紡織品洗滌過程中纖維微塑料的形成因素分析

崔玉蓮， 劉 紅

(青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 山東 青島 266071)

自20世紀(jì)50年代以來，全球塑料產(chǎn)量以年均9%的速度增長。1950年的基礎(chǔ)產(chǎn)量為170萬t[1]，到2019年，已達到3.68億t，但被處理或二次利用的廢棄塑料僅占20%[2]。各種廢棄塑料經(jīng)分解轉(zhuǎn)化成微塑料，通過眾多途徑進入不同環(huán)境中并以一定形式存在，因微塑料具有表面粗糙、體積較小、多孔等特征，使其可附著多種重金屬元素，進一步加強了重金屬污染物的毒性[3]，對生態(tài)安全構(gòu)成潛在威脅。Rochman等研究發(fā)現(xiàn)，微塑料極易通過食物鏈在生物體內(nèi)累積,當(dāng)其攝入量達到一定限度時，將對生物進食器官產(chǎn)生機械損傷，或引起虛假飽食感等物理毒害作用[4]。Browne等研究發(fā)現(xiàn)，紫貽貝在微塑料污染水體中暴露 48 h后，其血淋巴中檢測出微塑料[5]，致使濾食效率降低。塑料顆粒中的多溴聯(lián)苯醚、雙酚 A、鄰苯二甲酸酯等增塑劑，被攝入后能改變機體內(nèi)分泌功能，影響生殖和發(fā)育[6]。當(dāng)烴類、有機氯農(nóng)藥、重金屬等持久性有機污染物與微塑料共存時，能改變污染物的毒性效應(yīng)[7]，對生物產(chǎn)生復(fù)合作用機制。斑馬魚經(jīng)聚乙烯微球與銀復(fù)合暴露后，其腸道內(nèi) Ag 的含量增加[8]；Rochman等研究表明，日本青鳉長期暴露于攜帶內(nèi)分泌干擾物質(zhì)的微塑料中，其機體會受到一定的影響，表現(xiàn)在雄魚的生殖細(xì)胞增殖異常，雌魚的基因表達能力下降[9]。此外，微塑料與芘結(jié)合可抑制蝦虎魚乙酰膽堿酯酶(AChE)的活性，而這種酶是生物神經(jīng)傳導(dǎo)中的一種關(guān)鍵性酶，參與細(xì)胞的發(fā)育和成熟，可保證神經(jīng)信號在生物體內(nèi)的正常傳遞[10]，其活性降低可導(dǎo)致機體代謝紊亂，最終死亡。基于微塑料特征及危害，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署在2014 年將其列為十大新興重要污染物之一[11]。纖維微塑料和微塑料是有差異的[12]，Ziajahromi等研究發(fā)現(xiàn)纖維微塑料對水蚤的毒性效應(yīng)比微珠更大[13]，纖維微塑料使草蝦的死亡率顯著高于微塑料球體或碎片。人體若長期接觸纖維微塑料會導(dǎo)致各種健康問題[14]。因紡織行業(yè)與水體有眾多連接，合成纖維有多種途徑進入水環(huán)境。據(jù)估計，洗滌合成纖維紡織品釋放的纖維微塑料占環(huán)境纖維微塑料來源的34.8%[15]，而且隨著消費量的持續(xù)增長，這一數(shù)字還會進一步上升。為此，本文通過對紡織品生產(chǎn)及洗滌過程纖維微塑料形成因素分析，探討了洗滌過程纖維微塑料脫落機制，并總結(jié)了纖維微塑料的有效防治措施。

1 纖維微塑料定義

微塑料的定義在初期存在眾多爭議，湯普森等在《科學(xué)》中首次提出微塑料的概念，且由于微塑料在海洋環(huán)境中的廣泛存在及對生物產(chǎn)生的各種確定和不確定的危害，得到廣泛關(guān)注[16]。2008—2009年美國國家海洋和大氣管理局將其定義為直徑小于5 mm的塑料碎片，之后又被定義為直徑在0.06～0.5 mm之間的顆粒[17]。最終，直徑小于5 mm這一定義被Kellyn等眾多學(xué)者[18-20]認(rèn)同并投入研究，目前一般統(tǒng)一為其直徑小于5 mm。

