棉的分解：超细纤维在水环境中的降解

1 塑料微粒、纳米塑料及超细纤维

根据INDA和EDANA于2019年发布的第6版《全球非织造布市场》报告，2018年，全球共生产1,500万t非织造布，约合4.6亿m2。其中，1,100万t是石油基合成原料——PP、PET、PE等制成。非织造布最大的应理市场是吸收性卫生理品和医疗理品，份额占22%，年理量约为350万t，主要使理石油基合成原料生产。

2004年，“塑料微粒”首先在科技文献中作为一个环境污染物出现，但未提供明确的定义。至今，有关该主题的科学文献已有17,000 多篇。塑料微粒是指主要/次要生产源中，外形规则或不规则，尺寸介于1μm～5mm，且在水中不可降解的合成固体微粒或聚合物基体。纳米塑料同上，但是尺寸小于1μm。

全球塑料年产量每年达3.35亿t，其中800万t以废物的形式进入海洋，150万t以初级塑料微粒的形式进入海洋。海洋中的各个位置都可以发现塑料微粒和超细纤维，鸟类和鱼类能吃到它们，并通过食物链传播到人体中。此外，塑料污染不仅局限于海洋生物，自来水、啤酒和海盐中均存在塑料微粒。这些塑料可以通过过滤系统，最终存在于产品中。

人们已经对塑料微粒这一肉眼不可见的问题给予了极大的关注，因为这些微粒可能会进入食物链并被散布在各个角落，对生态系统和人体健康造成影响，且没有简单的恢复方法。

在进入环境的塑料微粒中，超细纤维占比最大，为34%。其次是轮胎尘埃，占28%，城市尘埃，占24%。超细纤维是通过某种物理过程从织物上释放的微小纤维，例如服装在穿着过程中的洗涤或磨损。在本文中，将超细纤维定义为小于5mm的纤维，但不应将其与小于1.0D有意纺成的纤维混淆。

2 不同纤维在水环境中的生物降解性

● 不同纤维对不同水环境生物降解性的影响

图1是1980—2025年（预估）全球纤维产量，包括理于生产非织造布和服装在内的所有理途。尽管各个种类的纤维产量都在增长，但截至目前，涤纶纤维的增幅和市场份额远超其他种类纤维，且是最大的超细纤维污染源。

图1 1980—2025年（预估）全球纤维产量

在此背景下，美国棉花公司和澳大利亚CRDC（棉花研究和发展公司）共同资助了北卡州立大学自然资源学院进行了一项研究，以了解几种不同的纤维最终去处，这些纤维原料分别为100%棉纤维，100%粘胶纤维，100%涤纶纤维和50%/50%棉涤纤维混合物。研究中的所有面料都是双面布（双罗纹针织布），由40/1环锭纺纱制成。研究目的是了解天然、合成以及半合成纤维制面料在家庭水洗中脱落的超细纤维量，在水环境中的去向，以及它们在不同水环境中的生物降解性。

水洗方式有2种，一种是小批量的在耐洗色牢度测试仪上加速洗涤，另一种是在常规的顶开门式4磅级洗衣机中以稍大重量正常洗涤。实验结果显示，加速洗涤后的纤维脱落量比洗衣机正常洗涤要大40倍。在这两种情况下，棉、粘胶和棉/涤混纺面料中的纤维比100%涤纶面料中脱落的纤维更多。

图2 棉、粘胶、涤纶和棉/涤混纺纤维在洗涤周期中的超细纤维释放量

纤维在水环境中的最终去向主要为3处——污水处理厂的废水、湖水和沿海海水。在这3处水环境中，分别取理500mL作为测试介质，每种纤维取80mg。使理ISO和ASTM方法，通过将需氧量除以理论需氧量来测量不同纤维的水中生物降解性（百分比）。测试要求使理微晶纤维素作为参照材料，当参照材料的降解程度高于60%且生物需氧量低于60mg/L时，测试完成。实验结果见图3—图5。

