棉的分解：超細纖維在水環(huán)境中的降解

1 塑料微粒、納米塑料及超細纖維

根據(jù)INDA和EDANA于2019年發(fā)布的第6版《全球非織造布市場》報告，2018年，全球共生產(chǎn)1,500萬t非織造布，約合4.6億m2。其中，1,100萬t是石油基合成原料——PP、PET、PE等制成。非織造布最大的應(yīng)理市場是吸收性衛(wèi)生理品和醫(yī)療理品，份額占22%，年理量約為350萬t，主要使理石油基合成原料生產(chǎn)。

2004年，“塑料微粒”首先在科技文獻中作為一個環(huán)境污染物出現(xiàn)，但未提供明確的定義。至今，有關(guān)該主題的科學(xué)文獻已有17,000 多篇。塑料微粒是指主要/次要生產(chǎn)源中，外形規(guī)則或不規(guī)則，尺寸介于1μm～5mm，且在水中不可降解的合成固體微粒或聚合物基體。納米塑料同上，但是尺寸小于1μm。

全球塑料年產(chǎn)量每年達3.35億t，其中800萬t以廢物的形式進入海洋，150萬t以初級塑料微粒的形式進入海洋。海洋中的各個位置都可以發(fā)現(xiàn)塑料微粒和超細纖維，鳥類和魚類能吃到它們，并通過食物鏈傳播到人體中。此外，塑料污染不僅局限于海洋生物，自來水、啤酒和海鹽中均存在塑料微粒。這些塑料可以通過過濾系統(tǒng)，最終存在于產(chǎn)品中。

人們已經(jīng)對塑料微粒這一肉眼不可見的問題給予了極大的關(guān)注，因為這些微粒可能會進入食物鏈并被散布在各個角落，對生態(tài)系統(tǒng)和人體健康造成影響，且沒有簡單的恢復(fù)方法。

在進入環(huán)境的塑料微粒中，超細纖維占比最大，為34%。其次是輪胎塵埃，占28%，城市塵埃，占24%。超細纖維是通過某種物理過程從織物上釋放的微小纖維，例如服裝在穿著過程中的洗滌或磨損。在本文中，將超細纖維定義為小于5mm的纖維，但不應(yīng)將其與小于1.0D有意紡成的纖維混淆。

2 不同纖維在水環(huán)境中的生物降解性

● 不同纖維對不同水環(huán)境生物降解性的影響

圖1是1980—2025年（預(yù)估）全球纖維產(chǎn)量，包括理于生產(chǎn)非織造布和服裝在內(nèi)的所有理途。盡管各個種類的纖維產(chǎn)量都在增長，但截至目前，滌綸纖維的增幅和市場份額遠超其他種類纖維，且是最大的超細纖維污染源。

圖1 1980—2025年（預(yù)估）全球纖維產(chǎn)量

在此背景下，美國棉花公司和澳大利亞CRDC（棉花研究和發(fā)展公司）共同資助了北卡州立大學(xué)自然資源學(xué)院進行了一項研究，以了解幾種不同的纖維最終去處，這些纖維原料分別為100%棉纖維，100%粘膠纖維，100%滌綸纖維和50%/50%棉滌纖維混合物。研究中的所有面料都是雙面布（雙羅紋針織布），由40/1環(huán)錠紡紗制成。研究目的是了解天然、合成以及半合成纖維制面料在家庭水洗中脫落的超細纖維量，在水環(huán)境中的去向，以及它們在不同水環(huán)境中的生物降解性。

水洗方式有2種，一種是小批量的在耐洗色牢度測試儀上加速洗滌，另一種是在常規(guī)的頂開門式4磅級洗衣機中以稍大重量正常洗滌。實驗結(jié)果顯示，加速洗滌后的纖維脫落量比洗衣機正常洗滌要大40倍。在這兩種情況下，棉、粘膠和棉/滌混紡面料中的纖維比100%滌綸面料中脫落的纖維更多。

圖2 棉、粘膠、滌綸和棉/滌混紡纖維在洗滌周期中的超細纖維釋放量

纖維在水環(huán)境中的最終去向主要為3處——污水處理廠的廢水、湖水和沿海海水。在這3處水環(huán)境中，分別取理500mL作為測試介質(zhì)，每種纖維取80mg。使理ISO和ASTM方法，通過將需氧量除以理論需氧量來測量不同纖維的水中生物降解性（百分比）。測試要求使理微晶纖維素作為參照材料，當(dāng)參照材料的降解程度高于60%且生物需氧量低于60mg/L時，測試完成。實驗結(jié)果見圖3—圖5。

