纖維科普：生物基化學(xué)纖維

生物基纖維生產(chǎn)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，已經(jīng)在服裝和家紡等產(chǎn)品中獲得廣泛應(yīng)用

合成纖維以石油為主要原料，石油作為一次性資源正面臨日益枯竭的困境。同時(shí)，傳統(tǒng)合成纖維還具有不易降解的特點(diǎn)，“白色污感”帶來(lái)的危害已受到人們的高度關(guān)注。為適應(yīng)綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的需求，研究開(kāi)發(fā)新型生物基化學(xué)纖維成為發(fā)達(dá)國(guó)家的戰(zhàn)略計(jì)劃。近年來(lái)，生物基纖維生產(chǎn)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，生物基纖維已經(jīng)在服裝和家紡等產(chǎn)品中獲得廣泛應(yīng)用。

什么是生物基化學(xué)纖維？生物基化學(xué)纖維有哪些品種？有哪些特點(diǎn)？所有生物基化學(xué)纖維都具有可降解的特點(diǎn)嗎？……讓我們一起來(lái)了解一下生物基化學(xué)纖維的方方面面。

什么是生物基化學(xué)纖維？

生物基纖維或生物源纖維（Biobased fiber）是指利用可再生的生物體或生物提取物制成的纖維。以區(qū)別于用煤、石油等不可再生石化資源為原料生產(chǎn)的纖維。

生物基纖維的品種很多，為了研究和使用上的方便，可以從不同角度對(duì)它們進(jìn)行分類(lèi)：從生物學(xué)的屬性，可分為動(dòng)物質(zhì)纖維、植物質(zhì)纖維和微生物質(zhì)纖維；從產(chǎn)業(yè)分類(lèi)，可分為農(nóng)副產(chǎn)生物質(zhì)纖維和海副產(chǎn)生物質(zhì)纖維；根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程，生物基纖維可分為三大類(lèi)。一是生物基原生纖維，經(jīng)物理方法加工處理成后直接使用的動(dòng)植物纖維；二是生物基再生纖維，即以天然動(dòng)植物為原料，經(jīng)過(guò)物理或化學(xué)方法制成紡絲溶液，而后通過(guò)適當(dāng)?shù)募徑z工藝制備而成的纖維；三是生物基合成纖維，即以生物質(zhì)為原料，通過(guò)化學(xué)方法制成高純度單體，而后經(jīng)過(guò)聚合反應(yīng)獲得高分子量的聚合物，再經(jīng)適當(dāng)?shù)募徑z工藝加工成的纖維。

生物基再生纖維和生物基合成纖維統(tǒng)稱(chēng)為生物基化學(xué)纖維。那么這兩類(lèi)纖維有何不同呢？生物基再生纖維不改變生物質(zhì)大分子原有的化學(xué)結(jié)構(gòu)，紡絲過(guò)程是對(duì)其物理形態(tài)的再造，它僅僅改變了聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，而生物基合成纖維的化學(xué)及物理性質(zhì)取決于所使用的單體，它與單體來(lái)源無(wú)關(guān)。換言之，合成纖維可以用生物基單體也可用石油基單體，相同單體制成的纖維的性能就相同。生物基合成纖維強(qiáng)調(diào)的是其單體源于生物體。

生物基化學(xué)纖維具有哪些特點(diǎn)？

生物基化學(xué)纖維一直被認(rèn)為是“綠色纖維”“生態(tài)纖維”“環(huán)保纖維”。那么生物基化學(xué)纖維具有哪些特點(diǎn)呢？

首先，原料是植物、動(dòng)物的副產(chǎn)物，具有可再生性，可以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

其次，生物基化學(xué)纖維具有較低的碳足跡：生物基化學(xué)纖維所含碳原子全部或者部分來(lái)源于生物質(zhì)。以植物生物質(zhì)為例，植物在生成的過(guò)程中吸收地球大氣中的CO2利用光合作用合成新型含碳天然大分子。其廢棄后無(wú)論是經(jīng)過(guò)環(huán)境中的生物降解作用，亦或是燃燒轉(zhuǎn)為CO2，從全生命周期來(lái)看并不會(huì)產(chǎn)生額外的碳排放。因此，生物基化學(xué)纖維具有整體減碳排放或者無(wú)增碳排放的特點(diǎn)。

