现代化工

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (1) : 75-79. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.01.014

技术进展

可降解材料在卫生领域的研究进展及应用

李世越 ¹ ,
封严 ¹^,^* ,
韩丽娜 ² ,
马计兰 ²

作者信息 +

Research progress of degradable materials for disposable sanitary products

Shi-yue LI ¹ ,
Yan FENG ¹^,^* ,
Li-na HAN ² ,
Ji-lan MA ²

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摘要

综述了可降解材料的主要可降解机制,包括光降解、热降解和生物降解,论述了可降解材料在一次性卫生用品中面层、吸收层和底膜的研究与应用进展,展望了可降解一次性卫生用品的发展趋势。可降解材料在卫生用品中的应用已取得进展,但仍面临降解效率、材料相容性和生产成本等挑战。未来研究应聚焦于优化降解机制、降低生产成本,并推动可降解卫生用品的产业化,以实现资源节约和环境保护的双重目标。

Abstract

This paper examines the primary degradable mechanisms of degradable materials,encompassing photodegradation,thermal degradation,and biodegradation.It discusses the advancements in research and application of biodegradable materials in the surface layer,absorption layer,and base film of disposable sanitary products,and provides insights into the future trends of biodegradable disposable sanitary products.While the application of biodegradable materials in sanitary products has advanced,it still encounters challenges,such as degradation efficiency,material compatibility,and production cost.Future research should concentrate on optimizing degradation mechanisms,reducing production costs,and advancing the industrialization of biodegradable sanitary products,aiming to achieve the dual objectives of resource conservation and environmental protection.

Graphical abstract

关键词

可降解 / 高吸水性材料 / 卫生用面层材料 / 一次性卫生材料 / 生物降解

Key words

degradable / superabsorbent material / sanitary surface material / disposable sanitary material / biodegradability

Author summay

李世越(2001-),男,硕士生。

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李世越,封严,韩丽娜,马计兰. 可降解材料在卫生领域的研究进展及应用[J]. , 2026, 46(1): 75-79 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.01.014

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随着社会不断进步,居民生活品质不断提高,大众对健康与卫生的重视与时俱进,使得卫生用品市场快速繁荣发展,婴儿纸尿裤、女性卫生巾、成人尿失禁护垫等一次性卫生用品已成为现代社会不可或缺的保健用品。一次性卫生用品的使用量与日俱增,所产生的废弃物已成为最大的固体垃圾来源之一,约占每年城市固体垃圾总量的14%^[1]。大部分卫生产品由不可降解材料制成,在环境作用下这些材料会分解为微塑料,不仅造成严重的环境污染,而且可能引发消化系统损伤、呼吸道刺激、免疫系统紊乱及神经系统损伤等多种健康风险。将可降解材料应用于一次性卫生产品可大大缓解垃圾废物造成的环境污染问题,减少对于传统不可降解材料的依赖。

1 可降解材料的分类及降解机制

可降解材料按照降解方式可分为热降解、光降解和生物降解3种,如图1所示。

热降解材料是指在高温条件下聚合物发生分子链断裂,并逐步分解成较小分子的材料,降解方式分为解聚反应、无规断链反应、取代基脱除反应和热氧化反应^[2]。解聚反应是指聚合物首先在分子链的端部或薄弱点发生断裂,生成活性较低的自由基,然后按连锁机理逐一分解出单体。无规断链反应是指聚合物分子链发生无规则断裂,生成相对分子质量较小的分子链。取代基脱除反应是指分子链侧基脱除生成小分子,反应进行到主链薄弱点处发生断裂。热氧化反应是指在一定温度下,聚合物中的化学键断裂,生成自由基和小分子,这些自由基与氧气反应,形成各种氧化物,产生链式反应,导致更多分子链断裂。

光降解材料指的是在自然日光或紫外线照射条件下产生降解的材料,主要分为共聚型光降解材料和添加型光降解材料。共聚型光降解材料指通过共聚反应合成分子链上含有光敏基团的高聚物组成的材料,如羰基、环氧基、酯基、乙烯基等光敏基团,这些光敏基团通过吸收光能,使光敏基团转为激发态,导致分子链的化学键断裂,生成自由基。这些自由基与聚合物链的其他部分发生反应,导致更多分子链断裂,最终形成低分子产物^[3]。添加型光降解材料中掺混有光敏剂,如二氧化钛、氧化锌、苯甲酮等,这些光敏剂在紫外线照射下吸收能量,产生自由基,引发聚合物分子链的氧化反应,从而导致分子链断裂^[4]。光降解目前多用于对含有机物废水的处理,例如Kong等^[5]、Harikumar等^[6]、Sun等^[7]分别研究了光降解材料对含抗生素、染料等有机物废水的降解性能影响。

