生物基纖維在非織造材料中的開發與應用

王丹 王玉曉 靳向煜

摘要：本文就幾種生物基纖維在非織造領域的應用及材料特性進行了介紹。如海藻纖維和殼聚糖纖維作為海洋生物基纖維具有良好的物理化學性能、生物相容性和抗菌性，其非織造材料常被用于敷料、生物組織工程等中；聚乳酸具有良好的生物相容性和生物可降解性，通過針刺、熱粘合等工藝可以制備成非織造材料，用于過濾、裝飾、農業等領域。

關鍵詞：生物基非織造材料；海藻纖維；殼聚糖纖維；聚乳酸纖維

中圖分類號：TS172 文獻標志碼：A

The Application of Bio-based Fibers in Nonwoven Materials

Abstract： The paper introduces the properties of several kinds of bio-based fibers and their applications in nonwoven field. As marine bio-based fibers， alginate fiber and chitosan fiber have excellent physical and chemical properties， biological compatibility and anti-bacteria property， which are widely used for medical dressing， biological tissue engineering， etc.； polylactic acid fiber have good biological compatibility and biodegradability， which can be made into needle-punched and thermal-bonded materials to be used in filtration， decoration and agricultural fields.

Key words： bio-based nonwoven materials； alginate fiber； chitosan fiber； polylactic acid fiber

近年來，生物基纖維在非織造材料中得到日益廣泛的應用，根據原料的來源和生產過程，可將其分為四大類，表 1為該類纖維在非織造材料中的主要應用情況。

1 再生纖維素纖維及其非織造材料

再生纖維素纖維通過針刺、水刺、熱粘合等方式可以制成非織造材料，用于個人衛生護理、過濾等領域。

粘膠纖維具有良好的吸濕性、柔軟性和纏結性能，用途廣泛，但濕強低，故常與其它纖維混合制作非織造材料。通過水刺工藝，將粘膠纖維與蠶絲纖維混合后加固成衛生用品包覆材料，將其與木漿纖維混合可制成可沖散濕巾，與其它化纖混合可制成面膜基布、汽車內飾等。此外，也可通過針刺工藝將粘膠纖維制成過濾材料，如將其與殼聚糖一道混合，制備的針刺非織造材料具有抗菌性能，是性能優良的敷料材料；將其與麻纖維和PA6納米纖維混合制備的多層非織造材料，較一般過濾材料具有更好的吸油過濾性能。

Lyocell纖維具有良好的吸濕透氣性，可以通過水刺、針刺、熔噴等工藝來制備非織造材料，用作過濾材料、面膜基材、生物組織工程材料等。如將Lyocell纖維與粘膠纖維混合通過針刺工藝制備的過濾材料，比純粘膠纖維制備的材料吸附性能更好，比表面積更大。日本專利（專利號JP 2014073432-A）公開了一種過濾材料的制備方法，將原纖化Lyocell纖維制成的纖網與直徑為 1 ～ 8 μm的化纖短纖制成的纖網進行復合，通過熱粘合工藝可制成非織造過濾材料；專利US 2013269294 A1公開了一種通過納米Lyocell纖維、超細纖維和熱熔纖維制備的多層非織造材料，納米級的Lyocell作為材料的頂層，含量為總克重的40% ～ 80%，超細短纖作為材料的基層，含量為20%左右，可以選用聚酯纖維、聚丙烯纖維、聚氨酯纖維等，材料的克重為65 ～ 113 g/m2，這種材料可以用于消毒材料、包裝袋的制備；專利CN 103161028 A公開了一種面膜基材的制備方法，使用Lyocell纖維與殼聚糖纖維共同制備美容面膜基材，其優點是在去離子水中的吸收量為 6 ～ 40 g，干強為0.1 ～ 4 N/cm，濕強為0.3 ～ 10 N/cm，拉伸率低于30%。

雖然粘膠纖維和Lyocell纖維具有良好的物理性能，制成的水刺非織造材料對人體而言具有很好的舒適性，但其產品的用途比較單一，不夠多樣化。要使其應用領域更廣泛，應進一步探索其加工方式，使產品更加多樣化。

2 再生蛋白纖維及其非織造材料

再生蛋白纖維因為受到機械性能的限制，所以只能通過水刺、針刺等工藝制備非織造材料，制備的非織造材料具有良好的親膚性和舒適性，與人體相容性較好，可用于衛生護理領域、生物工程領域等。