再次，大部分生物基化學(xué)纖維可呈現(xiàn)優(yōu)異的生物降解性和生物相容性：根據(jù)具體化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同，一些生物基化學(xué)纖維可以在堆肥、自然環(huán)境和生物體內(nèi)發(fā)生降解，以及具有較好的生物相容性，可應(yīng)用于生物醫(yī)用等領(lǐng)域。

生物基合成纖維和生物可降解纖維是什么關(guān)系？

近年來(lái)，隨著全球?qū)鹘y(tǒng)塑料等難以在自然環(huán)境中降解所造成的嚴(yán)重環(huán)境污感，以及日益嚴(yán)峻的微塑料污感問(wèn)題的關(guān)注，開(kāi)發(fā)生物可降解塑料及纖維制品變得尤為重要。特別是各國(guó)“禁塑令”的逐漸實(shí)施，一些具有潛在造成微塑料污感的制品將被禁止使用。然而，生物基化學(xué)纖維主要是指其原料中含有可再生植物生物質(zhì)或動(dòng)物生物質(zhì)成分，而生物可降解纖維既可以來(lái)源于生物基，也可以來(lái)源于石油基，因此，生物基合成纖維≠生物可降解纖維。

那么，哪些生物基合成纖維同時(shí)也是生物可降解纖維？哪些生物可降解纖維并非生物基合成纖維呢？石油基高分子材料或纖維是否都不能生物降解呢？

為了回答這些問(wèn)題，我們把高分子材料或纖維按照原料來(lái)源及是否可以生物降解分為4個(gè)象限，主要分類(lèi)如下：

石油基、非生物可降解纖維

傳統(tǒng)石油基化學(xué)纖維如滌綸、錦綸、丙綸和氨綸等均處于此象限。這些纖維具有高熔點(diǎn)，高結(jié)晶度，分子結(jié)構(gòu)規(guī)整，力學(xué)性能優(yōu)良，并且具有較好的耐水解性和抗化學(xué)腐蝕性，因此在自然環(huán)境中降解非常緩慢。例如，聚烯烴在自然環(huán)境中，受到日光照射，可以發(fā)生熱氧降解，但降解速率極低。低密度聚乙烯（LDPE）2.5年內(nèi)降解轉(zhuǎn)化為CO2的比例僅為0.35%，因此，我們通常認(rèn)為這類(lèi)纖維材料為非生物降解纖維。

生物基、生物可降解纖維

所有的生物基原生纖維（天然纖維）以及生物基再生化學(xué)纖維由于保留了天然生物質(zhì)的多糖或蛋白結(jié)構(gòu)，因此其纖維制品具有與天然生物質(zhì)較為類(lèi)似的完全生物可降解性。而生物基合成纖維中如聚乳酸（PLA）和聚己內(nèi)酯（PCL）等均可在堆肥，以及中性酶降解溶液中發(fā)生質(zhì)量損失、力學(xué)性能下降，礦化為二氧化碳和水等小分子，因此具有較好的生物可降解性能。從全生命周期分析來(lái)看，此類(lèi)纖維是生態(tài)友好型纖維材料。

生物基但難以生物降解纖維

高分子材料的生物降解性能是較為復(fù)雜的過(guò)程，與材料本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能緊密關(guān)聯(lián)。有些化學(xué)纖維材料盡管具有生物基屬性，但卻由于本身的結(jié)晶度高、熱學(xué)性能優(yōu)異，制約其生物降解性能，屬于難以降解的纖維材料，例如：

（1）生物基PTT（聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯）纖維：

生物降解的4個(gè)象限。

生物PTT 聚酯所使用的二元醇單體是生物基1,3-丙二醇（PDO）。PDO可以以谷物為原料，用生物法進(jìn)行生產(chǎn)。進(jìn)一步采用直接酯化法（用對(duì)苯二甲酸和PDO 直接反應(yīng)）或酯交換法（對(duì)苯二甲酸二甲酯與PDO進(jìn)行酯交換反應(yīng)）制得。PTT纖維具有優(yōu)于其他聚酯纖維的回彈性能、較低的拉伸模量、較高的斷裂伸長(zhǎng)率；具有較好的感色性能；扛褶皺性和戴軟手感，是我國(guó)近年來(lái)具有國(guó)際領(lǐng)先地位的新型生物基纖維品種。然而，生物基PTT 聚酯纖維與滌綸較為接近，并不具有生物降解性能。其生態(tài)優(yōu)勢(shì)在于可有效降低產(chǎn)品的碳足跡，但制品廢棄后難以通過(guò)自然環(huán)境降解。

