用于植物纤维及可降解高分子聚合物纤维可降解地膜的制备[10]。
2.2麻纤维可降解地膜制备工艺
非织造布地膜成型工艺以纤维为原料,采用一定的物理、化学加固方式,既维持了纤维的形态及性能,同时又满足地膜力学性能需求,是麻纤维可降解地膜主要的制备成型工艺。
麻纤维可降解地膜采用非织造布成型工艺,以麻纤维为主结构,保留其性能的同时满足麻纤维可降解地膜的机械强度,具有厚度薄、质感轻柔等特点,还可根据不同种类麻纤维表面结构形态及物理特性选择合理的成网、加固方式,结合后整理技术,提高纤维间、纤维粘结点结合性,改善麻纤维可降解地膜的力学性能,保温保墒,作物增产,土壤生态环境等适用性。
王思意等[11]采用机械梳理成网聚乙烯醇黏合加固制备黄麻纤维可降解地膜,当黄麻纤维质量分数80.00%,地膜面密度40g/m²,黏合剂质量分数5.89%,模压温度和压力为130℃,4MPa时,黄麻纤维地膜断裂强度可达946N/m²,弯曲性能、透湿、透气、透光性良好。颜婷婷等[12]采用针刺及热轧加固方式,制备黄麻纤维地膜,并通过正交试验分析出最优针刺密度及热轧工艺参数。陈鹏超[13]采用湿法非织造制备黄麻纤维可降解地膜,研究表明地膜的断裂强度、透气率与纤维长度成正相关,经拒水整理后,透气率增加,可完全降解。为了提高麻纤维可降解地膜适用性,结合非织造布制备成型工艺后整理技术,王朝云等[14]以苎麻、黄麻纤维为原料,采用梳理与气流成网相结合的成网工艺制备环保麻纤维地膜,并用有机氟整理剂进行表面拒水整理,力学性能满足使用要求。谷田雨[15]采用梳理成网、热轧加固方式制备苎麻纤维可降解地膜,研究表明苎麻纤维质量分数为50%时,地膜性能最优,对其进行带液率为5%的拒水处理,处理后的麻纤维地膜拒水、透气性良好。
麻纤维可降解地膜非织造布制备成型工艺多以黄麻、苎麻纤维为主体,且制备工艺成熟。基于此,一方面,可拓宽其他麻类纤维在可降解地膜中的研发应用;另一方面,可由此成熟的地膜制备工艺拓宽麻类纤维膜的制备与应用,可利用麻类纤维自身特性(如大麻、罗布麻纤维的抗菌性,罗布麻纤维远红外、抗紫外等)制备功能性可降解地膜,拓宽麻类纤维资源应用领域。
3麻纤维可降解地膜的应用
近年来,麻纤维可降解地膜已初步形成了生产工艺、生产设备的产业化,并在多个地方应用实践,在保温、保墒、作物增产、土壤生态环境等方面取得较好效果。
3.1保温保墒效应
麻纤维可降解地膜在低温环境覆盖时,具有优良的保温作用,并且其作为无纺布材料透气性较好,高温季节使用时,可避免烧苗现象。石磊[16]研究指出,大棚内,低温环境时覆盖麻纤维地膜可显著提升土壤温度,而高温环境时,与无覆盖土壤相比,覆盖麻纤维地膜的土壤温度要低。尚瑞广等[17]指出,无论什么季节,田间覆盖麻纤维地膜均能提高土壤温度,且有效避免了夏季膜下温度过高现象,且具有较好的吸、放湿性能,雨水可以透过地膜且可抑制其蒸发,有效提高了土壤水分利用率,保墒效果较好。王文兴等[18]、李荣等[19]分别指出麻纤维地膜在马铃薯、玉米种植中表现出较好的保墒效果。
3.2增产效应
麻纤维可降解地膜对作物的增产效应主要是通过加快作物的出苗、生长、发育、提高成活率及作物生长质量、加剧养分积累等实现。安霞等[20-21]研究了麻纤维可降解地膜对不同瓜类的栽培及樱桃番茄生长产量的影响,结果表明麻纤维地膜透气性良好,有利于作物根系生长,对樱桃番茄有促生长增产作用。杨媛茹等[22]研究大棚内麻纤维可降解地膜对辣椒生长期株高、开花率、结果率等多级综合评定效果,表明对辣椒营养生长起到促进作用,开花及结果率都得到相应提高。李文略等[23]研究表明,麻纤维可降解地膜在一定程度上能够提早芦笋采收期及提升品质,降低茎枯病。郑丽等[24]研究表明苎麻纤维地膜有效抑制柑桔容器育苗过程中的草害,促进容器柑橘苗的生长。谢丕江等[25]采用苎麻纤维地膜覆盖促进棉花生长发育,产量提高6%。