生物降解材料指的是由于生物活动尤其是酶的作用而导致降解的材料,主要包括天然型生物降解材料、化学合成型生物降解材料、微生物型生物降解材料。天然型生物降解材料的原料主要来源于植物的纤维素、淀粉、木质素和来源于动物的蛋白质、甲壳素等。然而,天然生物降解材料在一些特定性能方面可能较传统塑料差,需要与化学合成型降解材料共混使用。夏榆^[8]通过熔融纺丝工艺制备PBS/丝胶蛋白共混纤维,经过6周降解实验后失重率达54%,性能满足纺纱、非织造等多种纺织加工方法,为丝胶蛋白的利用提供了新途径。化学合成型生物降解材料指在高聚物分子链中含有酯键、肽键、醚键等可通过生物因素断裂的化学键,包括聚乳酸(PLA)、聚乙交酯(PGA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚己内酯(PCL)等^[9]。化学合成型生物降解材料所制得产品的结构、性能可控,可通过定制化设计满足不同应用的需求,具有极大的发展潜力。微生物型生物可降解聚合物是指在微生物作用下合成的聚合物,包括聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚-β-羟丁酸(PHB)等^[10]。卢承蓉等^[11]比较了目前PHA的各种合成方法,发现合成PHA面临生产成本、生产质量、环境保护等挑战。但随着技术进步和环保意识增强,微生物型生物可降解聚合物的应用前景将更加广阔。

在环保意识不断增强的背景下,生物降解材料因优越的环境友好性而受到广泛关注。与传统塑料相比,生物降解材料能够在自然环境中迅速分解,转化为无害物质,从而减少对土壤和水源的污染。光降解和热降解2种降解方式虽然在特定条件下能够促使大分子物质的分解,但往往无法将其完全降解为小分子物质,降解产物依然可能对环境造成污染。未来,针对光降解和热降解材料的研究亟需聚焦于提高降解效率和彻底性,以应对降解不彻底带来的环境污染问题。

2 卫生用可降解材料的研究进展

一次性卫生用品至少由3层材料构成,包括面层、吸收层和底膜,商用一次性卫生用品通常还包括导流层、防漏层等。面层通常采用聚乙烯或聚丙烯纺黏、热风非织造材料,有良好的透气性和液体渗透性能。吸收芯层是一次性卫生用品的核心部分,主要由绒毛浆纤维和高吸收性树脂构成,吸收芯层通常能吸收自身数倍到数千倍的液体,在施加一定压力下仍能保持良好的液体吸收性能。底膜通常由聚乙烯和聚丙烯制成的薄膜组成,在保证有一定的透气透湿性的同时,要防止液体渗漏并且在使用过程中不会变形。

2.1 可降解一次性卫生用品面层

一次性卫生用品面层在日常使用中紧贴皮肤,不参与液体吸收,只起到将液体输送至更深层的作用,为皮肤维持干燥、清爽的环境。因此,在开发一次性卫生用品面层材料时,不仅要确保液体快速传输至下层并避免因压力导致液体回流至表面,具有较好亲肤性能且有一定的抗菌效果。通常,该层由聚烯烃类等不可降解材料制成,但不可降解材料难以满足当前绿色发展的需要。

为了制备出一种可降解一次性卫生用品面层,Banerjee等^[12]通过静电纺丝法合成纳米氧化锌/姜黄素-聚己内酯(ZnO/curcumin-PCL)复合膜。复合膜表面光滑,具有较高的拉伸强度和柔韧性,加入姜黄素后,提高了复合膜的生物相容性和抗菌效果。与市面上的卫生巾相比,复合膜渗透性能、抗菌性能优于一般市售卫生巾面层。经28 d土埋降解实验,复合膜的重量损失达33%,表明复合膜能被生物降解。