（2）PEF（聚呋喃二甲酸乙二醇酯）纖維

與生物基PTT聚酯纖維較為類(lèi)似，PEF 聚酯纖維則是利用生物基二元羧基單體，即生物基呋喃-2,5-二甲酸與乙二醇制備而來(lái)。呋喃二甲酸可以以淀粉或纖維素等天然生物質(zhì)為原料，經(jīng)生物發(fā)酵或化學(xué)方法制備。PEF纖維與滌綸PET纖維相似，具有較為接近的熔點(diǎn)和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，盡管有報(bào)道稱(chēng)PEF具有一定的生物降解性，然而其生物降解速率較為緩慢，根據(jù)目前的生物可降解堆肥標(biāo)準(zhǔn)，并非生物可降解纖維。

其他生物基纖維材料，如尼龍56和生物基PDT纖維也屬于此類(lèi)。

石油基生物可降解高分子材料及纖維

如前所述，高分子材料的生物降解性能是個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，與材料本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能緊密關(guān)聯(lián)。有些化學(xué)纖維材料盡管主要來(lái)源于石油基，但卻由于本身的分子鏈結(jié)構(gòu)較為戴性，酯鍵容易發(fā)生水解，以及微生物或者生物酶降解，因而呈現(xiàn)較好的生物降解性能，例如：

制備PGA（聚乙酸醇)的重要化合物-草酸二甲酯(DMO)，其是由煤為原料，經(jīng)加氫、水解、聚合制得。PGA雖由煤制得，但是其生物降解能力很好，可以在1～3個(gè)月內(nèi)完全降解，降解產(chǎn)物是水和二氧化碳，完全無(wú)毒無(wú)害，常被用于可吸收手術(shù)縫合線(xiàn)，兼具高生物降解性和生物相容性。而PGLA（聚乙丙交酯）則是由9份乙交酯（PGA）和1份丙交酯（PLA)按照一定比例共聚制得。丙交酯如果為生物法制備而來(lái)，則PGLA 則可稱(chēng)為生物基，且生物可降解纖維。PGLA 具有較高的拉伸強(qiáng)度，良好的生物相容性和生物可降解性，也常用于可吸收手術(shù)縫合線(xiàn)。

其他如PBAT和PBST也主要來(lái)源于石油基。PBAT和PBST分別由己二酸丁二醇酯(PBA)、丁二酸丁二醇酯(PBA)與對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)共聚制備，其材料性能兼具PBA 和PBT的性質(zhì)，具有良好的斷裂伸長(zhǎng)率、延展性、耐熱性和沖擊性能，同時(shí)具有優(yōu)良的生物降解性能。可應(yīng)用為農(nóng)用地膜等薄膜材料，纖維應(yīng)用還處于開(kāi)發(fā)階段。

生物基化學(xué)纖維是如何加工的？

傳統(tǒng)生物基原生纖維，也就是天然纖維的代表為棉纖維和桑蠶絲。我國(guó)生產(chǎn)棉纖維和桑蠶絲紡織品的歷史已經(jīng)延續(xù)了幾千年。“綾羅綢緞”用以形容蠶絲纖維紡織品的精美及高檔品質(zhì)，古代更是權(quán)貴和財(cái)富的象征。棉纖維和桑蠶絲的生產(chǎn)主要以棉花和蠶絲為原料，主要經(jīng)過(guò)多種物理手段制備而成。我國(guó)在解放初期民間還廣泛使用的手工“彈棉花”，就是將棉籽與棉纖維進(jìn)行物理分類(lèi)，并進(jìn)一步加工為纖維制品的過(guò)程。

那么，現(xiàn)今的生物基化學(xué)纖維是如何由生物質(zhì)加工、制備而來(lái)呢？

生物基再生纖維的加工過(guò)程

以再生纖維素纖維為例，其加工過(guò)程可大體分為纖維素原料預(yù)處理加工和纖維成型加工兩道工序：

纖維素原料預(yù)處理加工：來(lái)自于原料中的纖維素不能直接利用，需要經(jīng)過(guò)提純處理才可以用于制備纖維，提純處理的目的是將原料中的木質(zhì)素、半纖維素等物質(zhì)去除，然后將其制成漿粕(制漿過(guò)程)。常用的處理方式有化學(xué)處理，大多是采用酸堿水解的方式進(jìn)行處理，但是這種處理方式對(duì)于環(huán)境的危害較大，已經(jīng)逐漸開(kāi)發(fā)了多種新型處理方式，如生物處理(利用真菌和細(xì)菌去除木質(zhì)素、角質(zhì)以及其他物質(zhì))、酶處理、物理處理(利用機(jī)械力、高能輻射、微波處理)、蒸汽爆破等。

