可沖散濕巾的發(fā)展概述*

林 祥 金振宇 孟 凱 張同華 趙薈菁， 4

1. 蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215123；

2. 西南大學(xué)紡織服裝學(xué)院，四川 重慶 400715；

3. 重慶市生物質(zhì)纖維材料與現(xiàn)代紡織工程技術(shù)研究中心，四川 重慶 400715；

4. 南通紡織絲綢產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，江蘇 南通226001

用即棄衛(wèi)生用品如濕廁紙、嬰兒尿不濕、女性衛(wèi)生護(hù)墊、醫(yī)用敷料等在廢棄物處理方面存在許多問題，它們無法像干廁紙一樣能順利通過馬桶及污水處理設(shè)施[1-3]，會(huì)給垃圾處理及環(huán)境造成較大的壓力。1980年，斯科特紙業(yè)公司(美國)推出了第一款基于尺寸設(shè)計(jì)的可沖散濕巾。它是一類利用非織造方法制備的一次性用品，可完全分散于水中，并能生物降解。它能與現(xiàn)有的污水輸送、處理、再利用和沉降系統(tǒng)兼容，可作為廁紙垃圾較方便地進(jìn)行處理。隨后，一系列的可沖散性產(chǎn)品相繼出現(xiàn)，市場占有率逐年增大[4-5]。其中，帶有“可沖散”標(biāo)簽的一次性擦拭產(chǎn)品因方便、環(huán)保，獲得的關(guān)注度不斷提高。全球各國相繼投入了人力和財(cái)力加以研發(fā)，與可沖散相關(guān)的技術(shù)及產(chǎn)品的專利逐年增多。截至2019年11月25日，美國與可沖散相關(guān)的專利數(shù)量遙遙領(lǐng)先于其他國家[圖1a)]；此外，全球非織造企業(yè)也逐漸加大了產(chǎn)品中可沖散產(chǎn)品的比例，這點(diǎn)從各大企業(yè)申請(qǐng)專利的數(shù)量中可見一斑[圖1b)]。

圖1 與可沖散相關(guān)的技術(shù)及產(chǎn)品的專利數(shù)量(專利檢索及分析系統(tǒng)，檢索關(guān)鍵詞——Flushable)

通常，可沖散性包括沖出性、分散性和生物可降解性等[6]。沖出性是指產(chǎn)品在通過整個(gè)污水處理設(shè)施時(shí)不產(chǎn)生堵塞、損壞設(shè)施等問題[7]；分散性是指產(chǎn)品在水中能實(shí)現(xiàn)一定程度的分散；生物可降解性是指產(chǎn)品沖出后，經(jīng)過一段時(shí)間可徹底降解，不會(huì)威脅生態(tài)環(huán)境。

1 可沖散濕巾的制備過程

相比傳統(tǒng)的紡織技術(shù)，非織造技術(shù)工藝流程短，生產(chǎn)效率高，更適合用即棄產(chǎn)品的生產(chǎn)[8-9]。非織造技術(shù)生產(chǎn)可沖散濕巾產(chǎn)品一般包括四個(gè)步驟：纖維原料的選擇、成網(wǎng)、加固及功能性整理[10]。

1.1 纖維原料的選擇

可沖散濕巾的纖維原料要求不但具有強(qiáng)吸水性，還應(yīng)具有可降解性，故多采用纖維素纖維。纖維素纖維根據(jù)來源可分為兩類——天然纖維素纖維(如從木材中提取的木漿纖維)和再生纖維素纖維(如黏膠纖維、Tencel?等)。

1.1.1 天然纖維素纖維

在天然纖維素纖維中，木漿纖維是生產(chǎn)可沖散濕巾的最理想的原料之一，其具有良好的吸水性，且價(jià)格低廉。濕巾產(chǎn)品除了要求具有可沖散性外還應(yīng)具有一定的濕態(tài)強(qiáng)度。短纖維能提供良好的分散性，較長纖維能提供足夠的濕態(tài)強(qiáng)度，故可沖散濕巾會(huì)采用不同長度及不同配比的纖維原料生產(chǎn)。單個(gè)非織造可沖散濕巾產(chǎn)品中，木漿纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可高達(dá)70%以上[11-12]。另外，濕法成網(wǎng)時(shí)纖維長度需控制在12.0 mm以下。