纖維微塑料是微塑料的一種重要存在形態(tài)，主要是指長度小于5 mm且具有高長徑比的纖維狀塑料碎片。纖維微塑料的這一定義是與微塑料定義達成一致性的重要補充，對后續(xù)微塑料污染的研究有一定的指導(dǎo)作用[21]。

2 纖維微塑料來源

環(huán)境中的微塑料按來源可分為：初級微塑料、次級微塑料。初級微塑料是直接釋放到環(huán)境中直徑小于5 mm的所有塑料，包括從紡織品脫離的纖維微塑料，化妝品或洗護產(chǎn)品中產(chǎn)生的微珠和其他塑料顆粒[22]。而次級微塑料主要是來自于大塊塑料制品，包括塑料瓶、漁網(wǎng)、塑料袋等經(jīng)過光照射、物理、生物裂解，最終碎裂成小于5 mm的塑料微粒，如圖1所示。每年約有1 220萬t塑料進入海洋環(huán)境，其中80%的來自陸地[23]，中國被稱作是從陸地流入海洋的塑料垃圾最大源頭國，有研究發(fā)現(xiàn)其排放總量占到 192個沿海國家和地區(qū)的近三分之一，表1示出我國主要河流微塑料的分布、數(shù)量、粒徑[24]。

圖1 微塑料來源Fig.1 Sources of microplastics

表1 我國沿海、河口以及內(nèi)陸水域微塑料的分布、豐度、粒徑Tab.1 Distribution, abundance and particle size of microplastics in coastal, estuarine and inland waters of China

由表1可看出微塑料已普遍存在于我國河口、內(nèi)陸淡水環(huán)境、沿岸的海水。Browne 等發(fā)現(xiàn)海岸線沉積物樣品與污水處理廠廢水中提取的纖維微塑料主要成分相同[25]，說明海洋中現(xiàn)存的大量纖維微塑料可能與人類生活排放的污水有關(guān)。因纖維微塑料數(shù)量和尺寸限制，不能完全被廢水處理廠截留[26]。許多研究表明，初級、二級污水處理工藝可去除90%以上的微塑料，而三級處理中的微塑料去除率則受技術(shù)影響，通過調(diào)查34個污水處理廠的三級處理工藝:膜微濾、連續(xù)反沖上流雙砂微濾和快速砂濾器等，發(fā)現(xiàn)三級處理并不能顯著提高微塑料的去除[27]。經(jīng)世界自然保護聯(lián)盟評估，洗滌合成纖維紡織品釋放的微塑料約占海洋中初級微塑料的三分之一[28]，然而這一估計只包括洗滌釋放的初級微塑料，生產(chǎn)和穿著過程中釋放到大氣環(huán)境中的纖維微塑料并沒有包括在內(nèi)。

3 紡織品生產(chǎn)過程纖維微塑料的形成

紡織品生命周期的所有階段都會產(chǎn)生纖維微塑料并散落到環(huán)境中[29]。纖維成紗和織造過程中的梳理、牽伸、后整理等對纖維/紗線造成損傷，形成纖維微塑料。紡織廠設(shè)有專門的通風(fēng)除塵系統(tǒng)，使得纖維、塵土通過管道進入空氣。Rachid Dris等研究表明，淡水和空氣中的纖維微塑料以天然纖維為主[30]，但其纖維表面包覆的染料和阻燃劑等化工助劑可能對生態(tài)系統(tǒng)和人類存在潛在影響。Swerea IVF對整個生產(chǎn)過程提出了4種減少纖維脫落的措施：減少刷毛，避免刺輥對織物產(chǎn)生深度傷害，進而脫落更多纖維；生產(chǎn)過程中采用超聲波切割，脫毛率可減少50%；在運輸產(chǎn)品之前，先清除現(xiàn)存纖維；回收聚酯等合成紡織品再次利用[31]。