使用静电纺丝法制备一次性卫生用品面层,工艺复杂且成本高昂,无法进行大规模工业化生产。通过使用新原料,设计新结构,可以制备出具有更好功能的新产品。

曹万宏等^[13]使用水刺加固技术制备了一种卫生用面层材料,上层为脱脂棉纤维,下层为不脱脂棉纤维。该面层材料反渗量为0.96 g,透气率为 1 230 mm/s。这种全棉水刺卫生用面层材料手感柔软、对皮肤刺激小,但透湿性较差,体感不佳。刘燕^[14]使用聚乳酸纤维(PLA)与竹浆纤维和超仿棉纤维共混通过水刺加固技术制备出一种可降解卫生用面层材料。测试结果表明,上层为超仿棉/聚乳酸纤维(90/10)水刺非织造材料、下层为竹浆纤维水刺非织造材料的双层面层材料性能最佳,透气率在740 mm/s左右,反渗量为0.098 g,抗弯刚度为6.203 mN·cm。制备出的面层材料表面柔软,透气性较好,能保持皮肤的干爽。为了设计出一种具有抗菌功能的面层材料,Liu等^[15]以黏胶水刺非织造材料(CNW)为原料,通过两步浸渍法对CNW进行表面疏水抗菌改性,在纤维表面附着纳米氧化锌颗粒(ZnO)和叔丁基氰酸酯(TBIS)。制备的CNW-ZnO-TBIS织物具有较高的疏水性和抗菌活性,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别提高到了94.8%和93.2%,透气率保持在2 621 mm/s,以CNW-ZnO-TBIS网状织物为面层的卫生用品与商业卫生用品相比,具有良好的液体渗透性能和抗反渗性能。

除了水刺技术之外,聚乳酸热风非织造材料也常用于可降解一次性卫生用品面层。胡俊杰等^[16]、秦子轩^[17]的研究表明,聚乳酸热风材料的液体传输性能和亲肤性能与常规传统聚烯烃、ES热风材料不相上下。李明等^[18]使用热风法制备出双组分聚乳酸热风材料,测试结果表明样品的反渗量为0.086 g,透气率在4 200 mm/s以上,140 d降解率达92.1%,表明聚乳酸热风材料可广泛应用于可降解一次性卫生用品面层。

2.2 可降解一次性卫生用品吸收层

吸收芯体是吸收层最重要的组成部分,主要由高吸水性聚合物制成,液体吸收量和液体吸收时间是评价吸收芯体质量的关键因素。通常,高吸水性聚合物由丙烯酸基交联共聚物制成,在短时间内可吸收自身重量数千倍的水,即使在一定的压力下也具有优异的保水性能。随着世界范围内对塑料污染的关注不断增加,开发一种生态友好的可生物降解的高吸水性聚合物迫在眉睫。近年来,纤维素、壳聚糖、淀粉、果胶、蛋白质等被广泛报道,通过化学接枝或交联各种功能单体制备高吸水性聚合物。

纤维素是自然界含量最丰富的天然聚合物,优异的生物相容性、生物降解性和吸收性能使其在吸收性卫生用品中得到广泛应用。Rebelo等^[19]通过化学交联法制备了纤维素基水凝胶,通过冷冻干燥法制成的纤维素基水凝胶的液体吸收量达41 g/g,经过24 h后持液率达80%。经过30 d的土埋降解实验,水凝胶的失重率达21%。为了满足近年来吸收性卫生用品轻薄化的趋势,Reshma等^[20]通过冷冻干燥法将羧甲基纤维素钠(NaCMC)和淀粉在交联剂作用下混合冻干成膜。液体吸附测试表明,复合膜饱和吸收量为83.5 g/g,在施加50 g负载的条件下吸收量达24.30 g/g,与普通商业产品相比提高了近90%。经过6周土埋降解实验,复合膜失重率达24.33%。

壳聚糖是仅次于纤维素的自然界中储量第二丰富的天然大分子,具有线性多糖结构,常见于真菌、节肢动物外骨骼和软体动物牙齿中。壳聚糖上的氨基亲水性较弱,需要通过物理或化学改性来提高壳聚糖及其衍生物的吸水能力。Al-Mughrabi等^[21]用壳聚糖与双丙酮醇(DAA)、衣康酸(IA)通过接枝共聚法制备了一种新型高吸水性聚合物。制备出的聚合物饱和吸收量达680 g/g,在0.9%的NaCl溶液中吸收量仍有90 g/g,10 h后持液率为92%。Sorokin等^[22]采用自由基聚合法制备了可生物降解的N-丁二酰化壳聚糖(NSCht)。聚合物饱和吸收量达 1 144 g/g,20 min后持液率在70%以上。

淀粉是自然界中含量丰富的多糖。淀粉含有丰富的羟基,可用于制备高吸水性材料,用途广泛,易于改性,成本低,加工性能好。Zhang等^[23]用反悬浮聚合法和超临界CO₂干燥法将丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AM)接枝到木薯淀粉上制备淀粉基高吸水性聚合物(P-St-SAP)。P-St-SAP在蒸馏水中的吸收量为517.9 g/g,在0.9%生理盐水中的吸收量为72.9 g/g。当施加2 kPa压强时,P-St-SAP在蒸馏水的吸收量能达到420.5 g/g,在0.9%生理盐水中的吸收量为65.1 g/g。另有研究表明^[24],通过使用N,N'-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂,将丙烯酸接枝到羧甲基淀粉上来制备高吸水性材料,在蒸馏水中的吸收量能达到3 000 g/g以上。淀粉基高吸水性材料具有吸水速度快、吸收量大等特点,在卫生材料方面具有较大的应用前景。

