林燕萍

（江西服裝學(xué)院，江西 南昌 330201）

纖維素是一種不溶于有機(jī)溶劑與水的大分子多糖，在自然界中廣泛存在植物細(xì)胞壁中。由于自然界巨大的纖維素來(lái)源，人們通過(guò)直接提取或者通過(guò)不同化工工藝提取紡絲制備了晶型結(jié)構(gòu)各異的纖維素纖維，并以其良好的力學(xué)、透濕透氣、染色性能及較低的成本被大量應(yīng)用于服裝與家飾用品[1-2]。

但隨著纖維素纖維的大量應(yīng)用，所帶來(lái)的纖維素類制品的廢棄品處理問(wèn)題日趨嚴(yán)峻，目前常用的方法主要為焚燒、填埋等均給環(huán)境安全帶來(lái)應(yīng)的隱患且降解率較低[3-4]。現(xiàn)有技術(shù)，填埋法纖維素纖維織物的降解、堆肥法纖維素纖維織物的降解，現(xiàn)狀較詳細(xì)描述。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)，本文從分子結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能與熱性性能對(duì)不同堆肥成分條件下纖維素織物的降解性能進(jìn)行表征，為纖維素纖維的廢棄處理提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與試劑

棉纖維織物、苧麻纖維織物、亞麻纖維織物、竹漿纖維織物、Tencel纖維織物、普通粘膠織物（以上實(shí)驗(yàn)所用織物均為19.4 tex雙股紗線織造的經(jīng)紗420根/10 cm×緯紗380根/10 cm的平紋織物）。

1.2 儀器與設(shè)備

AR224CN 萬(wàn)分之一電子分析天平，奧豪斯儀器（上海）有限公司；101-1A電熱鼓風(fēng)烘箱，上海雷韻試驗(yàn)儀器制造有限公司；INSTRON5590萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)英斯特朗公司；D/max-B型X-射線衍射儀，日本力學(xué)電機(jī)公司；WSHW-064BZ小型恒溫恒濕試驗(yàn)箱，韋斯實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；STA449F5同步熱分析儀，德國(guó)耐馳公司。

1.3 試樣堆肥處理

利用動(dòng)物糞便、雜草、樹(shù)葉、作物秸稈、河底污泥等經(jīng)堆制有機(jī)肥料，測(cè)試堆肥內(nèi)部溫度最高溫度為55℃，屬于高溫堆肥的范疇。

將上述各種纖維素纖維織物清洗后在105℃的烘箱中干燥至恒重，記作G；對(duì)干燥后的織物進(jìn)行稱重、松散后，置于細(xì)不銹鋼絲網(wǎng)中，并將細(xì)不銹鋼絲網(wǎng)置于堆肥中心部位降解3個(gè)月；將降解后的織物取出清洗后再在105℃的烘箱中干燥至恒重后再次稱重，記作G’。

1.4 質(zhì)量降解率

利用式1計(jì)算各種纖維素纖維織物堆肥的質(zhì)量降解率，該實(shí)驗(yàn)重復(fù)操作5次，排除極端值與異常值后計(jì)算質(zhì)量降解率的平均值。

式中：W 為纖維素纖維織物的質(zhì)量降解率，%；G為纖維素纖維織物堆肥降解前的烘干質(zhì)量，g；G’為纖維素纖維織物堆肥降解后的烘干質(zhì)量，g。

1.5 X-衍射曲線測(cè)試

將堆肥處理前后各種纖維素纖維織物在105℃條件下烘干后，剪成碎末試樣。在CuKα靶（入射波長(zhǎng)為0.154 nm）、Ni濾波、掃描速度5°/min、電壓為40 KV、電流為50 mA的條件下對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)測(cè)試后的曲線進(jìn)行分峰后計(jì)算堆肥處理前后各種纖維素纖維織物中纖維的結(jié)晶度變化；調(diào)整電流為200 mA其他測(cè)試條件不變，測(cè)試計(jì)算堆肥處理前后各種纖維素纖維織物中纖維的取向度。

1.6 力學(xué)性能測(cè)試

將堆肥處理前后各種纖維素纖維織物在105℃條件下烘干后在20℃、65%相對(duì)濕度的恒溫恒濕試驗(yàn)箱中調(diào)試24 h；將調(diào)試后的織物沿著經(jīng)紗方向裁剪成長(zhǎng)200 mm、寬50 mm矩形布條試樣。利用INSTRON5590萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)在夾持長(zhǎng)度150 mm、拉伸速度200 mm/min的條件下對(duì)裁剪后的布條試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，每組布條試樣的力學(xué)性能測(cè)試30組，取力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果的平均值。

