纺织品洗涤过程中纤维微塑料的形成因素分析

崔玉莲， 刘 红

(青岛大学 纺织服装学院， 山东 青岛 266071)

自20世纪50年代以来，全球塑料产量以年均9%的速度增长。1950年的基础产量为170万t[1]，到2019年，已达到3.68亿t，但被处理或二次利用的废弃塑料仅占20%[2]。各种废弃塑料经分解转化成微塑料，通过众多途径进入不同环境中并以一定形式存在，因微塑料具有表面粗糙、体积较小、多孔等特征，使其可附着多种重金属元素，进一步加强了重金属污染物的毒性[3]，对生态安全构成潜在威胁。Rochman等研究发现，微塑料极易通过食物链在生物体内累积,当其摄入量达到一定限度时，将对生物进食器官产生机械损伤，或引起虚假饱食感等物理毒害作用[4]。Browne等研究发现，紫贻贝在微塑料污染水体中暴露 48 h后，其血淋巴中检测出微塑料[5]，致使滤食效率降低。塑料颗粒中的多溴联苯醚、双酚 A、邻苯二甲酸酯等增塑剂，被摄入后能改变机体内分泌功能，影响生殖和发育[6]。当烃类、有机氯农药、重金属等持久性有机污染物与微塑料共存时，能改变污染物的毒性效应[7]，对生物产生复合作用机制。斑马鱼经聚乙烯微球与银复合暴露后，其肠道内 Ag 的含量增加[8]；Rochman等研究表明，日本青鳉长期暴露于携带内分泌干扰物质的微塑料中，其机体会受到一定的影响，表现在雄鱼的生殖细胞增殖异常，雌鱼的基因表达能力下降[9]。此外，微塑料与芘结合可抑制虾虎鱼乙酰胆碱酯酶(AChE)的活性，而这种酶是生物神经传导中的一种关键性酶，参与细胞的发育和成熟，可保证神经信号在生物体内的正常传递[10]，其活性降低可导致机体代谢紊乱，最终死亡。基于微塑料特征及危害，联合国环境规划署在2014 年将其列为十大新兴重要污染物之一[11]。纤维微塑料和微塑料是有差异的[12]，Ziajahromi等研究发现纤维微塑料对水蚤的毒性效应比微珠更大[13]，纤维微塑料使草虾的死亡率显著高于微塑料球体或碎片。人体若长期接触纤维微塑料会导致各种健康问题[14]。因纺织行业与水体有众多连接，合成纤维有多种途径进入水环境。据估计，洗涤合成纤维纺织品释放的纤维微塑料占环境纤维微塑料来源的34.8%[15]，而且随着消费量的持续增长，这一数字还会进一步上升。为此，本文通过对纺织品生产及洗涤过程纤维微塑料形成因素分析，探讨了洗涤过程纤维微塑料脱落机制，并总结了纤维微塑料的有效防治措施。

1 纤维微塑料定义

微塑料的定义在初期存在众多争议，汤普森等在《科学》中首次提出微塑料的概念，且由于微塑料在海洋环境中的广泛存在及对生物产生的各种确定和不确定的危害，得到广泛关注[16]。2008—2009年美国国家海洋和大气管理局将其定义为直径小于5 mm的塑料碎片，之后又被定义为直径在0.06～0.5 mm之间的颗粒[17]。最终，直径小于5 mm这一定义被Kellyn等众多学者[18-20]认同并投入研究，目前一般统一为其直径小于5 mm。

纤维微塑料是微塑料的一种重要存在形态，主要是指长度小于5 mm且具有高长径比的纤维状塑料碎片。纤维微塑料的这一定义是与微塑料定义达成一致性的重要补充，对后续微塑料污染的研究有一定的指导作用[21]。

