植物纤维地膜的研究现状与发展趋势

贾珊珊，徐 红(， )

农用地膜的覆盖技术，是自20世纪80年代引入我国后发展极为迅速的一项高产栽培技术[1]。由于地膜具有保温、保墒、保肥和防寒的显著优点，加上我国处于季风地带，80%以上的耕地存在干旱、低洼和盐碱等障碍因素，特别是在广阔的西北地区，土壤沙化、土壤盐渍化等现象十分严重，需要进行调理和改良，使得地膜的需求量日益增长。目前，我国已成为农用地膜生产和使用量最多的国家[2-3]。我国农田中地膜多数为塑料单体聚乙烯或其他合成聚合物，本身具有分子量大，性能稳定，难以分解的特性，虽然在使用过程中能够确保农产品增产增收，但是一个使用周期过后，大量残留的地膜碎片由于回收困难而散落在土壤中，年复一年将严重降低土壤的通透性，给耕作、播种和作物的生长带来了很大的困难。因此，开发可降解的农用地膜，解决残膜造成的“白色污染”成了近年来研究的热点[4-5]。不同种类地膜的研究开发进展得很快，也有大量的地膜产品已经进行试用，取得了较好的效果，植物纤维地膜作为其中的一类受到了广泛关注。

1 地膜的原料选择

植物纤维地膜是指以植物纤维作为原料加工生产的农用地膜，天然的纤维素材料可在自然环境中被微生物降解，因此属绿色环保产品。而纤维素材料，作为一种天然的可再生的高分子材料，大量存在于绿色植物中，再生速度很快，取之不尽用之不竭。据资料统计，全世界每年通过光合作用产生的植物物质，大约只有11%被用作农作物产品、饲料、造纸和建筑原料，高达89%的天然纤维素原料被自然界分解转化，最终形成CO2和H2O，造成了巨大的资源浪费[2]，因此，利用植物纤维制造可降解地膜是充分利用资源，同时也是为以日趋枯竭的石油资源为主要原料的塑料工业开辟了一个新的原料来源。

自然界中植物品种种类繁多，但就地膜的生产制造而言，目前主要研究采用的原料有以下几种：

(1)从废物利用及资源多少考虑，可降解的植物纤维并适用于制成地膜的材料首推棉短绒，经过初步加工或精梳落下的短绒，长度多在6～8mm，价格低廉，经过再加工可生产为棉短绒地膜，对环境无害。江南大学的吕仕元，罗军等人便采用棉纺加工厂的废弃棉短绒下脚料，经过湿法造纸法和一些改善性能的后处理，制备出了可完全降解的地膜[6-7]。

(2)同时，我国也具有丰富的麻类纤维资源，种植面积和产量均居世界首位，在麻类众多的品种中，经过研究培育，配套合适的加工方法，也能提供出优质原料。周景辉、李志明等在实验室范围内利用红麻全杆经过常规造纸方法制造的纸基麻地膜，兼有塑料地膜保温性能和生物降解性能[8-9]；中国农业科学院的王朝云，吕江南等以苎麻、黄麻等麻类纤维为主要原料，采用梳理成网与气流成网相结合的工艺，配合化学固结方法，试制出了各项力学性能满足使用要求的麻地膜[10]。

(3)除了纺织用纤维外，自然界中仍有大量的植物资源可以为人们所利用，也有一些研究利用各种物理或化学的方法对其形态进行加工处理后，提取纤维用来生产地膜。天津轻工业学院的高玉杰，谢来苏将各种造纸用草浆配合少量木浆，抄纸成型后加入助剂制成了可用于实践研究的地膜[4]；安徽农业大学则选用从稻草中提取的纤维，使用聚乙烯醇将其黏合，生产农用地膜[11]；覃程荣制作地膜所利用的原料为制糖工业的副产物——甘蔗渣，熟化成黏胶，再完成成膜步骤[12]。

2 地膜的加工工艺

一般的以合成高分子材料为基质的降解地膜制备过程比较复杂，而且在地膜生产加工的过程中也常常会对环境产生污染。目前，随着非织造布在农业上的应用越来越广泛，以纤维素为主的植物纤维地膜的制作常常采用非织造布的生产工艺，不仅工艺比较简单，成本相对较低，而且加工过程无污染。

2.1 成膜方法

农用地膜和其他材料相比，透光性的要求较高，这就间接对地膜的厚度有了一定程度的限制。湿法成网，也称为造纸法，可制得厚度较小、满足使用要求的地膜。在制作过程中，将长度较短的植物纤维加入适量的助剂，如分散剂、柔软剂、增强剂等，通过打浆，调料，稀释等工序，制得纤维均匀分布的浆液，再进行铺网，烘干后即可得到植物纤维非织造农用地膜。此方法制得的地膜克重最轻，可控制在35g左右，效果比较理想[4，6-8]。

非织造布的加工方法多种多样，在此基础上，植物纤维地膜的加工也向着多样化发展。利用干法成网，再结合针刺固结；或使用梳理成网和气流成网结合，配合化学黏合固结，都可制造出农用地膜，但是方法的选择应依据纤维成网的可行性，根据待加工植物纤维的表观特性、物理特征来判断。

2.2 后处理工艺

在地膜的成网成型加工过程中，厚度是相对而言比较容易控制的一项指标，而影响地膜使用品质的另外一些主要因素则是地膜的强度和透光性。由于原料和制作工艺的影响，普通的聚乙烯塑料薄膜所特有的强力和透明度是植物纤维地膜不能达到的。为了提高地膜的使用性能，可选择性地为其进行适当的后处理加工。