鐘翠[13]探討了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的黏膠纖維和木漿纖維水刺加固后制得的可沖散濕巾的沖散性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)黏膠纖維長度在10.0 mm左右、木漿纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)在50%～60%時(shí)，濕巾具有優(yōu)異的分散性及力學(xué)強(qiáng)度。Zhang等[14]探究了以木漿纖維和Danufil?纖維為原料的濕巾性能，發(fā)現(xiàn)提高Danufil纖維的長徑比或質(zhì)量分?jǐn)?shù)后，濕巾的濕態(tài)強(qiáng)度提升，但分散性下降。

此外，在木材資源匱乏的亞洲和東歐等地區(qū)，非木材類植物纖維也可作為木漿纖維的替代品，用于可沖散濕巾的生產(chǎn)。植物纖維主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等構(gòu)成，且各組分含量因原料不同而存在差異。例如，棉纖維中纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎占到100%，麻纖維中纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)多分布在60%～80%，竹纖維、椰殼纖維中纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在50%左右[15]。這些非木材類植物纖維經(jīng)備料、蒸煮等工序加工后，可獲得滿足可降解需求的可沖散濕巾用原料[16-17]。

1.1.2 再生纖維素纖維

具有代表性的再生纖維素纖維有普通黏膠纖維、高濕模量人造絲及高韌性人造絲等。其中，普通黏膠纖維的濕模量在1.0 cN/dtex左右，濕態(tài)力學(xué)性能較差，而高濕模量人造絲及高韌性人造絲能提供足夠的濕態(tài)強(qiáng)度，故后兩者常被用于制備可沖散濕巾。如：Lenzing(蘭精)集團(tuán)生產(chǎn)的莫代爾纖維屬高濕模量人造絲，其干態(tài)和濕態(tài)拉伸強(qiáng)度分別在3.4～3.6 cN/dtex和1.9～2.1 cN/dtex； Glanzstoff Industries(格蘭茨斯托夫工業(yè)制品)公司生產(chǎn)的Viscont?HT屬高韌性人造絲，其干態(tài)拉伸強(qiáng)度達(dá)4.0～4.2 cN/dtex，濕態(tài)拉伸強(qiáng)度大于2.0 cN/dtex[18]。

另外，一些差別化黏膠纖維也可用作可沖散濕巾的原料，如Tencel、 Danufil、 Viloft?等高濕強(qiáng)改性短切纖維，可作為增強(qiáng)相為濕巾提供足夠的濕態(tài)強(qiáng)度。其中，Tencel短切纖維的干、濕態(tài)拉伸強(qiáng)度分別能達(dá)到4.2 cN/dtex和3.6 cN/dtex，用其制成的濕巾抗撕裂性能遠(yuǎn)高于其他常規(guī)材料。Kaplan等[19]探究了不同質(zhì)量配比的Tencel/黏膠纖維濕巾的吸水性，發(fā)現(xiàn)隨著Tencel質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，濕巾的吸液能力提高，說明Tencel較普通黏膠纖維更適合于可沖散性濕巾的生產(chǎn)。Deng等[20]制備的木漿纖維/Tencel濕巾的吸水率高達(dá)(932.3%±1.2%)，主體分散率高達(dá)(67.6%±4.7%)。Zhang等[21]研究了不同短切纖維制備的濕巾材料的濕態(tài)強(qiáng)度和分散性，指出濕巾材料的濕態(tài)強(qiáng)度和分散性主要取決于短切纖維的彎曲剛度、接觸面積及濕態(tài)抗拉強(qiáng)度，并發(fā)現(xiàn)在Danufil、 Viloft、 Lyocell及親水聚酯纖維這4種短切纖維中，Lyocell是最適合用作木漿復(fù)合水刺濕巾的增強(qiáng)材料。