1.7 熱學(xué)性能測(cè)試

將堆肥處理前后各種纖維素纖維織物在105℃條件下烘干后，剪成碎末試樣；利用STA449F5 同步熱分析儀對(duì)碎末試樣在氮?dú)夥諊Ｗo(hù)下進(jìn)行熱學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試溫度從室溫至600℃，升溫速率為10℃/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)量降解率分析

圖1 纖維素纖維織物堆肥降解測(cè)試計(jì)算結(jié)果柱狀圖

纖維素纖維織物堆肥降解測(cè)試計(jì)算結(jié)果柱狀圖如圖1所示，從圖1可以看到，6種纖維素纖維織物經(jīng)堆肥處理后質(zhì)量降解率均高于50%，表明堆肥對(duì)纖維素纖維織物具有很好的降解作用；纖維素堆肥降解的機(jī)理是堆肥中的真菌、放線菌、芽孢桿菌等將有機(jī)質(zhì)降解成可以吸收利用的腐殖質(zhì)與小分子物質(zhì)，最終釋放水、二氧化碳及熱量等。微生物降解有機(jī)質(zhì)不僅取決于微生物的種類、堆肥的pH、溫度、堆肥有機(jī)質(zhì)的種類眾多因素，其降解有機(jī)質(zhì)的種類對(duì)其降解有至關(guān)重要[5-6]。本文研究的纖維素纖維織物的降解，實(shí)質(zhì)是堆肥中微生物對(duì)纖維素的降解作用，組成纖維素的長(zhǎng)鏈狀大分子主要由為β-1,4鍵葡萄糖亞基緊密有序排列組成的類似網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不溶于水的晶體結(jié)構(gòu)與無(wú)序、松散排列的無(wú)定行區(qū)。由于纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)不溶于水，在其降解過(guò)程中必須先經(jīng)纖維素二糖酶、端解酶與纖維素內(nèi)切酶協(xié)同作用將纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)分解成戊二糖與纖維二糖等，進(jìn)而再次降解成葡萄糖供微生物吸收[7]。因此，在堆肥降解其他條件相同的條件下，纖維素纖維中結(jié)晶度的大小是影響纖維素降解率的最終原因。結(jié)合“2.2”中 X-衍射曲線分析可知，實(shí)驗(yàn)中所選的棉纖維織物、苧麻纖維織物、亞麻纖維織物、竹漿纖維織物、Tencel纖維織物與普通粘膠織物的降解率與其織造所用的纖維素結(jié)晶度呈正相關(guān)，這也驗(yàn)證上述降解機(jī)理的分析是正確的。

2.2 X-衍射曲線分析

纖維素纖維織物堆肥降解前后X-衍射曲線分析計(jì)算結(jié)果如表1所示，從表中可以看出，堆肥降解處理前后，棉纖維、苧麻纖維、亞麻纖維、竹漿纖維、Tencel纖維與粘膠纖維各自所對(duì)應(yīng)的101、10ī、002的2θ沒(méi)有太大變化，表明堆肥降解處理并未改變各自纖維的晶型結(jié)構(gòu)，棉纖維、苧麻纖維與亞麻纖維依然保持了纖維素Ⅰ的晶型結(jié)構(gòu)，竹漿纖維、Tencel纖維與粘膠纖維依然保持了纖維素II的晶型結(jié)構(gòu)。另一方面，棉纖維、苧麻纖維、亞麻纖維、竹漿纖維、Tencel纖維與粘膠纖維的晶粒尺寸、結(jié)晶度與取向指數(shù)經(jīng)堆肥降解后均有所下降，這是由于堆肥中微生物分泌的纖維素二糖酶、端解酶與纖維素內(nèi)切酶的協(xié)同作用致使纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)最終降解成供微生物吸收的葡萄糖。晶粒尺寸的減小必然造成造成纖維素晶體間作用力的減弱，且纖維素大分子取向度的降低必然降低纖維素纖維織物的力學(xué)性能，這將在下文“2.3”力學(xué)性能分析中進(jìn)行驗(yàn)證。