2 纤维微塑料来源

环境中的微塑料按来源可分为：初级微塑料、次级微塑料。初级微塑料是直接释放到环境中直径小于5 mm的所有塑料，包括从纺织品脱离的纤维微塑料，化妆品或洗护产品中产生的微珠和其他塑料颗粒[22]。而次级微塑料主要是来自于大块塑料制品，包括塑料瓶、渔网、塑料袋等经过光照射、物理、生物裂解，最终碎裂成小于5 mm的塑料微粒，如图1所示。每年约有1 220万t塑料进入海洋环境，其中80%的来自陆地[23]，中国被称作是从陆地流入海洋的塑料垃圾最大源头国，有研究发现其排放总量占到 192个沿海国家和地区的近三分之一，表1示出我国主要河流微塑料的分布、数量、粒径[24]。

图1 微塑料来源Fig.1 Sources of microplastics

表1 我国沿海、河口以及内陆水域微塑料的分布、丰度、粒径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国河口、内陆淡水环境、沿岸的海水。Browne 等发现海岸线沉积物样品与污水处理厂废水中提取的纤维微塑料主要成分相同[25]，说明海洋中现存的大量纤维微塑料可能与人类生活排放的污水有关。因纤维微塑料数量和尺寸限制，不能完全被废水处理厂截留[26]。许多研究表明，初级、二级污水处理工艺可去除90%以上的微塑料，而三级处理中的微塑料去除率则受技术影响，通过调查34个污水处理厂的三级处理工艺:膜微滤、连续反冲上流双砂微滤和快速砂滤器等，发现三级处理并不能显著提高微塑料的去除[27]。经世界自然保护联盟评估，洗涤合成纤维纺织品释放的微塑料约占海洋中初级微塑料的三分之一[28]，然而这一估计只包括洗涤释放的初级微塑料，生产和穿着过程中释放到大气环境中的纤维微塑料并没有包括在内。

3 纺织品生产过程纤维微塑料的形成

纺织品生命周期的所有阶段都会产生纤维微塑料并散落到环境中[29]。纤维成纱和织造过程中的梳理、牵伸、后整理等对纤维/纱线造成损伤，形成纤维微塑料。纺织厂设有专门的通风除尘系统，使得纤维、尘土通过管道进入空气。Rachid Dris等研究表明，淡水和空气中的纤维微塑料以天然纤维为主[30]，但其纤维表面包覆的染料和阻燃剂等化工助剂可能对生态系统和人类存在潜在影响。Swerea IVF对整个生产过程提出了4种减少纤维脱落的措施：减少刷毛，避免刺辊对织物产生深度伤害，进而脱落更多纤维；生产过程中采用超声波切割，脱毛率可减少50%；在运输产品之前，先清除现存纤维；回收聚酯等合成纺织品再次利用[31]。

服装护理过程也会产生一定量的纤维微塑料，Yang等使用滚轴干燥循环装置烘干织物，纤维微塑料释放量增加3.5倍[32]。在洗衣机中洗涤1件衣服，会导致100～1 000根纤维微塑料脱落，洗涤时纤维微塑料释放量增加[33]，据挪威环境署报告，家庭衣物洗涤每年要排放600 t污水[34]，纺织品洗涤中脱落的纤维作为水环境中重要的纤维微塑料来源，必然引起人们的关注。

4 纺织品洗涤过程纤维微塑料的形成

4.1 纺织品参数对纤维微塑料形成的影响

4.1.1 纤维种类

纤维种类会影响纤维微塑料的形成，研究发现洗涤1件660 g的涤纶织物可脱落220～260 mg的纤维[35]，而棉纤维织物在洗涤过程中脱落的纤维更多[36]。Francesca等发现空气和水体中天然纤维量分别占97%和80%[37]，主要原因是涤纶高度结晶，在水中不易明显膨胀和断裂。

4.1.2 纤维及纱线结构

纤维长度越短，纱线捻度越低(在一定范围内)，纤维迁移到纱线表面的可能性越高，在洗涤过程中纤维微塑料的释放量越多[38]。涤纶长丝机织物是由连续长丝织造而成，随捻度增加，纱线内部纤维滑移阻力和弹性增大，纱线结构更紧凑;而棉纱是短纤维纱线，长度不匀率大，纤维滑脱根数越多，棉纱表面毛羽则越多，在洗涤过程中会受到不同程度的拉伸，造成纤维脱落,如图2[39]所示。表现在分子水平上：非晶区大分子受到拉伸，键长键角相应变大，另有分子被拉断甚至抽拔出来，最终大分子受力不均发生相对滑脱直至断裂。