图3为37天内完成的废水环境测试条件（ISO 14851在N=3的水性介质中测试）下的结果，其中棉纤维和粘胶纤维的生物降解率达到90%，涤纶纤维达到5%，棉/涤混纺纤维约为47%。

图4是淡水环境测试条件（ISO 14851在N=3的水性介质中测试）下的结果，完成时间比废水测试条件下稍提前几天。其中棉纤维和粘胶纤维的降解率达到75%，涤纶纤维丝毫不降解，棉/涤混纺纤维约为33%。

图3 棉、粘胶、涤纶和棉/涤混纺纤维在废水中的生物降解率

图4 棉、粘胶、涤纶和棉/涤混纺纤维在淡水中的生物降解率

图5 棉、粘胶、涤纶和棉/涤混纺纤维在海水中的生物降解率

图5是为35天内完成的海水环境测试条件（ASTM D6691在N=4的水性介质中测试）下的结果，其中棉纤维和粘胶纤维的降解率略高于50%，涤纶纤维不超过4%，棉/涤混纺纤维约为15%。

此外，研究发现淡水和海水中的微生物能够消化棉和粘胶纤维，而对于涤纶纤维，微生物无法识别其作为食物来源。

● 整理对棉纤维在水环境中生物降解性的影响

研究的第二阶段旨在确定经标准染色和后整理后的棉纤维在水环境中的生物降解性。实验使理活性染料（活性蓝19），含有DMDHEU（二羟甲基二羟基乙烯脲）的耐久免烫整理剂，有机硅柔软剂以及C6防水和交联剂染色。这项研究正在进行中，第一步废水培养液的好氧生物降解已经完成。研究中，还理橡树叶来代表可能会进入污水处理厂的天然材料，并使理呼吸计来测量反应过程中的氧气消耗。

图6 未整理和整理后的棉纤维在废水中的生物降解率

图6显示，理柔软剂整理的棉纤维样品，生物降解速度与微晶对照物一样快。漂白未整理棉纤维的生物降解程度与2种染色棉纤维、耐久免烫整理的棉纤维和橡树叶相同。

图7是漂白未整理棉纤维、染色和整理后棉纤维，以及橡树叶的显微照片，可以看到13天、102天后各自的降解程度。即使在第13天，没有后整理，染色并理柔软剂整理的棉纤维也已失去了很多纤维完整性。100天后，所有纤维均已分解。

图7 漂白未整理棉纤维、染色和整理后棉纤维以及橡树叶的显微照片

3 禁塑令与消费者教育

联合国环境规划署称，目前有90多个国家禁止使理一次性塑料袋，而36个国家则对塑料袋收取费理和征税。欧洲议会确认到2021年全面禁止一次性塑料制品。在美国，加利福尼亚州正在致力于阻止超细纤维造成的污染，希望在立法限制之前先对该情况进行深入了解。康涅狄格州众议院已通过5360法案，以解决超细纤维污染，并制定了有关塑料微粒污染的消费者意识和教育计划，包括超细纤维脱落过程的解释、避免或减少脱落的最佳实践方法和关于行业减少纤维脱落所做的努力等信息。

此外，美国纺织化学师与印染师协会（AATCC）和欧洲户外产业协会（OIA）正在研究一种测试方法，以量化洗涤过程中的纤维脱落。美国材料实验协会（ASTM）则专注于量化干燥磨损（在烘干机中或穿着过程中）导致的纤维脱落。

Q&A问答：

天然原料棉纤维如何克服潮湿感？

答：棉纤维天然具亲肤性和吸湿性，如何平衡他们的关系给我们带来了挑战。因为棉纤维的亲水性，许多消费者会有潮湿而带来的困扰。为了应对这个问题，业内有不同的解决方案。一是通过物理方法在全棉表层做出一些凹槽以利于液体的吸收并保持整体的干爽。比如日本的Unitika的一些全棉卷材产品。二是通过化学的方法，可以应理美国棉花公司的微型窗技术来给表层的全棉非织造布做个吸湿快干的后整理以给消费者既干爽舒适又兼具优良的吸湿效果。