服裝護理過程也會產(chǎn)生一定量的纖維微塑料，Yang等使用滾軸干燥循環(huán)裝置烘干織物，纖維微塑料釋放量增加3.5倍[32]。在洗衣機中洗滌1件衣服，會導(dǎo)致100～1 000根纖維微塑料脫落，洗滌時纖維微塑料釋放量增加[33]，據(jù)挪威環(huán)境署報告，家庭衣物洗滌每年要排放600 t污水[34]，紡織品洗滌中脫落的纖維作為水環(huán)境中重要的纖維微塑料來源，必然引起人們的關(guān)注。

4 紡織品洗滌過程纖維微塑料的形成

4.1 紡織品參數(shù)對纖維微塑料形成的影響

4.1.1 纖維種類

纖維種類會影響纖維微塑料的形成，研究發(fā)現(xiàn)洗滌1件660 g的滌綸織物可脫落220～260 mg的纖維[35]，而棉纖維織物在洗滌過程中脫落的纖維更多[36]。Francesca等發(fā)現(xiàn)空氣和水體中天然纖維量分別占97%和80%[37]，主要原因是滌綸高度結(jié)晶，在水中不易明顯膨脹和斷裂。

4.1.2 纖維及紗線結(jié)構(gòu)

纖維長度越短，紗線捻度越低(在一定范圍內(nèi))，纖維遷移到紗線表面的可能性越高，在洗滌過程中纖維微塑料的釋放量越多[38]。滌綸長絲機織物是由連續(xù)長絲織造而成，隨捻度增加，紗線內(nèi)部纖維滑移阻力和彈性增大，紗線結(jié)構(gòu)更緊湊;而棉紗是短纖維紗線，長度不勻率大，纖維滑脫根數(shù)越多，棉紗表面毛羽則越多，在洗滌過程中會受到不同程度的拉伸，造成纖維脫落,如圖2[39]所示。表現(xiàn)在分子水平上：非晶區(qū)大分子受到拉伸，鍵長鍵角相應(yīng)變大，另有分子被拉斷甚至抽拔出來，最終大分子受力不均發(fā)生相對滑脫直至斷裂。

圖2 棉紗和滌綸紗光學(xué)顯微鏡圖像Fig.2 Optical microscope image of cotton yarn (a) and polyester yarn (b)

4.1.3 織物結(jié)構(gòu)

織物結(jié)構(gòu)也是影響纖維微塑料脫落的一個重要因素[40]。機織物結(jié)構(gòu)比針織物更緊密，產(chǎn)生的纖維微塑料較少。平紋織物在經(jīng)緯密度較高時不易抽離，因其交織點相對較多，附著在織物中的纖維非常牢固，纖維間空隙狹小；緞紋織物也是在經(jīng)緯密度較高時釋放到大氣環(huán)境中纖維量最少，但相比于平紋織物更容易產(chǎn)生纖維微塑料；斜紋織物在經(jīng)緯密度適中時脫落纖維量最少。因為織物組織結(jié)構(gòu)影響織物平整度和手感，織物洗滌時存在的摩擦力大小又受表面平整度影響，耐磨性低、毛羽量高、紗線斷裂強度低的織物在機械洗滌過程中起毛和釋放纖維微塑料的傾向較高，斷裂的纖維會在織物表面形成一層短小的茸毛，在洗滌中受到各種機械力，附著織物能力不斷變小，最終脫落。針織物纖維微塑料的產(chǎn)生與組織的關(guān)系也很密切，其基本規(guī)律與機織物相同。