图2 棉纱和涤纶纱光学显微镜图像Fig.2 Optical microscope image of cotton yarn (a) and polyester yarn (b)

4.1.3 织物结构

织物结构也是影响纤维微塑料脱落的一个重要因素[40]。机织物结构比针织物更紧密，产生的纤维微塑料较少。平纹织物在经纬密度较高时不易抽离，因其交织点相对较多，附着在织物中的纤维非常牢固，纤维间空隙狭小；缎纹织物也是在经纬密度较高时释放到大气环境中纤维量最少，但相比于平纹织物更容易产生纤维微塑料；斜纹织物在经纬密度适中时脱落纤维量最少。因为织物组织结构影响织物平整度和手感，织物洗涤时存在的摩擦力大小又受表面平整度影响，耐磨性低、毛羽量高、纱线断裂强度低的织物在机械洗涤过程中起毛和释放纤维微塑料的倾向较高，断裂的纤维会在织物表面形成一层短小的茸毛，在洗涤中受到各种机械力，附着织物能力不断变小，最终脱落。针织物纤维微塑料的产生与组织的关系也很密切，其基本规律与机织物相同。

4.2 洗涤条件对纤维微塑料形成的影响

4.2.1 洗衣机种类

洗衣机按结构和洗涤方式分为滚筒洗衣机和波轮洗衣机，Hartline等采用Wilcoxon秩和检验比较滚筒洗衣机和波轮洗衣机洗涤脱落总纤维的质量中位数，发现波轮洗衣机纤维微塑料脱落量更大[41]，是滚筒洗涤纤维微塑料脱落量的5.3倍，因波轮的水流旋转力度大，产生巨大的冲击力，增强了织物间的摩擦，衣物磨损产生的纤维微塑料更多。污水处理厂设备虽能过滤掉一部分洗衣废水产生的纤维微塑料，但还是有约40%会流入天然水体中[42]。研发家庭洗衣机纤维微塑料过滤器对阻止纤维微塑料进入自然界至关重要。

4.2.2 洗涤参数

Fontana等研究发现纤维素织物在洗涤过程中随着洗涤温度的升高释放纤维微塑料的质量有所增加，从本质上来说，水对纤维素纤维的溶胀作用随温度的升高而增强，膨胀的织物表面积增大，受洗涤过程中剪切力的作用，绒毛加速形成，产生更多的纤维微塑料脱落。聚酯纤维不易膨胀，在较高温度下产生的纤维微塑料变化相对较小[43]。

所有类型织物洗涤过程均释放纤维微塑料，且随着洗涤循环次数的增加，纤维微塑料的释放量呈下降趋势。初期纤维微塑料释放量大主要源于织物或纱线内已存在的断裂纤维。

在水洗色牢度测试实验中，Zambrano等发现每件织物产生的纤维微塑料都要大于家庭洗涤实验脱落数量，脱落的纤维微塑料质量大约是家庭洗涤的40倍，对于不同的纤维集合体纤维微塑料脱落的规律都普遍一致[43]。造成此结果的原因是由于洗衣机转速加快，衣物间的摩擦作用、机械作用也会相应增大。对于滚筒洗衣机，筒内水量越高，脱落的纤维微塑料量越大[44]，降低水量，可减少纤维微塑料的排放。

Napper等研究发现洗涤剂的使用对纤维微塑料释放量有显著影响[45]。洗涤剂降低了纤维间的抱合力，因此加入洗涤剂，纤维微塑料释放量增多；但实际上关于洗涤剂对纤维微塑料释放的作用机制尚不明确。

