生物可降解纤维的研究与开发

生物可降解纤维的研究与开发

21世纪，绿色产品和绿色消费将引领世界纺织和服装的新潮流。人们的环保意识不断加强,回归自然,保护环境愈来愈凝入纺织品和服装的开发和生产中。合成纤维主要原料是石油,属于不可再生资源,随着石油资源的日趋紧张,加上生产中的高消耗、高污染等问题,合成纤维面临很大的压力,因此各国都在研究开发用其他纤维来顶替合成纤维的课题。生物可降解纤维是指在自然界微生物如细菌、霉菌和藻类的作用下,可完全分解为低分子化合物的纤维材料。生物可降解纤维是对环境友好的材料,它提供了人类减少环境负担,并在现代文明和自然界之间达到平衡的一种办法,因此将成为21世纪的主要纤维之一。1.心理积累产品的研制由日本钟纺合纤公司开发的生物可降解合成纤维Lactron是通过聚乳酸(PLA)的熔体纺丝生产的。Lactron的首次亮相是在1994年广岛亚运会上。之后,钟纺合纤又继续开发了Lactron纤维及其广泛应用的制品。DowChemical树脂公司与Cargill食品公司于1992年合资成立的CargillDow公司,最近也推出植物性新纤维Natureworks。Natureworks是以玉米为原料,经过生物处理技术制成。它最初是由美国知名谷物公司Cargill公司研究开发成功,从实验室试验到中试阶段,直到年产3000吨,进一步扩充到年产6000吨生产规模。1997年美国著名化学公司Dowpolymer看到这项工作的发展前景,便与Cargill公司合资组建CDP(Cargill-Dowpolymer)公司,1999年开始建造年产14万吨PLA工厂,已于2000年11月启用,年产量将高达14万吨,投产后将使价格大幅降低。目前该公司正积极寻求纺纱织业者等合作伙伴,尤其重视创造力最高的欧洲地区。在美、欧地区最近的布料展中,已开始有公司展出纯Natrueworks产品或混纺产品,预计2003年Natureworks将有大幅增长。PLA是通过玉米淀粉发酵所得的乳酸生产的,因此,聚乳酸纤维是在自然界可以再生的资源。用来制作纤维及纱的树脂,纯粹以发酵及加热等百分之百环保的处理过程取得,不加任何化学溶剂,也没有任何污染。在使用后,聚乳酸在生物、光、水、空气作用可降解成CO2和H2O,这两种产物通过植物的光合作用,又可变成淀粉。燃烧的气体中不含二口恶口英,含的NOX气体较少,并且燃烧热很低。因此聚乳酸纤维可以循环到自然环境中,不会引起问题,这样就促进了全球环境的保护,所以被称为“绿色”纤维。在生物可降解材料中,除去硬且脆的特性外,PLA具有很多优点:如熔点高、结晶度大,透明度好;其性能具有合成纤维特性,介于聚酯及聚酰胺纤维之间,具有高科技纤维的优点:高强度、抗酸、易染色(处理温度低于聚酯纤维)、可混纺(如与棉、麻等材质混纺)。更令人称道的是它的吸湿及扩散能力、稍呈酸性的PH值(与人体皮肤相同),以及天然抗菌效果。其面料柔软耐用,有丝绸般的光泽,舒适的手感和皮肤接触感觉,并具有良好的水扩散性和抗菌防霉性,特别适合制作运动服,广泛用于服装、服饰以及非服装领域,如日常生活用材料及土木工程、种植、农业、园艺、林业、包装等用材料。我国有极其丰富的玉米原料,年产1.2亿吨,占世界产量四分之一,在目前玉米销售困难、价格低迷之际发展玉米纤维及原料大有可为。2.纤维制备与加工国外从19世纪末、20世纪初开始对再生蛋白纤维进行研究。1938年ICI公司、1939年ComProductRinfining公司、1953年意大利科学家曾分别探讨从牛乳、花生蛋白质、玉米豆粕中提取蛋白质再进行纺丝。20世纪40年代初,美、英研制了酪素纤维。1948年美国通用汽车公司从豆粕中提取了大豆蛋白质纤维,但大多因为纤维性能较差,无法进行纺织加工而中断研究。20世纪90年供初,河南濮阳华康生物工程联合集团公司开始对大豆蛋白质纤维进行研究开发,2000年3月试纺成功,在国际上首次进行了工业化试验,是目前唯一由我国自主开发并在国际上率先取得工业化试验成功的纤维材料,目前第一条工业化试验生产线年生产能力为1500吨。