還有研究指出，再生纖維素纖維的截面形態(tài)會(huì)影響濕巾的分散性能，如含扁平黏膠纖維的水刺可沖散濕巾的分散性比含圓形黏膠纖維的更好[22]。

也有研究指出，利用高性能黏膠纖維及差別化黏膠纖維制成的濕巾，雖然濕態(tài)強(qiáng)度高，但分散后易再次聚集于污水系統(tǒng)的篩網(wǎng)等設(shè)備上，會(huì)造成堵塞。所以，由美國、加拿大等7個(gè)國家建立的國際水利服務(wù)可沖散性小組(International Water Services Flushability Group，簡稱IWSFG)提出的準(zhǔn)則認(rèn)為，再生纖維素纖維可能會(huì)損害污水處理設(shè)施。

1.2 成網(wǎng)

濕巾用非織造布的成網(wǎng)方法可分為干法成網(wǎng)、濕法成網(wǎng)和聚合物擠壓成網(wǎng)三大類[23]，但是這三類成網(wǎng)方法并不全部適用于可沖散濕巾的制備。

干法成網(wǎng)又分為機(jī)械梳理成網(wǎng)和氣流成網(wǎng)。其中，機(jī)械梳理成網(wǎng)的對(duì)象為長絲如人造長絲、化纖長絲等，而可沖散濕巾要求纖網(wǎng)中應(yīng)含有足夠量的超短纖維，長絲的存在不利于濕巾的沖散，故機(jī)械梳理成網(wǎng)只適合普通濕巾的生產(chǎn)。氣流成網(wǎng)可加工長度小于4.0 mm的木漿纖維和長度不超過38.0 mm的差別化黏膠纖維，其具有原料混合靈活、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，可用于可沖散濕巾的成網(wǎng)，所得纖網(wǎng)柔軟且吸濕性強(qiáng)。

濕法成網(wǎng)包括3個(gè)階段，分別是纖維原料的分散、纖網(wǎng)成型及烘干。其中，纖維原料在水中的分散狀況直接決定了濕法成網(wǎng)的品質(zhì)，其受纖維長度、線密度、表面活性劑等材料參數(shù)，以及分散時(shí)間、攪拌速度等機(jī)械參數(shù)影響[24]。合理運(yùn)用表面活性劑可顯著改善疏水類纖維與水的表面接觸角，提高纖維的分散性及潤濕性。

聚合物擠壓成網(wǎng)多以熱塑性聚合物為原料，因此不適用于含纖維素纖維的可沖散濕巾的成網(wǎng)。

目前，干法成網(wǎng)中的氣流成網(wǎng)和濕法成網(wǎng)是可沖散濕巾的主流成網(wǎng)方法。

1.3 加固

纖網(wǎng)加固是生產(chǎn)可沖散濕巾基布的關(guān)鍵步驟，熱黏合法和化學(xué)黏合法是較常采用的加固方法。由于僅含纖維素纖維的熱黏合纖網(wǎng)強(qiáng)度較低，故常在纖網(wǎng)表面浸漬輕質(zhì)泡沫乳膠，改善纖網(wǎng)的力學(xué)性能。化學(xué)黏合法則先將黏合劑以噴灑、浸漬、印花等方式施加到纖網(wǎng)中，再經(jīng)熱處理使水分蒸發(fā)，得到加固的纖網(wǎng)。常用的黏合劑類型有水溶性乳膠、活性固化樹脂、離子敏感黏合劑等。水溶性乳膠和活性固化樹脂在造紙工業(yè)中應(yīng)用較多。Kimberly-Clark(金佰利)公司和Air Products(空氣產(chǎn)品)公司在20世紀(jì)80年代就陸續(xù)推出了多種離子敏感黏合劑，用于開發(fā)離子觸發(fā)式的可沖散干濕巾。目前，一些專利指出，用苯甲酸、檸檬酸等有機(jī)酸類代替以往的觸發(fā)劑，可減少因使用NaCl等刺激性的無機(jī)鹽而造成的皮膚過敏性反應(yīng)[25-26]。