果胶是一种主要由α-1,4-D-半乳糖醛酸组成的复合天然多糖,在水果中大量存在。果胶的吸水能力大于自重的10~20倍,保水能力较强,还能与尿液中的碱性尿素结合形成铵盐,调节尿液的pH,防止碱性环境对皮肤造成伤害。同时,果胶胶性强,透气性好,具有抗氧化、抗菌等生物活性,来源广泛,无毒,生物降解性好,应用安全性高,有望成为制备适用于卫生用高吸水性聚合物的理想天然材料之一。Zhou等^[25]以金柑果胶(FAIP)为原料,以N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为交联剂,丙烯酰胺(AM)和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)为功能单体,通过自由基接枝共聚建立FAIP-g-AM/AMPS高吸水性吸收芯。在保持金柑果胶的抗菌性能的同时,提高金柑果胶的液体吸收性能。对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率分别为97.1%和98.5%,经过30 d的土埋试验,失重率达到37.1%。在蒸馏水、人工尿液和人工血液中的饱和吸收量分别为97.5、24.7、25.9 g/g。Sayed等^[26]将瓜尔胶(GG)、果胶(PC)和聚丙烯酰胺(PAAm)共混后在10 kGy的γ辐照下交联,制备出GG-PC/PAAm高吸水性水凝胶复合材料,在蒸馏水中的吸液量为61.1 g/g,经过30 d生物降解实验后失重量达45%。

蛋白质也可用于制备高吸水性聚合物。蛋白质以氨基酸为单体单元,不同蛋白质的分子质量和氨基酸组成存在显著差异。蛋白质分子中的羧基、羟基等亲水基团可通过交联得到网状结构,制备吸水性能优异的聚合物。Capezza等^[27]使用乙二胺四乙酸二酐(EDTAD)对马铃薯浓缩蛋白(PPC)进行酰化,制备了一种蛋白质基的高吸水性吸收芯(PPC/ED)。液体吸收测试表明,PPC/ED在1 min内的吸收量为12 g/g,24 h吸收量为25 g/g。经97 d土埋降解实验后,PPC/ED失重率达50%。Jugé等^[28]使用甘油将玉米蛋白和谷物蛋白混合后通过模具挤压加工成多孔吸水结构。液体吸收测试显示混合物 2 s内液体吸收量达16.8 g/g,蛋白质混合产物在不到5周的时间内水解降解率高达70%。

2.3 可降解一次性卫生用品底膜

底膜是一次性卫生用品的防漏屏障,通常由聚乙烯或聚丙烯制成的微孔薄膜组成。这种膜具有优良的防水透气透湿性能,允许水蒸气和空气的通过,同时将尿液保留在一次性卫生用品内。

Gao等^[29]以大麻/棉水刺非织造布(hemp)为基材,通过非溶剂诱导相分离法制备聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)多孔复合膜,再在复合膜表面涂覆经乙烯基三甲氧基硅烷(VTMOS)疏水改性的二氧化硅(SiO₂),制备出防水透气的PBAT/hemp@SiO₂-PVSQ复合膜。经过测试表明,复合膜的水接触角为139.5°,耐静水压达1.4 kPa,透湿率为902.8 g/(m²·d),能满足作为一次性卫生用品底膜的需要。李万隆^[30]通过熔体微分静电纺丝法结合双向拉伸工艺与热压工艺制备生产可降解的聚乳酸(PLA)纤维膜,纤维膜的水接触角为140.8°,透湿率为187.9 g/(m²·h),透气率达108.343 mm/s。

目前,专门用于一次性卫生用品底膜的可降解材料的研究还比较少,且多集中在静电纺丝领域。未来,使用成本更低的方法制备用于一次性卫生用品底膜的可降解材料将成为研究热点。

3 总结与展望

可降解材料目前已在一次性卫生用品领域有了初步的发展及应用,进一步的深入研究有助于解决废弃一次性卫生用品垃圾带来的环境污染。可降解材料在卫生产品中的应用仍存在以下问题:①当前对可降解卫生材料的研究主要集中在生物降解领域,对其他降解方式的应用研究较少。②不同种可降解材料相互掺混是未来市场发展的主流,其优势在于可根据实际情况采用不同材料共混来满足特定的性能要求,但不同材料之间的相容性还需进一步探究。③大多数可降解材料存在产量低、成本高等问题,无法适应一次性卫生用品的低成本要求。

未来,一次性可降解卫生用品的研究应集中在优化可降解材料的性能、降低产品生产成本等方面,加快实现一次性可降解卫生用品的产业化,解决资源浪费及环境污染等问题。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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