表1 纖維素纖維織物堆肥降解前后X-衍射曲線分析計(jì)算結(jié)果

2.3 力學(xué)性能分析

纖維素纖維織物堆肥降解前后力學(xué)性能測(cè)試計(jì)算結(jié)果柱狀圖如圖2所示，從圖中可以看出，棉纖維織物、苧麻纖維織物、亞麻纖維織物、竹漿纖維織物、Tencel纖維織物與粘膠纖維織物經(jīng)堆肥降解處理后織物的斷裂強(qiáng)力均有不同的下降，這主要由3方面因素引起的：一是在“2.2”X-衍射曲線分析中的纖維素結(jié)晶度與取向度的降低，導(dǎo)致了織物所用纖維自身斷裂強(qiáng)力的下降，強(qiáng)力弱環(huán)增加；二是由于纖維的降解致使紗線的細(xì)度下降，導(dǎo)致在相同捻系數(shù)條件下纖維間的抱合力下降，強(qiáng)力弱環(huán)增加；三是由于纖維、紗線的變化，導(dǎo)致織物交織點(diǎn)相對(duì)滑移的難度減小?；谏鲜?點(diǎn)因素也驗(yàn)證了堆肥處理對(duì)纖維素纖維織物具有較好的降解作用。

圖2 纖維素纖維織物堆肥降解前后力學(xué)性能 測(cè)試計(jì)算結(jié)果柱狀圖

2.4 熱學(xué)性能分析

纖維素纖維織物堆肥降解前后熱學(xué)性能分析計(jì)算結(jié)果如表2所示，從表2可以看出，纖維素纖維織物織造所用的纖維經(jīng)堆肥降解后，纖維的分解起始溫度、分解速率最高溫度、分解結(jié)束溫度與質(zhì)量殘存率均呈下降趨勢(shì)，這是由于纖維結(jié)晶度降低使得纖維的熱學(xué)穩(wěn)定性下降，造成了纖維裂解溫度的提前與裂解程度加深。觀察各種纖維素纖維織物熱失重試驗(yàn)后的質(zhì)量殘存率可以看出纖維質(zhì)量的殘存率與纖維的結(jié)晶度呈現(xiàn)正相關(guān)，由此也驗(yàn)證了堆肥處理對(duì)纖維素大分子結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的破壞作用，從而起到了很好的降解作用。

表2 纖維素纖維織物堆肥降解前后熱學(xué)性能分析計(jì)算結(jié)果

2.5 討論

結(jié)合上文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，纖維素在堆肥中的降解主要因素可以歸結(jié)于3點(diǎn)：一是堆肥中溫濕因素，在高溫狀態(tài)下纖維素分子結(jié)構(gòu)得到更多的能量，使得分子能量高于纖維內(nèi)部分子的活化能增強(qiáng)，同時(shí)在水分子的作用下，大分子間氫鍵作用力進(jìn)一步下降，使得纖維內(nèi)部分子鏈段滑移相對(duì)容易；二是堆肥內(nèi)部微生物的噬啃作用，堆肥中的養(yǎng)分滋養(yǎng)了大量的芽孢桿菌、放線菌等對(duì)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行噬啃并進(jìn)行消化分解多糖，進(jìn)一步消化釋放出二氧化碳、水與熱量等，而釋放出來(lái)的水與熱量又反過(guò)來(lái)促進(jìn)纖維素的分解；三是微生物在分解過(guò)程中所產(chǎn)生的酸性物質(zhì)使得堆肥中的pH值在一定程度上降低，提高了纖維素的分解效率與分解率。基于上述3點(diǎn)因素，可以推知堆肥處理對(duì)纖維素纖維具有較好的降解作用。

3 結(jié)論

通過(guò)分析6種纖維素纖維織物經(jīng)堆肥處理的降解表明，經(jīng)堆肥降解處理后，6種纖維的質(zhì)量、晶粒尺寸、結(jié)晶度、取向指數(shù)、力學(xué)性能與熱學(xué)性能均有不同程度的下降，但各種纖維素纖維降解前后的纖維晶須結(jié)構(gòu)不變。該研究驗(yàn)證了堆肥處理對(duì)纖維素纖維具有很好的降解作用，且在堆肥溫度、pH、堆肥方法相同的條件下，纖維素堆肥降解程度與纖維素結(jié)晶度呈現(xiàn)正相關(guān)性，對(duì)纖維素廢棄品的處理提供了實(shí)驗(yàn)參考。