4.2 洗滌條件對纖維微塑料形成的影響

4.2.1 洗衣機種類

洗衣機按結(jié)構(gòu)和洗滌方式分為滾筒洗衣機和波輪洗衣機，Hartline等采用Wilcoxon秩和檢驗比較滾筒洗衣機和波輪洗衣機洗滌脫落總纖維的質(zhì)量中位數(shù)，發(fā)現(xiàn)波輪洗衣機纖維微塑料脫落量更大[41]，是滾筒洗滌纖維微塑料脫落量的5.3倍，因波輪的水流旋轉(zhuǎn)力度大，產(chǎn)生巨大的沖擊力，增強了織物間的摩擦，衣物磨損產(chǎn)生的纖維微塑料更多。污水處理廠設(shè)備雖能過濾掉一部分洗衣廢水產(chǎn)生的纖維微塑料，但還是有約40%會流入天然水體中[42]。研發(fā)家庭洗衣機纖維微塑料過濾器對阻止纖維微塑料進入自然界至關(guān)重要。

4.2.2 洗滌參數(shù)

Fontana等研究發(fā)現(xiàn)纖維素織物在洗滌過程中隨著洗滌溫度的升高釋放纖維微塑料的質(zhì)量有所增加，從本質(zhì)上來說，水對纖維素纖維的溶脹作用隨溫度的升高而增強，膨脹的織物表面積增大，受洗滌過程中剪切力的作用，絨毛加速形成，產(chǎn)生更多的纖維微塑料脫落。聚酯纖維不易膨脹，在較高溫度下產(chǎn)生的纖維微塑料變化相對較小[43]。

所有類型織物洗滌過程均釋放纖維微塑料，且隨著洗滌循環(huán)次數(shù)的增加，纖維微塑料的釋放量呈下降趨勢。初期纖維微塑料釋放量大主要源于織物或紗線內(nèi)已存在的斷裂纖維。

在水洗色牢度測試實驗中，Zambrano等發(fā)現(xiàn)每件織物產(chǎn)生的纖維微塑料都要大于家庭洗滌實驗脫落數(shù)量，脫落的纖維微塑料質(zhì)量大約是家庭洗滌的40倍，對于不同的纖維集合體纖維微塑料脫落的規(guī)律都普遍一致[43]。造成此結(jié)果的原因是由于洗衣機轉(zhuǎn)速加快，衣物間的摩擦作用、機械作用也會相應(yīng)增大。對于滾筒洗衣機，筒內(nèi)水量越高，脫落的纖維微塑料量越大[44]，降低水量，可減少纖維微塑料的排放。

Napper等研究發(fā)現(xiàn)洗滌劑的使用對纖維微塑料釋放量有顯著影響[45]。洗滌劑降低了纖維間的抱合力，因此加入洗滌劑，纖維微塑料釋放量增多；但實際上關(guān)于洗滌劑對纖維微塑料釋放的作用機制尚不明確。

4.3 纖維微塑料的防治措施

有文獻研究發(fā)現(xiàn)在洗衣過程中加入助劑為纖維提供物理保護，可降低摩擦因數(shù)，降低纖維磨損[46]。文獻[47]在不同的紗線等材料上涂覆了不同的涂層，以硅乳液和丙烯酸樹脂為基礎(chǔ)的整理能夠降低洗滌過程中纖維微塑料的釋放,但是影響降解。以天然來源的殼聚糖和果膠為原料開發(fā)的涂料，具有無毒、生物相容性好和完全可生物降解等優(yōu)點，取得了良好的效果，但仍需進一步的優(yōu)化研究。