還有一些生產(chǎn)商傾向于使用水刺加固制造可沖散濕巾。水刺加固的優(yōu)勢是不添加化學(xué)黏合劑或熱黏合聚合物，其以物理的方法加固水刺布，產(chǎn)品通常具有吸濕性好、手感柔軟、力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，但水刺生產(chǎn)線投資成本較高，技術(shù)含量高。Voith(福伊特)公司、Trützschler(特呂茨勒)公司、Suominen(索米寧)公司都擁有類似的水刺復(fù)合技術(shù)非織造布生產(chǎn)線。

1.4 功能性整理

可沖散濕巾的功能性整理主要包括表面紋理處理和抗菌整理等。

清潔效果是用戶選擇濕巾時(shí)考慮的一項(xiàng)重要因素，合理安排濕巾的表面紋理可以提高濕巾吸附污垢的能力。非織造布經(jīng)熱刺針、帶紋理的轉(zhuǎn)鼓或水刺加工后，可在布面留下孔狀紋樣。其中，對(duì)于黏合劑加固的濕巾基布，熱刺針的反復(fù)刺穿可增強(qiáng)樹脂類黏合劑的交聯(lián)。PGI(普杰集團(tuán))在一項(xiàng)專利中利用延伸的纖維末端和線圈，在非織造布表面形成三維紋理，提高了濕巾對(duì)皮膚表面低黏度污物的吸附性[27]。

利用不同的抗菌整理劑整理非織造布，可制得不同的抗菌非織造布產(chǎn)品[28]。抗菌濕巾最早用于器械的清潔及病人創(chuàng)面的護(hù)理，如含有酒精或異丙醇或表面活性劑(季銨鹽、三氯生、三元胺類)的抗菌濕巾會(huì)抑制和殺滅非孢子形成的細(xì)菌，含有二氧化氯或過氧乙酸的濕巾會(huì)抑制孢子和未發(fā)育的病毒[29]。經(jīng)小分子殼聚糖水溶液浸潤的濕巾抑菌性能優(yōu)異，其對(duì)尋常性瘧原蟲、金黃色葡萄球菌和大腸埃希菌的抑菌率超過90%[30]。用于傷口敷料的醫(yī)用濕巾在負(fù)載Ag+和碘化物后，對(duì)不同的菌種有明顯的抑菌效果[31]。Devaki等[32]將蘭香和丁香的提取物復(fù)配成抗菌溶液，用于竹纖維濕巾的抗菌整理，發(fā)現(xiàn)所得濕巾抗菌效果良好。

理想的抗菌劑應(yīng)具有廣譜的抗菌效果，且無毒、無害。未來，草本植物抗菌劑在濕巾抗菌整理的應(yīng)用上將更具應(yīng)用價(jià)值。

2 可沖散產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)

常見的可沖散產(chǎn)品包括嬰兒濕巾、濕廁紙、醫(yī)用濕巾等。目前，許多濕巾通過減小尺寸實(shí)現(xiàn)可沖散性能。有專家指出，觸發(fā)式乳膠黏合布、HydraspunTM可沖散濕巾(索米寧公司生產(chǎn))、低強(qiáng)度水刺布及復(fù)合非織造布等總量占當(dāng)前可沖散產(chǎn)品市場的98%。其中，觸發(fā)式乳膠黏合布和Hydraspun可沖散濕巾被認(rèn)為是真正的可沖散產(chǎn)品。前者所用離子敏感黏合劑的使用效果與水的硬度、溫度密切相關(guān)，該產(chǎn)品分散速度通常較濕法水刺產(chǎn)品慢。后者約含80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的木漿纖維，其通過濕法成網(wǎng)、低強(qiáng)度水刺加固而成。2015年，索米寧公司推出了HydraspunTMPlus可沖散濕巾，其分散性是Hydraspun可沖散濕巾的3倍。

