植物纖維地膜的研究現狀與發展趨勢

賈珊珊，徐 紅(， )

農用地膜的覆蓋技術，是自20世紀80年代引入我國后發展極為迅速的一項高產栽培技術[1]。由于地膜具有保溫、保墑、保肥和防寒的顯著優點，加上我國處于季風地帶，80%以上的耕地存在干旱、低洼和鹽堿等障礙因素，特別是在廣闊的西北地區，土壤沙化、土壤鹽漬化等現象十分嚴重，需要進行調理和改良，使得地膜的需求量日益增長。目前，我國已成為農用地膜生產和使用量最多的國家[2-3]。我國農田中地膜多數為塑料單體聚乙烯或其他合成聚合物，本身具有分子量大，性能穩定，難以分解的特性，雖然在使用過程中能夠確保農產品增產增收，但是一個使用周期過后，大量殘留的地膜碎片由于回收困難而散落在土壤中，年復一年將嚴重降低土壤的通透性，給耕作、播種和作物的生長帶來了很大的困難。因此，開發可降解的農用地膜，解決殘膜造成的“白色污染”成了近年來研究的熱點[4-5]。不同種類地膜的研究開發進展得很快，也有大量的地膜產品已經進行試用，取得了較好的效果，植物纖維地膜作為其中的一類受到了廣泛關注。

1 地膜的原料選擇

植物纖維地膜是指以植物纖維作為原料加工生產的農用地膜，天然的纖維素材料可在自然環境中被微生物降解，因此屬綠色環保產品。而纖維素材料，作為一種天然的可再生的高分子材料，大量存在于綠色植物中，再生速度很快，取之不盡用之不竭。據資料統計，全世界每年通過光合作用產生的植物物質，大約只有11%被用作農作物產品、飼料、造紙和建筑原料，高達89%的天然纖維素原料被自然界分解轉化，最終形成CO2和H2O，造成了巨大的資源浪費[2]，因此，利用植物纖維制造可降解地膜是充分利用資源，同時也是為以日趨枯竭的石油資源為主要原料的塑料工業開辟了一個新的原料來源。

自然界中植物品種種類繁多，但就地膜的生產制造而言，目前主要研究采用的原料有以下幾種：

(1)從廢物利用及資源多少考慮，可降解的植物纖維并適用于制成地膜的材料首推棉短絨，經過初步加工或精梳落下的短絨，長度多在6～8mm，價格低廉，經過再加工可生產為棉短絨地膜，對環境無害。江南大學的呂仕元，羅軍等人便采用棉紡加工廠的廢棄棉短絨下腳料，經過濕法造紙法和一些改善性能的后處理，制備出了可完全降解的地膜[6-7]。

(2)同時，我國也具有豐富的麻類纖維資源，種植面積和產量均居世界首位，在麻類眾多的品種中，經過研究培育，配套合適的加工方法，也能提供出優質原料。周景輝、李志明等在實驗室范圍內利用紅麻全桿經過常規造紙方法制造的紙基麻地膜，兼有塑料地膜保溫性能和生物降解性能[8-9]；中國農業科學院的王朝云，呂江南等以苧麻、黃麻等麻類纖維為主要原料，采用梳理成網與氣流成網相結合的工藝，配合化學固結方法，試制出了各項力學性能滿足使用要求的麻地膜[10]。

(3)除了紡織用纖維外，自然界中仍有大量的植物資源可以為人們所利用，也有一些研究利用各種物理或化學的方法對其形態進行加工處理后，提取纖維用來生產地膜。天津輕工業學院的高玉杰，謝來蘇將各種造紙用草漿配合少量木漿，抄紙成型后加入助劑制成了可用于實踐研究的地膜[4]；安徽農業大學則選用從稻草中提取的纖維，使用聚乙烯醇將其黏合，生產農用地膜[11]；覃程榮制作地膜所利用的原料為制糖工業的副產物——甘蔗渣，熟化成黏膠，再完成成膜步驟[12]。

2 地膜的加工工藝

一般的以合成高分子材料為基質的降解地膜制備過程比較復雜，而且在地膜生產加工的過程中也常常會對環境產生污染。目前，隨著非織造布在農業上的應用越來越廣泛，以纖維素為主的植物纖維地膜的制作常常采用非織造布的生產工藝，不僅工藝比較簡單，成本相對較低，而且加工過程無污染。

2.1 成膜方法

農用地膜和其他材料相比，透光性的要求較高，這就間接對地膜的厚度有了一定程度的限制。濕法成網，也稱為造紙法，可制得厚度較小、滿足使用要求的地膜。在制作過程中，將長度較短的植物纖維加入適量的助劑，如分散劑、柔軟劑、增強劑等，通過打漿，調料，稀釋等工序，制得纖維均勻分布的漿液，再進行鋪網，烘干后即可得到植物纖維非織造農用地膜。此方法制得的地膜克重最輕，可控制在35g左右，效果比較理想[4，6-8]。