选择合适的透明剂对地膜进行浸渍或者涂布可以大幅度地提升地膜的透光性能，但同时也会对地膜的强度产生一定的负面影响，所以用量应严格控制。目前所采用的透明剂，多为氯化石蜡和液体石蜡[4]。

由于地膜在使用过程中历经风吹雨打，强度较低的地膜过早出现破裂会影响其保温、保墒作用，在地膜成型后对其进行施胶处理，可以增加纤维粘接点的强度，达到增强的目的。目前对于增强剂的研究也呈增多趋势，适当地使用增强剂不仅可以提高地膜的干湿强度，而且还对地膜的降解速度有一定的控制。天然的丝胶、明胶、丙烯酸酯、聚乙烯醇、壳聚糖和几种树脂都被作为增强剂进行了分析研究[13-15]。丝胶和明胶属于天然胶黏剂，虽然可完全降解，但是粘接性能稍弱。丙烯酸酯、聚乙烯醇、树脂类属于合成型胶黏剂，粘接力较强，使地膜的各项力学指标得到优化，但是其用量对地膜的降解性能仍有待继续研究。壳聚糖不仅具有良好的成膜性，可增强地膜的强度，同时它还具有抗菌作用，可以延长细菌对地膜的侵蚀时间，从而延长地膜的降解时间，实现地膜的降解过程可控。

3 地膜的性能及应用[4-15]

近年来有关植物纤维可降解地膜的研究表明，已有较多的植物纤维地膜研制成功，地膜的克重大多数集中在35～50g/m2，厚度则约从0.10mm到0.35mm不等。这些地膜的强力指标，如干、湿断裂强度，抗撕裂强度等，已基本能够满足使用要求。通过少量种植实验研究，透光性虽不及普通塑料薄膜，但是也没有对作物生长造成负面的影响，同时还减少了由于暴晒造成的烧苗现象。同时，由于采用非织造生产工艺，农膜即使经过了浸胶等后处理工序，仍然有较多的微孔存在，因此具有一定的透气透湿性能，在使用过程中能够减少膜内温度过高而顶部结露现象。

由于纤维素可被微生物、细菌和真菌侵蚀，发生生物物理降解和化学降解，因而使用周期过后，地膜可在自然环境下被降解。同时，部分在制膜过程中添加的助剂，含有对作物生长有益的元素，降解后化为有机废料，也可被土壤吸收，提高可种植性。

4 地膜存在的问题及发展趋势

植物纤维地膜的巨大优越性在于它的生物可降解性，同时实现了废弃资源再利用，资源优势互补。但是降解地膜的生产成本仍旧高于塑料薄膜，更适合于高附加值的作物，难于大范围地推广；同时，植物地膜的品质有待于继续提高，如何使地膜厚度、干湿强度和透明度等指标达到与塑料地膜相当的程度，对地膜的降解速度进行有效控制，目前还没有得到很好的解决，大部分研究仍处在实验室阶段。

不可否认的是，可降解材料仍然是环节日益严重的“塑料垃圾问题”的有效途径。成本和品质决定了降解地膜的推广使用，如何降低原料的价格，开发出新的适宜生产推广的加工方法，仍是目前研究工作的重心。

[1] 刘容德,张桂云,史贞.我国降解地膜的发展动态[J].齐鲁石油化工,1996, (4):322—324.

[2] 鹿宝鑫,周睿,王霞.天然纤维基降解塑料地膜的现状与发展趋势[J].农机化研究,2008,(12):207—209.

[3] 李燕红.造成残膜污染的原因及解决途径[J].新疆农业科技，2007,(4):47.

[4] 高玉杰,谢来苏.纸基农用地膜的开发与应用[J].中国造纸，2002,(3):30—31.

[5] 黎先发.可降解地膜材料研究现状与进展[J].塑料,2004,33(1):76—81.

[6] 吕仕元,陆德生,王祖行等.自然降解农用棉短绒地膜的研制[J].产业用纺织品,2002，(2):13—17.

[7] 盛伟,罗军,葛明桥.纸基棉短绒地膜的研制与表征[J].产业用纺织品,2009，(3): 9—11.

[8] 周景辉,朱宏伟.环保型纸基麻地膜的试制[J].中国造纸学报,2003,18(2):101—105.

[9] 李志明,吴星娥,周景辉.红麻全杆地膜保温与降解应用试验[J].中国造纸,2004,23(8): 20—22.

[10] 王朝云,吕江南,欧阳清,等.环保型麻地膜的试制[J].纺织学报,2008,29(3): 42—46.

[11] 谬宏超,黄晨,张璐,等.稻草纤维和废蚕丝制作非织造布工艺的研究[J].安徽农学通报,2008, 14(8):82—84.

[12] 覃程荣,王双飞,宋海农.新型全降解地膜降解性能的研究[J].广西轻工业,2003,(1):10—13.

[13] 黄晨,方丽娜,韩晓建,等.丝胶浸渍棉质非织造地膜的制备与表征[J].纺织学报,2007,28(11): 52—56.

[14] 吴星娥,周景辉.不同湿强剂对红麻全杆地膜湿强性能比较[J].纸和造纸,2005,(1):43—45.

[15] 覃程荣,王双飞,宋海农.新型全降解地膜降解性能的研究[J].广西轻工业,2003,(1):10—13.