5 洗滌過程纖維微塑料形成機制

5.1 初生纖維微塑料

初生纖維微塑料是在生產(chǎn)、加工過程中，從纖維材料釋放或脫落的長度小于5 mm的合成纖維。Edgar等研究發(fā)現(xiàn)，纖維微塑料有2種脫落形式，從織物表面脫落和從織物的剪裁邊脫落，織物生產(chǎn)過程中2種脫落行為并存，因織物的包邊設(shè)計，日常使用過程中表面脫落行為居多。在洗滌初始階段，脫落形式大部分為織物中浮游纖維的脫落。纖維微塑料的釋放量很大程度上取決于纖維、紗線和織物的加工過程[48-49]。正如Belzagui等所述生產(chǎn)階段未及時脫離織物的纖維微塑料，即初生纖維微塑料，不能被忽視[50],見圖3。

圖3 織物洗滌過程纖維微塑料脫落途徑Fig.3 Ways of microfiber shedding during fabric washing

5.2 次生纖維微塑料

次生纖維微塑料是因織物紗線在使用過程中受到外力作用彎曲、拉長形成損傷，紗線表面形成毛羽斷裂脫落而成。在日常穿著和使用過程中，松散的纖維會從紡織品表面伸出，然后在洗衣機洗滌過程中存在衣物與衣物間、衣物與筒壁間、衣物與水間多種摩擦力及水流作用力等機械力[51]，這些纖維受力而斷裂。對于家庭滾筒洗衣機，當(dāng)衣物被放入筒內(nèi)，因慣性作用，衣物運動緩慢，加強了衣物和水的接觸面積，衣物因與水流產(chǎn)生速度差做變形運動，纖維彎曲、伸長最終形成損傷而斷裂。衣物間存在的摩擦，致使衣物與污漬間發(fā)生相對運動，促進污垢脫離衣物表面，同時纖維微塑料在力學(xué)作用下脫落。

衣物間的摩擦力對去除衣物表面污漬效果最顯著，但對衣物的磨損也最大，摩擦力造成的損傷大體可分為2種類型：淺表性損傷和脫色性損傷。淺表性損傷是因洗滌摩擦力較大致使衣物表面紗線中纖維開散成為極其細(xì)微的毛羽從而脫落，來不及脫落的纖維會形成小球，在力學(xué)作用下脫落，這過程中會抽離出一定量的毛羽，摩擦力極易使其斷裂，從而加速了纖維微塑料的形成，主要出現(xiàn)在較柔軟的一些精細(xì)面料上。脫色性損傷發(fā)生在經(jīng)長時間洗滌的衣物上，表面顏色發(fā)白，甚至磨破，磨破處纖維極易脫散，這類損傷發(fā)生在硬挺型面料衣物上。所以纖維微塑料的脫落能力主要取決于絨毛的形成，以及在形成毛球之前，這些纖維在洗衣機外力作用下斷裂的難易程度。雖然單次洗滌中次生纖維微塑料對環(huán)境中纖維微塑料量的貢獻率較低，但紡織品不是一次性用品，應(yīng)從源頭上加以控制，減少不必要的洗滌次數(shù)。

6 結(jié)束語

本文系統(tǒng)地綜述了纖維微塑料的潛在來源，總結(jié)了纖維、紗線、織物、后整理層面影響纖維微塑料釋放的因素。通過解析洗滌參數(shù)對纖維微塑料脫落的影響，分析了纖維微塑料形成機制：初生纖維微塑料和次生纖維微塑料產(chǎn)生條件。提出了紡織行業(yè)微塑料污染的未來研究目標(biāo)：1)明確不同類型纖維集合體纖維微塑料產(chǎn)生機制，表征手段及對環(huán)境負(fù)荷研究；2)通過洗滌，烘干程序優(yōu)化及過濾處理技術(shù)，從源頭上杜絕微塑料的排放；3)細(xì)化服裝纖維微塑料尺寸可持續(xù)性指標(biāo)。目前，對于來自洗滌過程的纖維微塑料仍然缺乏全面的了解，盡管服裝的綠色洗滌越來越受關(guān)注，對于消費者而言，最好的解決辦法仍然是呼吁大眾向綠色洗滌習(xí)慣的轉(zhuǎn)變，減少能源消耗和水消耗、減少纖維脫落。

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