4.3 纤维微塑料的防治措施

有文献研究发现在洗衣过程中加入助剂为纤维提供物理保护，可降低摩擦因数，降低纤维磨损[46]。文献[47]在不同的纱线等材料上涂覆了不同的涂层，以硅乳液和丙烯酸树脂为基础的整理能够降低洗涤过程中纤维微塑料的释放,但是影响降解。以天然来源的壳聚糖和果胶为原料开发的涂料，具有无毒、生物相容性好和完全可生物降解等优点，取得了良好的效果，但仍需进一步的优化研究。

5 洗涤过程纤维微塑料形成机制

5.1 初生纤维微塑料

初生纤维微塑料是在生产、加工过程中，从纤维材料释放或脱落的长度小于5 mm的合成纤维。Edgar等研究发现，纤维微塑料有2种脱落形式，从织物表面脱落和从织物的剪裁边脱落，织物生产过程中2种脱落行为并存，因织物的包边设计，日常使用过程中表面脱落行为居多。在洗涤初始阶段，脱落形式大部分为织物中浮游纤维的脱落。纤维微塑料的释放量很大程度上取决于纤维、纱线和织物的加工过程[48-49]。正如Belzagui等所述生产阶段未及时脱离织物的纤维微塑料，即初生纤维微塑料，不能被忽视[50],见图3。

图3 织物洗涤过程纤维微塑料脱落途径Fig.3 Ways of microfiber shedding during fabric washing

5.2 次生纤维微塑料

次生纤维微塑料是因织物纱线在使用过程中受到外力作用弯曲、拉长形成损伤，纱线表面形成毛羽断裂脱落而成。在日常穿着和使用过程中，松散的纤维会从纺织品表面伸出，然后在洗衣机洗涤过程中存在衣物与衣物间、衣物与筒壁间、衣物与水间多种摩擦力及水流作用力等机械力[51]，这些纤维受力而断裂。对于家庭滚筒洗衣机，当衣物被放入筒内，因惯性作用，衣物运动缓慢，加强了衣物和水的接触面积，衣物因与水流产生速度差做变形运动，纤维弯曲、伸长最终形成损伤而断裂。衣物间存在的摩擦，致使衣物与污渍间发生相对运动，促进污垢脱离衣物表面，同时纤维微塑料在力学作用下脱落。

衣物间的摩擦力对去除衣物表面污渍效果最显著，但对衣物的磨损也最大，摩擦力造成的损伤大体可分为2种类型：浅表性损伤和脱色性损伤。浅表性损伤是因洗涤摩擦力较大致使衣物表面纱线中纤维开散成为极其细微的毛羽从而脱落，来不及脱落的纤维会形成小球，在力学作用下脱落，这过程中会抽离出一定量的毛羽，摩擦力极易使其断裂，从而加速了纤维微塑料的形成，主要出现在较柔软的一些精细面料上。脱色性损伤发生在经长时间洗涤的衣物上，表面颜色发白，甚至磨破，磨破处纤维极易脱散，这类损伤发生在硬挺型面料衣物上。所以纤维微塑料的脱落能力主要取决于绒毛的形成，以及在形成毛球之前，这些纤维在洗衣机外力作用下断裂的难易程度。虽然单次洗涤中次生纤维微塑料对环境中纤维微塑料量的贡献率较低，但纺织品不是一次性用品，应从源头上加以控制，减少不必要的洗涤次数。

6 结束语

本文系统地综述了纤维微塑料的潜在来源，总结了纤维、纱线、织物、后整理层面影响纤维微塑料释放的因素。通过解析洗涤参数对纤维微塑料脱落的影响，分析了纤维微塑料形成机制：初生纤维微塑料和次生纤维微塑料产生条件。提出了纺织行业微塑料污染的未来研究目标：1)明确不同类型纤维集合体纤维微塑料产生机制，表征手段及对环境负荷研究；2)通过洗涤，烘干程序优化及过滤处理技术，从源头上杜绝微塑料的排放；3)细化服装纤维微塑料尺寸可持续性指标。目前，对于来自洗涤过程的纤维微塑料仍然缺乏全面的了解，尽管服装的绿色洗涤越来越受关注，对于消费者而言，最好的解决办法仍然是呼吁大众向绿色洗涤习惯的转变，减少能源消耗和水消耗、减少纤维脱落。

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