與單層非織造布相比，復(fù)合非織造布能以更低的成本獲得更好的耐磨性、吸濕性及濕態(tài)強(qiáng)度等。金佰利公司公開了一種吸收性物品，其底片就包含一種可生物降解且可沖散的膜材料[33]。Vogel等[34]嘗試構(gòu)建了一種點(diǎn)狀黏合的多層可分散濕巾，其先在兩層纖網(wǎng)的表面涂弱黏合劑，再以點(diǎn)狀隨機(jī)噴涂較強(qiáng)作用的黏合劑，這樣弱黏合區(qū)域確保了產(chǎn)品的可分散性。Strandqvist等[35]發(fā)現(xiàn)了以至少兩層水刺纖網(wǎng)生產(chǎn)可沖散濕巾的方法，所得產(chǎn)品層間以摩擦力和纖維表面與毛羽間的氫鍵相結(jié)合，不需要任何黏合劑。總之，復(fù)合結(jié)構(gòu)的纖網(wǎng)強(qiáng)度明顯高于單層纖網(wǎng)，故多層設(shè)計(jì)能夠在不添加石油基化纖的基礎(chǔ)上獲得更高的濕態(tài)強(qiáng)度。

將木漿纖維同聚酯纖維、黏膠纖維等共混，再以水刺纏結(jié)加固，是目前許多廠家制造帶有可沖散標(biāo)志的濕巾的主要方法。表1列舉了近10年國內(nèi)外關(guān)于可沖散濕巾及其他可沖散產(chǎn)品的專利，其中也包含了有關(guān)可沖散非織造布的生產(chǎn)技術(shù)。

表1 近10年國內(nèi)外公開的一些可沖散濕巾及其他可沖散產(chǎn)品的專利

3 可沖散濕巾的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)方法

可沖散性和可降解性是衡量可沖散濕巾質(zhì)量的重要指標(biāo)。自2000年開始，一些組織和公司就制定了不同的可沖散性和生物降解性測試方法。2003年， Procter & Gamble(寶潔)公司提出的ProtocolstoAssesstheBreakdownofFlushableConsumerProducts(《評(píng)估可沖水式消費(fèi)品分散性的協(xié)議》)[43]，對(duì)當(dāng)時(shí)濕巾可沖散性和生物降解性評(píng)估具有參考意義。

2005年，Little Rapids公司使用梅森盒子搖晃測試(Mason jar shake test)方法測量了濕巾的可沖散性[44]。其將尺寸為7.6 cm×7.6 cm的樣品放入裝有550 mL自來水的盒子中，再以2轉(zhuǎn)/s的速度旋轉(zhuǎn)盒子。若100轉(zhuǎn)后樣品分散為小塊，則認(rèn)為該濕巾具有可沖散性。2006年，Air Product公司采用水沖潰散(Snag-Breakup)試驗(yàn)、搖瓶分散試驗(yàn)、試管分散試驗(yàn)、抽水馬桶水沖試驗(yàn)測試了非織造布的可沖散性。2011年，高居義[45]將可沖散性測試總結(jié)為四大類——障礙阻力分散測試法、搖瓶測試法、量筒分散測試法、Hobar測試法。保潔公司的一種非織造布可分散技術(shù)[46]使用的即是Hobar測試法。2018年，美國非織造布協(xié)會(huì)(INDA)與歐洲非織造布協(xié)會(huì)(EDANA)發(fā)布了GuidelinesforAssessingtheFlushabilityofDisposableNowovenProducts(第四版《用即棄非織造產(chǎn)品可沖散性評(píng)估指南》,簡稱GD 4)，對(duì)可沖散產(chǎn)品的沖出性、可分散性、生物降解性提出了要求，并給出了7種測試方法，主要的測試方法及通過的條件見表2。

表2 GD 4涉及的主要測試方法及通過的條件

現(xiàn)有的可沖散產(chǎn)品和技術(shù)大多只針對(duì)可沖散性進(jìn)行測試，沒有完全根據(jù)GD 4的要求完成所有的7個(gè) 測試項(xiàng)目。如：Georgia-Pacific Nonwovens LLC(喬治亞太平洋非織造布有限公司)生產(chǎn)的一款可分散濕巾基布就是按FG502和FG505進(jìn)行了可分散性和生物降解性測試；Kimberly-Clark公司的多種可分散濕巾產(chǎn)品也是使用FG502測量了其分散性[47]。

