基于农业工业废弃物与蜂蜡-海藻酸钠水凝胶功能涂层制备可持续卫生巾

《Journal of Hazardous Materials Advances》：A Sustainable Sanitary Pad Composed of Agro-Industrial Waste and a Functional Coating of Beeswax-Alginate Hydrogel

　　

可持续卫生巾由农业工业废弃物与蜂蜡-海藻酸钠水凝胶功能涂层构成。棉、香蕉纤维和粘胶非织造材料被用于卫生巾的制备。一种新型涂层材料蜂蜡已被测试用于卫生巾表层。中间层样品涂覆海藻酸钠。卫生巾的复合结构有效实现了所需性能。传统卫生巾表层由石油基疏水材料聚丙烯或聚乙烯制成，而可生物降解卫生巾的天然纤维表层具有亲水性，导致表面湿润和不适。本研究利用工业棉废料精梳落棉制备表层，并通过浸涂法涂覆天然聚合物蜂蜡，以实现表层疏水性与透气性的平衡。中间层采用粘胶纤维和香蕉-棉混纺纤维，并涂覆从海藻中提取的天然阴离子多糖海藻酸钠水凝胶以增强吸收能力。结果表明，经0.25%蜂蜡悬浮液涂覆后，棉表层水接触角从0°提升至99°，实现了理想的亲水/疏水平衡。蜂蜡涂层改善了表层的柔软度、悬垂性和抗皱性，同时保持了良好的透气性，并表现出对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性。海藻酸钠涂覆的粘胶和香蕉-棉中间层样品展现出更高的吸收容量和更低的回渗值。制备的卫生巾样品在吸收容量和回渗性能方面与市售产品相当，表明该复合结构具有商业应用潜力。

一、研究背景与问题

卫生巾是女性经期维持自信与尊严的重要卫生用品。随着工业标准向可持续方向快速转变，研究者正努力探索天然、多功能且生态安全的纺织材料。然而，目前市售卫生巾的表层多采用石油基疏水材料聚丙烯或聚乙烯，这些材料不可生物降解。相比之下，可生物降解卫生巾的表层由天然亲水纤维制成，这导致表层湿润，引起使用者不适，且湿润环境有利于微生物滋生。此外，植物基纤维的吸水能力远低于传统石油基卫生巾中使用的合成高吸水性聚合物，而合成高吸水性聚合物不可生物降解且存在皮肤感染风险。因此，亟需开发既保持表面干燥又具有高吸收性能的可生物降解卫生巾。本研究旨在利用蜂蜡作为疏水涂层剂解决可生物降解卫生巾表层湿润问题，并利用海藻酸钠水凝胶增强中间层吸收能力。

二、研究内容与结论

研究人员利用精梳落棉制备水刺非织造表层，通过浸涂法施加不同浓度蜂蜡悬浮液以优化疏水性能。中间层采用粘胶纤维和香蕉-棉混纺纤维制备非织造材料，并涂覆海藻酸钠水凝胶。结果表明，0.25%蜂蜡涂覆使表层水接触角从0°提升至99°，实现亲水/疏水平衡。蜂蜡涂层改善了柔软度、悬垂性和抗皱性，保持良好透气性，并表现出抗菌活性。海藻酸钠涂覆显著提高了中间层吸收容量并降低回渗值。制备的卫生巾性能与市售产品相当，具有商业应用潜力。

三、主要关键技术方法

本研究采用水刺缠结技术制备棉非织造表层，利用针刺技术制备粘胶和香蕉-棉混纺中间层非织造材料。表层通过浸涂法涂覆蜂蜡悬浮液并进行热固化处理。中间层采用浸涂法涂覆海藻酸钠溶液并以氯化钙交联。材料表征采用扫描电子显微镜和傅里叶变换红外光谱分析。卫生巾性能测试包括穿透速率、吸收容量、回渗测试及不同pH条件下的溶胀行为测试。