大豆蛋白纤维属于再生植物蛋白纤维类,通过采用化学、生物化学的方法,从大豆豆渣中提取球状蛋白质,再经过添加功能性助剂,改变蛋白质空间结构,经湿法纺丝而成。纤维本身主要由大豆蛋白质组成,是一种易生物降解的纤维,生产过程对环境无污染,属绿色环保工业,因此大豆蛋白纤维可称为新世纪的“绿色纤维”。大豆蛋白纤维性能优越,具有合成纤维强伸度高、耐酸碱性好等特点,而且有羊绒般的手感和保暖性、蚕丝般的光泽、棉纤维的吸湿和导湿性等优良服用性能,被称作“人造羊绒”。其织物导湿透气,手感柔软滑爽,光泽怡人,悬垂性好,保健功能性好,满足了人们对穿着舒适性、美观性的追求,符合服装免烫、洗可穿的潮流,具有非常广阔的发展前景。3.抗压纤维的生产Lyocell纤维是90年代国外发展起来的新型纤维素纤维,它是由国际人造纤维局(BISFA)命名的,通过将天然纤维素直接溶解在N-甲基吗啉-N-氧化物和水的混合溶剂中进行特殊纺丝而制得。该纤维原是荷兰阿克苏(AkzoNobel)公司发明并取得专利,后奥地利Lenzing公司和英国Courtaulds公司分别取得生产权。英国Courtaulds公司生产纤维的商品名为Tencell纤维。不同的公司商品名不同。目前世界上生产Lyocell纤维的主要公司是荷兰Acordis公司(原英国Courtaulds公司),年产8.6万吨,奥地利Lenzing公司年产2万吨。近年来不少国家和地区大力发展Lyocell纤维,如德、日、韩、俄等,我国台湾也用自己的专利技术生产该类纤维。与污染严重的传统粘胶工艺不同,Lyocell的生产以不断再生的天然纤维素为原料,不仅原料为天然原料,而且所用溶剂无毒,整个生产过程,无毒物放出,并且溶剂回收可达99.7%。与合成纤维产品废弃物在自然界中形成难以分解“固体污染”不同,Lyocell工艺的产品为100%的纤维素,可在短时间内完全生物降解,产品废弃物不会对环境形成污染。因此该生产过程被称为绿色工程,得到的纤维被誉为“绿色纤维”。90年代初Lyocell实现工业化以来发展非常迅速。至1999年底,世界Lyocell年产量已达12万吨。预计到2020年,将会达到200万吨。Lyocell集天然纤维和合成纤维的优点于一身,它不仅具有所有纤维素纤维的优异特性,如吸湿性好、透气、舒适,而且还具有合成纤维的强度高等优点,其混纺性能好,可与其他天然纤维和合成纤维混纺。该产品应用前景广泛,不仅可用于纺织服装行业,还可作为过滤材料、无纺布、薄膜等应用于其他领域。4.日本希农牛奶纤维所谓“牛奶丝”是根据天然丝质本身所含蛋白质较高的原理,从牛奶中压缩抽去水分和分解脂肪,把剩下的牛奶蛋白揉和成特别的液体,再经过喷丝、定型等特殊工艺,即制成牛奶纤维。日本东洋纺公司早在60年代开发出一种牛奶纤维,商品名为希农,希农以牛奶中蛋白质作原料,在牛奶蛋白溶液中和丙烯腈进行接枝共聚,将原液从喷丝孔于凝固浴中纺丝成形制得。它能减轻人体在环境变化时的不快感觉,被称为“减轻人体负荷的纤维”。同时它含有蛋白质的天然保湿因子NMF,具有保健肌肤以及吸湿快干、保湿性好等优点,可用于浴用、化妆用品及内衣、睡衣等方面,具有独特的作用和性能。用希农纤维开发的商品保持了纤维本身所有的特性,具有良好观感、快适性及保健功能,将“美和健康”融为一体。5.虾蟹壳纤维的生产甲壳质纤维(ChitinFibber)和壳聚糖纤维(ChitosanFiber)是用甲壳质或壳聚糖溶液纺制而成的纤维,是继纤维素纤维之后的又一种天然高聚物纤维。甲壳质(Chitin)是由虾、蟹、昆虫的外壳及菌类、藻类的细胞壁中提炼出的一种天然生物高聚物,壳聚糖(Chitosan)是甲壳质经浓碱处理后脱去乙酰基的产物。在自然界中,甲壳质的年合成量在1000亿吨以上,是一种仅次于纤维素的蕴藏量极为丰富的有机再生资源。1939年,G.W.Rigby得到了用于生产壳聚糖及从壳聚糖生产薄膜和纤维的专利。1980年,日本吴羽化学工业公司的小杉淳一以甲壳质为基料制成纤维而获得发明专利。