2016年，IWSFG(國際水利服務(wù)可沖散性小組)發(fā)布了IWSFGPubliclyAvailableSpecification(《國際水利服務(wù)可沖散性小組公開規(guī)范》，簡稱IWSFG PAS)，該規(guī)范基于GD 4提出了5個(gè)測試項(xiàng)目。GD 4和IWSFG PAS測試項(xiàng)目的對(duì)比歸納于表3。相比GD 4，IWSFG PAS新增了纖維組成分析測試項(xiàng)目，對(duì)可沖散濕巾中塑料纖維的含量做出了明確規(guī)定，這對(duì)產(chǎn)品環(huán)境友好性提出了更高的要求。另外，IWSFG PAS使用了更符合室內(nèi)排污通路的分散性測試——PAS3-沉降盒潰散試驗(yàn)，提高了對(duì)可沖散產(chǎn)品分散性的要求，該方法與GD 4中的FG502測試方法的對(duì)比見表4。

表3 GD 4和IWSFG PAS測試項(xiàng)目對(duì)比

表4 FG502和PAS3分散性測試方法對(duì)比

目前，國際上承認(rèn)度較高的評(píng)價(jià)可沖散產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)是GD 4，該標(biāo)準(zhǔn)已在國際上得到了較大程度的認(rèn)可，只是該指南對(duì)下水道真實(shí)情況的模擬還有所欠缺。IWSFG發(fā)布的IWSFG PAS在GD 4的基礎(chǔ)上要求產(chǎn)品必須能1)迅速破碎成小塊；2)不可漂浮于水面；3)不可含有聚合物或再生纖維，只能含有在自然環(huán)境下易于降解的成分。相比GD 4，IWSFG PAS對(duì)可沖散產(chǎn)品所作要求的側(cè)重點(diǎn)不同。符合IWSFG PAS的產(chǎn)品可能不會(huì)對(duì)污水處理系統(tǒng)或處理廠造成損害。

此外，近五年還出現(xiàn)了許多關(guān)于可沖散性問題的報(bào)告、立法信息及文獻(xiàn)報(bào)道。2015年，比利時(shí)通過并實(shí)施了《可沖散性非織造產(chǎn)品評(píng)估指南》第三版(簡稱GD 3)。2017年，哥倫比亞特區(qū)政府?dāng)M議條例，實(shí)施了在2016年通過的NonwovenDisposableProductsActof2016(《2016非織造可處理產(chǎn)品法案》)。2019年，西班牙發(fā)布了一種標(biāo)注產(chǎn)品可沖散性的標(biāo)準(zhǔn)UNE149002，該標(biāo)準(zhǔn)引用了GD 4中的部分測試方法，對(duì)于不可沖散的產(chǎn)品也規(guī)定應(yīng)標(biāo)明INDA/EDANA倡導(dǎo)的“請(qǐng)勿沖散”等標(biāo)志。2019年4月，我國國家標(biāo)準(zhǔn)《一次性衛(wèi)生用非織造材料的可沖散性試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)》通過了專家審核[48]。

4 結(jié)語

當(dāng)前市售可沖散產(chǎn)品的研究多集中在濕巾領(lǐng)域，其他類別的可沖散產(chǎn)品作為一種高附加值的非織造產(chǎn)品，未來將具有很大的市場潛力和發(fā)展空間。

(1) 天然纖維素纖維對(duì)污水處理設(shè)施及環(huán)境的損害小于再生纖維素纖維和合成纖維，因此合理利用非木材植物纖維可能是可沖散濕巾今后的發(fā)展方向。

(2) 纖維的直徑和成網(wǎng)方式等對(duì)濕巾產(chǎn)品的沖散機(jī)制有顯著的影響，如何平衡可沖散濕巾的濕態(tài)強(qiáng)度與可沖散性，纖維基材與污水處理設(shè)施的兼容性等，仍將是重要的研究課題。

(3) 通過數(shù)學(xué)建模的方法深入研究濕巾使用后降解過程中遵循的規(guī)律和分散機(jī)理，將具有重要理論意義。

(4) 開發(fā)專業(yè)的測試儀器或設(shè)備，不斷完善可沖散性的測試方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。