四、研究结果

4.1 表层物理机械性能评估

疏水性测试表明，2%蜂蜡涂覆使水接触角从0°升至133°，疏水性过强阻碍液体传输；0.25%蜂蜡涂覆使接触角达99°，实现理想的亲水/疏水平衡。克重从28 g/m2增至35 g/m2，厚度从0.23 mm增至0.29 mm，归因于蜂蜡成功渗透入棉纤维结构。透气性从2150 mm/s略降至2010 mm/s，仍保持良好透气性。拉伸强度从5.33 N降至1.58 N，可能因结构内聚力降低；伸长率从24.35%增至26.07%，归因于蜂蜡的润滑效应降低纤维间摩擦。

4.2 舒适性能评估

蜂蜡涂覆表层柔软度从86.33%增至88.22%，悬垂性从9.07增至9.72，抗皱性从2.50增至2.85，归因于蜂蜡的润滑性能降低纤维间摩擦并赋予粘弹性。平滑度从52.27降至50.98，回弹性从46.55降至45.52，可能因涂覆后表面均匀性降低。

4.3 抗菌活性

蜂蜡涂覆表层对大肠杆菌的抑制效果优于金黄色葡萄球菌，原表层无抗菌活性。抗菌活性归因于蜂蜡中含有的10-羟基-2-癸烯酸和柯因等成分。

4.4 扫描电子显微镜分析

扫描电子显微镜图像显示蜂蜡成功渗透入棉纤维多孔结构，增加表面粗糙度，赋予疏水特性。

4.5 傅里叶变换红外光谱分析

蜂蜡涂覆后羟基峰从3326.6 cm?1移至3321.1 cm?1，碳氢峰从2931.5 cm?1移至2939 cm?1，碳氧峰从1054.8 cm?1移至1075.3 cm?1，表明蜂蜡长链烃和酯与纤维素形成新氢键。

4.6 卫生巾性能测试

中间层初步筛选显示，100 g/m2粘胶吸收容量11 g/g高于100 g/m2香蕉-棉混纺的6.8 g/g，归因于粘胶的无定形结构和更多亲水基团。海藻酸钠涂覆后，0.25%交联剂浓度下粘胶吸收容量达12.36 g/g，香蕉-棉达10.33 g/g，高于0.5%交联剂浓度。穿透速率测试中，粘胶中间层穿透时间最短为5秒，海藻酸钠涂覆粘胶为8秒，香蕉-棉为28秒，海藻酸钠涂覆香蕉-棉为12秒，市售产品为3秒。吸收容量测试显示，海藻酸钠涂覆粘胶达14.6 g/g，涂覆香蕉-棉达10.8 g/g，均高于市售产品的13.1 g/g。回渗测试中，海藻酸钠涂覆粘胶回渗值1.8 g，涂覆香蕉-棉为1.17 g，市售产品为1.56 g，表明海藻酸钠涂覆样品具有更好的液体保持能力。pH响应测试显示，两种涂覆样品在碱性环境中溶胀率更高，粘胶样品从pH 3时的371.7%增至pH 10时的584.3%，香蕉-棉样品从410.1%增至608.1%，水凝胶在pH 3-10范围内保持稳定。

五、讨论与结论

本研究解决了可生物降解卫生巾的两大关键问题：表面湿润和低吸收能力。0.25%蜂蜡涂覆实现了表层亲水/疏水平衡，保持良好透气性并赋予抗菌活性。海藻酸钠涂覆显著增强了中间层吸收容量和液体保持能力。制备的卫生巾性能与市售产品相当，表明蜂蜡和海藻酸钠是安全有效的涂层材料，可解决可生物降解卫生巾的表面湿润和低吸收问题。研究鼓励利用当地可获得的生物基材料开发经济可行的可生物降解卫生巾，通过优化纤维提取工艺和探索更多可生物降解高吸水性聚合物，可显著提高可生物降解卫生巾的可负担性。