3.3土壤生态环境效应
麻纤维可降解地膜的降解特性以及降解后对土壤生态环境的影响,直接关系到麻纤维地膜应用前景。龙世方[26]研究了麻纤维地膜降解特性及其环境效应,研究发现,麻纤维地膜在土壤中降解速率较快,且夏季快于秋冬季,土壤pH值对其降解速率影响较小,且降解后,土壤中的N,P,K含量升高,促进小白菜作物生长,降低了土壤中CaCl2提取态Cd,Mn,Zn含量。王朝云等[27]研究表明,麻纤维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,土壤养分、微生物数量等均增加,土壤生态环境得到改善。宋建龙[28]研究表明,麻纤维地膜降解后,土壤容量降低、含水率提高,土壤有机质提高,部分酶(土壤蔗糖酶、纤维素酶、酸性磷酸酶)活性提高,麻纤维地膜的使用使土壤生态环境得到改善。
由此可见,麻纤维可降解地膜的三者效应相互促进相辅相成,在地膜应用上前景较好,可应用于农作物、果蔬等,应用范围广,且具有较好的保温、保墒及作物增产作用,对土壤生态环境具有较好的循环可持续改善作用,增加土壤肥力,绿色无污染。
4展望
麻纤维可降解地膜已成为农业环境领域的研究热点,采用非织造生产工艺制备的麻纤维地膜应用效果较好,具有很好的保温、保墒,促进作物增产、可降解、无污染,且降解后的麻纤维地膜可改良培肥土壤,改善土壤生态环境,充分践行了生态文明理念。麻纤维可降解地膜应用于农业领域,为国家和人民带来良好的经济、生态、社会效益的同时,促进农业的绿色可持续发展,前景可期。
另外,基于麻纤维可降解地膜的研发制备与应用实践,可从以下几方面进一步提高:1)基于不同种类麻纤维结构形态及力学特征,制备不同种类麻纤维地膜在满足正常使用强度下,尽量降低克重;2)以生态环保为基准,优化麻纤维地膜后处理工艺,提高透光透气不透水性能;3)以农业机械系统化为目标,麻纤维地膜强度和实际作业生产机械设备相结合,提高产业化铺膜进程;4)针对区域环境、土壤特点、作物生产特性,分区域、分作物、分类别针对性研发麻纤维地膜,提高麻纤维地膜的适应性,同时加强其降解机理的研究;5)加快推进麻纤维地膜原料、制备技术、应用实践,形成一套完善的适应性评价系统;6)拓宽麻纤维种类在麻纤维地膜中的研发应用,目前主要有黄麻、苎麻纤维等,基于现有麻纤维地膜研发技术,可进一步开发大麻、罗布麻、剑麻等麻类纤维在麻纤维地膜中的应用;7)根据不同种类麻纤维自身功能特性,基于麻纤维地膜制备成型工艺,研发功能性麻纤维膜,拓宽麻类纤维资源应用领域。
[1]中华人民共和国农业部.全国农业可持续发展规划(2015—2030年)[EB/OL].(2015-05-27).http://www.moa.gov.cn/govpublic/FZJHS/201505/t20150527_4620031.htm.
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文章摘自：陈春晖,吉强,刘扬,王金辉,许多.麻纤维可降解地膜研究进展[J].现代塑料加工应用,2021,33(04):60-63.