非織造布的加工方法多種多樣，在此基礎上，植物纖維地膜的加工也向著多樣化發展。利用干法成網，再結合針刺固結；或使用梳理成網和氣流成網結合，配合化學黏合固結，都可制造出農用地膜，但是方法的選擇應依據纖維成網的可行性，根據待加工植物纖維的表觀特性、物理特征來判斷。

2.2 后處理工藝

在地膜的成網成型加工過程中，厚度是相對而言比較容易控制的一項指標，而影響地膜使用品質的另外一些主要因素則是地膜的強度和透光性。由于原料和制作工藝的影響，普通的聚乙烯塑料薄膜所特有的強力和透明度是植物纖維地膜不能達到的。為了提高地膜的使用性能，可選擇性地為其進行適當的后處理加工。

選擇合適的透明劑對地膜進行浸漬或者涂布可以大幅度地提升地膜的透光性能，但同時也會對地膜的強度產生一定的負面影響，所以用量應嚴格控制。目前所采用的透明劑，多為氯化石蠟和液體石蠟[4]。

由于地膜在使用過程中歷經風吹雨打，強度較低的地膜過早出現破裂會影響其保溫、保墑作用，在地膜成型后對其進行施膠處理，可以增加纖維粘接點的強度，達到增強的目的。目前對于增強劑的研究也呈增多趨勢，適當地使用增強劑不僅可以提高地膜的干濕強度，而且還對地膜的降解速度有一定的控制。天然的絲膠、明膠、丙烯酸酯、聚乙烯醇、殼聚糖和幾種樹脂都被作為增強劑進行了分析研究[13-15]。絲膠和明膠屬于天然膠黏劑，雖然可完全降解，但是粘接性能稍弱。丙烯酸酯、聚乙烯醇、樹脂類屬于合成型膠黏劑，粘接力較強，使地膜的各項力學指標得到優化，但是其用量對地膜的降解性能仍有待繼續研究。殼聚糖不僅具有良好的成膜性，可增強地膜的強度，同時它還具有抗菌作用，可以延長細菌對地膜的侵蝕時間，從而延長地膜的降解時間，實現地膜的降解過程可控。

3 地膜的性能及應用[4-15]

近年來有關植物纖維可降解地膜的研究表明，已有較多的植物纖維地膜研制成功，地膜的克重大多數集中在35～50g/m2，厚度則約從0.10mm到0.35mm不等。這些地膜的強力指標，如干、濕斷裂強度，抗撕裂強度等，已基本能夠滿足使用要求。通過少量種植實驗研究，透光性雖不及普通塑料薄膜，但是也沒有對作物生長造成負面的影響，同時還減少了由于暴曬造成的燒苗現象。同時，由于采用非織造生產工藝，農膜即使經過了浸膠等后處理工序，仍然有較多的微孔存在，因此具有一定的透氣透濕性能，在使用過程中能夠減少膜內溫度過高而頂部結露現象。

由于纖維素可被微生物、細菌和真菌侵蝕，發生生物物理降解和化學降解，因而使用周期過后，地膜可在自然環境下被降解。同時，部分在制膜過程中添加的助劑，含有對作物生長有益的元素，降解后化為有機廢料，也可被土壤吸收，提高可種植性。

4 地膜存在的問題及發展趨勢

植物纖維地膜的巨大優越性在于它的生物可降解性，同時實現了廢棄資源再利用，資源優勢互補。但是降解地膜的生產成本仍舊高于塑料薄膜，更適合于高附加值的作物，難于大范圍地推廣；同時，植物地膜的品質有待于繼續提高，如何使地膜厚度、干濕強度和透明度等指標達到與塑料地膜相當的程度，對地膜的降解速度進行有效控制，目前還沒有得到很好的解決，大部分研究仍處在實驗室階段。

不可否認的是，可降解材料仍然是環節日益嚴重的“塑料垃圾問題”的有效途徑。成本和品質決定了降解地膜的推廣使用，如何降低原料的價格，開發出新的適宜生產推廣的加工方法，仍是目前研究工作的重心。

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[2] 鹿寶鑫,周睿,王霞.天然纖維基降解塑料地膜的現狀與發展趨勢[J].農機化研究,2008,(12):207—209.

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[6] 呂仕元,陸德生,王祖行等.自然降解農用棉短絨地膜的研制[J].產業用紡織品,2002，(2):13—17.

[7] 盛偉,羅軍,葛明橋.紙基棉短絨地膜的研制與表征[J].產業用紡織品,2009，(3): 9—11.

[8] 周景輝,朱宏偉.環保型紙基麻地膜的試制[J].中國造紙學報,2003,18(2):101—105.

[9] 李志明,吳星娥,周景輝.紅麻全桿地膜保溫與降解應用試驗[J].中國造紙,2004,23(8): 20—22.

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