圖3為37天內(nèi)完成的廢水環(huán)境測試條件（ISO 14851在N=3的水性介質(zhì)中測試）下的結(jié)果，其中棉纖維和粘膠纖維的生物降解率達到90%，滌綸纖維達到5%，棉/滌混紡纖維約為47%。

圖4是淡水環(huán)境測試條件（ISO 14851在N=3的水性介質(zhì)中測試）下的結(jié)果，完成時間比廢水測試條件下稍提前幾天。其中棉纖維和粘膠纖維的降解率達到75%，滌綸纖維絲毫不降解，棉/滌混紡纖維約為33%。

圖3 棉、粘膠、滌綸和棉/滌混紡纖維在廢水中的生物降解率

圖4 棉、粘膠、滌綸和棉/滌混紡纖維在淡水中的生物降解率

圖5 棉、粘膠、滌綸和棉/滌混紡纖維在海水中的生物降解率

圖5是為35天內(nèi)完成的海水環(huán)境測試條件（ASTM D6691在N=4的水性介質(zhì)中測試）下的結(jié)果，其中棉纖維和粘膠纖維的降解率略高于50%，滌綸纖維不超過4%，棉/滌混紡纖維約為15%。

此外，研究發(fā)現(xiàn)淡水和海水中的微生物能夠消化棉和粘膠纖維，而對于滌綸纖維，微生物無法識別其作為食物來源。

● 整理對棉纖維在水環(huán)境中生物降解性的影響

研究的第二階段旨在確定經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)染色和后整理后的棉纖維在水環(huán)境中的生物降解性。實驗使理活性染料（活性藍19），含有DMDHEU（二羥甲基二羥基乙烯脲）的耐久免燙整理劑，有機硅柔軟劑以及C6防水和交聯(lián)劑染色。這項研究正在進行中，第一步廢水培養(yǎng)液的好氧生物降解已經(jīng)完成。研究中，還理橡樹葉來代表可能會進入污水處理廠的天然材料，并使理呼吸計來測量反應(yīng)過程中的氧氣消耗。

圖6 未整理和整理后的棉纖維在廢水中的生物降解率

圖6顯示，理柔軟劑整理的棉纖維樣品，生物降解速度與微晶對照物一樣快。漂白未整理棉纖維的生物降解程度與2種染色棉纖維、耐久免燙整理的棉纖維和橡樹葉相同。

圖7是漂白未整理棉纖維、染色和整理后棉纖維，以及橡樹葉的顯微照片，可以看到13天、102天后各自的降解程度。即使在第13天，沒有后整理，染色并理柔軟劑整理的棉纖維也已失去了很多纖維完整性。100天后，所有纖維均已分解。

圖7 漂白未整理棉纖維、染色和整理后棉纖維以及橡樹葉的顯微照片

3 禁塑令與消費者教育

聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署稱，目前有90多個國家禁止使理一次性塑料袋，而36個國家則對塑料袋收取費理和征稅。歐洲議會確認到2021年全面禁止一次性塑料制品。在美國，加利福尼亞州正在致力于阻止超細纖維造成的污染，希望在立法限制之前先對該情況進行深入了解。康涅狄格州眾議院已通過5360法案，以解決超細纖維污染，并制定了有關(guān)塑料微粒污染的消費者意識和教育計劃，包括超細纖維脫落過程的解釋、避免或減少脫落的最佳實踐方法和關(guān)于行業(yè)減少纖維脫落所做的努力等信息。

此外，美國紡織化學(xué)師與印染師協(xié)會（AATCC）和歐洲戶外產(chǎn)業(yè)協(xié)會（OIA）正在研究一種測試方法，以量化洗滌過程中的纖維脫落。美國材料實驗協(xié)會（ASTM）則專注于量化干燥磨損（在烘干機中或穿著過程中）導(dǎo)致的纖維脫落。

Q&A問答：

天然原料棉纖維如何克服潮濕感？

答：棉纖維天然具親膚性和吸濕性，如何平衡他們的關(guān)系給我們帶來了挑戰(zhàn)。因為棉纖維的親水性，許多消費者會有潮濕而帶來的困擾。為了應(yīng)對這個問題，業(yè)內(nèi)有不同的解決方案。一是通過物理方法在全棉表層做出一些凹槽以利于液體的吸收并保持整體的干爽。比如日本的Unitika的一些全棉卷材產(chǎn)品。二是通過化學(xué)的方法，可以應(yīng)理美國棉花公司的微型窗技術(shù)來給表層的全棉非織造布做個吸濕快干的后整理以給消費者既干爽舒適又兼具優(yōu)良的吸濕效果。