膠原蛋白纖維不僅可以制備水刺非織造材料，還可以通過針刺工藝來制備軟骨組織，因為膠原針刺材料在組成和纖維排列上很好地模擬了軟骨組織。但是膠原針刺材料的力學性能較低，因此其制成的軟骨組織的機械性能也處于較低水平。此外，也可以通過靜電紡絲來制備膠原納米纖維，用于制備生物支架材料，其突出優點是在加強材料生化性能的同時不會損壞其機械力學性能。

采用濕法紡絲的方法得到再生蛋白纖維的時間大概需要60 h，生產線太長，能源消耗大，且生產過程中需要的化學試劑很多，對環境的污染比較大。此外，得到的纖維強力也較低，不利于生產加工，需經過后處理才可應用于紡織領域。因此，進一步研究生產過程更環保、更節能的再生蛋白纖維是突破點。專利US 20130256942 A1中介紹了一種更加節能、環保的生產牛奶蛋白復合纖維的方法，生產的纖維主要用于紡織領域。該專利采用了熔融紡絲工藝。用一種塑化劑將從牛奶中提取出來的蛋白質增塑在一起，溫度在室溫至140℃之間，然后在一定的壓力下擠出成形得到牛奶蛋白復合纖維，塑化劑可以是水、甘油、多糖類物質等。

3 生物基合成纖維及其非織造材料

PLA纖維具有良好的生物相容性和生物降解性，可以采用干法、紡粘法、熔噴法成網，之后通過針刺、熱粘合的方法加固形成非織造材料，用于醫療、包裝材料、過濾材料、農用材料等領域。

將PLA和亞麻纖維混合，采用氣流成網、熱軋工藝制備非織造材料，產品不僅具有良好的生物降解性，而且具備一定的物理機械性能，可用于包裝材料等。

PLA雖然具有良好的生物相容性和降解性，但不具有抗菌性，這也限制了其應用。如將制備的熔噴PLA材料用鹵胺化合物進行抗菌整理，則其材料可用來制作醫療衛生用品、過濾材料等。

PLA具有優良的生物降解性能，因此也可用于農作物的覆蓋膜。目前已有研究團隊制備出了一種PLA/PHA的復合非織造材料，通過對其進行風化模擬測試，確定此種材料可用作多季節的生物堆肥覆蓋材料，是替代傳統農業覆蓋物的良好選擇。

此外，將靜電紡制得的PLA納米纖維分別直接復合在水刺非織造材料和熔噴非織造材料上，制成PLA納米纖維非織造復合材料，材料的過濾性能將大幅度提高；將熔噴PLA非織造材料進行駐極處理后，材料的過濾性能也可顯著提高，但過濾阻力不會發生太大變化。有研究者指出，單一的PLA熔噴非織造過濾材料雖然具有較高的強力，但是靈活性較差，如果使用PLA/PCL復合熔噴非織造材料，則其在保持過濾效果和強力的同時，靈活性也會增強。

PLA非織造材料雖具有良好的生物降解性能和生物相容性，但其生產過程并不是完全綠色的，而且由于受到本身物理性能的限制其非織造材料的應用領域有限，今后可進一步優化PLA纖維的生產工藝，使其更加綠色化；也可以進一步改善PLA的性能，使其制備的材料應用領域更加廣闊。

4 海洋生物基纖維及其非織造材料

海洋生物基纖維指纖維原料來自于海洋中的動植物，如藻類，蝦、蟹的外殼等。這類纖維一般具有良好的物理化學性能、生物相容性、抗菌性等，可通過針刺工藝制備非織造材料，一般用于醫用敷料領域；通過水刺非織造工藝制備的非織造材料，一般用于個人衛生材料，如面膜、紙尿褲等；通過靜電紡絲紡成微納米纖維可用于生物組織工程材料的開發。

4.1 海藻酸纖維

海藻纖維常采用海藻酸鹽與非海藻酸高聚物（如纖維素）共混紡絲制得，在醫療領域具有很好的應用。如將殼聚糖作為混凝劑制備的海藻纖維可進一步制備成醫用敷料，不僅提高了敷料的強力，也提高了其吸收性能。專利CN 103074777 A公開了一種載銀海藻酸鹽敷料的制作方法，即將濃度為1% ～ 8%的海藻酸鈉溶液擠入濃度為1% ～4%的氯化鈣溶液中，制得海藻纖維，然后將其浸泡在濃度為 0.2 ～ 2 g/L的二氧化硅溶液中得到具有抗菌性的載銀海藻酸纖維，所制得的敷料具有高效的止血性和傷口愈合性。