由于制造甲壳素纤维的原料一般采用虾、蟹类水产品的废弃物,一方面这可减少这类废弃物对环境的污染,另一方面甲壳素纤维的废弃物又可生物降解,不会污染周边环境,所以,甲壳素纤维也被称为绿色纤维。甲壳质与壳聚糖纤维不但具有良好的物理机械性能,而且具有优良的生物活性。该纤维无毒性,具有能被人体内溶菌酶降解而被人体完全吸收的生物可降解性;对人体的免疫抗原性小,且具有消炎、止痛及促进伤口愈合等生物活性,引起了医学界的瞩目。用甲壳质、壳聚糖及其衍生物纤维制作的内衣裤,具有抑制微生物、菌类繁殖和吸臭功能。这类纤维与绵纤维混纺制成的面料挺刮、不皱不缩、色泽鲜艳,光亮度好。制成运动衣穿在身上感觉舒适、爽滑、富有弹性、吸汗性好,对人体无刺激无静电作用,且不褪色。近年来,国内已经开展了直接培养真菌制取甲壳素或直接提取壳聚糖,相信不用多久就会实现工业化生产,从而改变单一依靠虾、蟹壳为原料的被动局面。国际上日本在1993年开发了发酵法生产壳聚糖工艺,我国1998年亦开发成功,将可达到降低壳聚糖制造成本。6.生产生物纤维、织物早在1864年美国已制造出蜘蛛丝长统袜,它是由500个蜘蛛的喷丝头中抽取出来的。1900年巴黎展出了蜘蛛丝束制作的长18yd、幅度18in的织物。从80年代开始,科学家开始用生物技术,通过遗传基因的改变,探索使蚕吐蜘蛛丝。美国杜邦公司主要研究利用细菌和植物细胞开发蜘蛛丝,目前已达405kg的开发阶段水平,计划今后3-5年发展到每批生产45kg-450kg的中试规模后再建造450t的工业规模装置。加拿大Nexia公司研究出更先进的方法,他们用遗传工程技术培育出的山羊生产含蜘蛛丝蛋白的奶,提取蜘蛛丝蛋白后纺成蜘蛛丝纤维,每年可生产6000kg蜘蛛丝纤维。这种独特的技术是将蜘蛛体内产生蜘蛛丝蛋白的基因移植到山羊的受精卵细胞核内,培养成转基因山羊,这种转基因山羊在发育成熟以后产出除的羊奶中便含有了蜘蛛丝蛋白,经提取并纺制成高强度纤维,称为BioSteel纤维。这种“蜘蛛丝”有蚕丝的质感,有光泽,弹性极强,比钢铁坚实却又很柔软,是制造防弹衣的极好材料,该织物被称为“生物钢”,比钢坚韧4-5倍,比目前用来制造防弹衣的纤维凯夫拉的韧性还要高出两倍,而且这种纤维比凯夫拉优胜之处是它的生产流程非常环保。蜘蛛丝外观颜色呈金黄色,是一种超级纤维,虽貌似纤细,但却是当今世界上韧性最好的纤维,蜘蛛丝的抗张强度超过钢索。拉伸强度达40万磅/英寸2,为钢丝强度的两倍多,比普通的对位芳族聚酰胺纤维强3.5倍,具有合成材料所不具有的特殊的形状和性能,尤为特别的是,特殊的蜘蛛丝不到10um的完好单丝不仅具有大的能量损耗能力,而且具有较好的干湿模量,高拉伸强度和高延展度,良好的生物相容性,生物降解性和可回收性。它能够自然降解,不会污染环境。美国科学家用遗传工程技术制造的蜘蛛丝除可应用于防弹织物,还可以当作一种坚韧的纤维丝用于汽车车身和其他结构。也可生产手感如丝绸,穿着似聚酯纤维的织物,不需干洗,具有良好的尺寸稳定性和免烫的纺织面料。目前Nexia公司的技术还处于实验室研制阶段,正在寻求合作伙伴来拓展该项技术及其应用领域,新纤维的潜在应用领域包括医用防护服、缝合线、血管接枝、汽车及建筑结构材料、军用材料等。7.竹纤维的性能竹纤维是继木浆纤维之后又一种新型植物纤维,它以竹纤维素、竹密和果胶为原料制得。竹纤维同棉毛纤维相比有一系列优越性,竹纤维的横截面布满椭圆形孔隙,可以在瞬间吸收并蒸发水分,有很高的吸汗能力和较好的透气性,又有独特的回弹性能,它比目前任何纤维服装凉爽舒适。竹纤维手感柔软,有淡淡的竹子清香和独特的回弹性能,耐磨性优于棉、木原料制成的纤维。以竹纤维制作的面料吸湿性好,透气性佳,悬垂感强,色彩清雅,舒适凉爽,尤其独特的是竹纤维具有天然的抗菌功能,顺应了现代人们追求舒适的潮流,适宜制作夏季时装及衬衫。竹纤维原料均来自于天然可再生资源,产品使用后可生物降解,符合环保要求。竹纤维既可纯纺,也可与棉、合成纤维混纺(或交织、色织),可广泛应用于夏季各种时装、内衣裤、运动员服装、婴儿服装、床上用品、各种防臭鞋袜和其它生