除了制作敷料，海藻纖維還可作為口罩、組織工程復合支架等的材料。專利CN 203226301 U中公布了一種過濾口罩的制備方法，將海藻纖維和甲殼素纖維混合鋪網，經針刺非織造工藝制成的產品具有抑菌、吸濕透濕、舒適健康的保健作用，制成的非織造布能吸附空氣中的重金屬和粒徑在2.5 μm以上的細小顆粒；專利US 20090087469 A1中公布了一種海藻支架的制備方法，通過靜電紡絲紡出海藻酸長絲，纖維直徑為50 ～ 500 nm，其制備的支架厚度為0.05 ～ 5 mm，在生物環境下具有穩定的性質。

海藻纖維非織造材料用途雖較多，但由于海藻酸鹽水溶液太粘稠，即使是在凝膠濃度以下，聚合物鏈的缺陷以及分子間的斥力也會阻礙纖維鏈的形成，使海藻纖維的加工有一定的困難。已有文獻提出了一種新型的紡絲方法，用微流控的方法可以持續生產出具有溝槽的海藻酸長絲，該方法成本低，操作簡單，生產的纖維同樣具有良好的生物相容性，可以用于細胞支架材料的制備。

4.2 殼聚糖纖維

殼聚糖纖維具有良好的抗菌性、可降解性和生物相容性，一般采用針刺工藝制成非織造材料，可用于生物組織、過濾材料中。

殼聚糖纖維可以促進纖維原細胞的快速增殖、膠原蛋白的合成及血管化，因此采用針刺工藝制備的殼聚糖材料主要用于醫用敷料領域，且其成本較低、生產速度較快。專利CN 202069768 U公開了一種酰化殼聚糖纖維類自粘貼傷口敷料的制備方法。該敷料采用殼聚糖纖維制成的非織造材料作為基材層，產品具有高吸濕性和高濕強度，同時具有止血、抗菌、促愈的作用，特別適合慢性傷口的治療。

專利CN 103191463 A公開了一種殼聚糖纖維/生物活性玻璃三維有序多孔支架的制備方法，該材料具有良好的生物活性、生物相容性、生物降解性等特點；機械強度較高，力學性能良好，可滿足為骨修復部位提供受力支撐的要求。專利RD 603032 A公開了一種含有天然纖維的殼聚糖非織造材料，這種材料更柔軟，可廣泛應用于濕巾、面膜等材料中。

殼聚糖纖維還可以用于制備過濾材料，采用濕法成網工藝制備的過濾介質具有較好的過濾效果，可用于替代廢水廢油的過濾材料。通過靜電紡制得的殼聚糖纖維由于具有良好的吸附性能，可進一步制成非織造材料，具有優良的過濾效果。如將靜電紡制得的納米殼聚糖/PEO纖維與PP紡粘材料相復合，制得的材料可用于液體或空氣過濾。

殼聚糖纖維雖具有多種良好的性能，但制備過程中仍存在一些技術瓶頸，如脫乙酰度提高困難，制備高純度的殼聚糖受限；殼聚糖纖維水溶性不好，短期內難以實現快速抑菌；混合、開松、梳理成網困難，制備纖網受限等。如能解決這些問題，其應用領域可進一步拓寬。目前已有團隊研究改善其水溶性的方法，且制備出的琥珀酰殼聚糖是一種水溶性殼聚糖，性能更佳，具有良好的水溶性，可用于制備泡沫敷料等。

海洋生物基纖維因為性能相近因而可制成復合纖維。如將海藻酸與殼聚糖溶解后相互混合，通過靜電紡絲可得到具有皮芯結構的雙組分纖維，其中海藻纖維為芯層，殼聚糖纖維為皮層。這樣可以避免海藻纖維在形成過程中由于Ca2+的析出而導致纖維結構的破壞。

海洋生物基纖維雖然原料來源廣泛，具有良好的生物相容性和可降解性，但其本身的一些性能特點限制了其發展。如海藻酸纖維的水凝膠性能太好，導致纖維制備有一定難度；殼聚糖纖維抑菌性優良，因此大多只能用于制備醫療產品。此外，適合的工藝方法也較單一，產品的適用領域也較窄。這些缺陷也成為今后其研究的方向。

5 結語

生物基纖維的原料來源于自然界，是未來紡織材料行業的發展重點。其加工涉及領域較廣，生產難度較大，需多學科交叉，共同開發，性能更加優良、更適合產業用的纖維是發展趨勢。目前，大多數生物基纖維非織造材料的加工方式較單一，應用領域有待拓展，這與纖維材料本身的性能及加工方式等有很大的關聯性，因此，多學科、跨領域的研究合作，對于拓展生物基非織造材料的市場很有必要。

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