最開(kāi)始制作纖維所需要的纖維素主要來(lái)自于棉花、木材，但是受到我國(guó)耕地面積和林業(yè)資源的限制，原料來(lái)源開(kāi)始向我國(guó)其他的可再生資源轉(zhuǎn)移，比如竹、麻、香蕉、甘蔗等，尤其是一些農(nóng)副產(chǎn)品，比如甘蔗渣、農(nóng)作物秸稈、椰子殼等，利用這些農(nóng)副產(chǎn)品作為纖維的原料可以實(shí)現(xiàn)變廢為寶，降低產(chǎn)品成本，為擴(kuò)大產(chǎn)量提供了廣闊的可能。

對(duì)纖維原料進(jìn)行預(yù)處理之后，接下來(lái)就是纖維成型加工，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的紡絲技術(shù)是溶液紡絲，其中最為典型的是粘膠法和直接溶劑法。

粘膠法是被最廣泛采用的纖維素纖維生產(chǎn)方法，先將纖維素用強(qiáng)堿處理生成堿纖維素，再與二硫化碳反應(yīng)得到纖維素磺酸鈉，再將該衍生物溶于強(qiáng)堿中制成粘膠（紡絲液），紡絲溶液從噴頭的細(xì)孔中壓入由硫酸、硫酸鈉和少量硫酸鋅所組成的凝固浴中凝固、再生，經(jīng)過(guò)拉伸等加工后得到人造纖維。生產(chǎn)過(guò)程包含復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，工藝流程長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，并生產(chǎn)CS2、H2S 等廢氣、含酸、堿、Zn2+的廢水、含CaO、Al2O3、MgO、Fe2O3等的污泥，消耗大量水、電、煤等能源。

直接溶劑法的代表是以N-甲基嗎啉-N-氧化物（NMMO）為代表的新溶劑體系的開(kāi)發(fā)。NMMO 法生產(chǎn)工藝是一種不經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)而制得纖維素纖維的過(guò)程，首先將漿粕與含結(jié)晶水的NMMO 充分混合、溶脹，然后減壓除去大部分結(jié)晶水，溶解，形成穩(wěn)定、透明、粘稠的紡絲原液，經(jīng)過(guò)濾、脫泡后紡絲。具有工藝流程短、污感小、溶解性能好等優(yōu)點(diǎn)。NMMO 法生產(chǎn)的再生纖維素纖維稱(chēng)為“Lyocell纖維”（萊賽爾），其被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色纖維。

由上述內(nèi)容可看出，溶劑法可以省略一系列化學(xué)處理的過(guò)程，縮短了生產(chǎn)流程，減少了污感。目前國(guó)內(nèi)外研究人員正致力于其他溶劑體系的開(kāi)發(fā)。

其他溶劑有離子液體和低溫堿/尿素體系等，其中低溫堿/尿素體系是由我國(guó)自主研發(fā)的纖維素溶解體系。

纖維素纖維清潔化加工工藝的研究還包括纖維素酯的熔融紡絲法，即通過(guò)生物質(zhì)原料的衍生化制備纖維原料，然后再進(jìn)行熔融紡絲。然而由于天然生物質(zhì)原料化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含多個(gè)羥基官能團(tuán)，容易發(fā)生高溫降解，其工藝雖已有報(bào)道，但尚未形成商品。

生物基合成纖維的加工過(guò)程

生物基合成纖維的加工過(guò)程與傳統(tǒng)滌綸、錦綸等纖維的制備工藝較為類(lèi)似，均主要通過(guò)熔融聚合制備切片，后經(jīng)熔融紡絲工藝制備纖維。隨著工藝的進(jìn)一步發(fā)展，也可以開(kāi)發(fā)熔體直紡絲工藝。

以聚乳酸為例，聚乳酸的單體是乳酸，或者經(jīng)乳酸二聚環(huán)化制備的丙交酯，可以玉米、馬鈴薯、甜菜等作物為原料經(jīng)生物發(fā)酵獲得。這些農(nóng)作物在我國(guó)的產(chǎn)量很大，因此聚乳酸纖維在我國(guó)的發(fā)展?jié)摿艽蟆＞廴樗崆衅纳a(chǎn)多采用兩步法，先將乳酸縮聚制成低聚物，然后在催化劑的作用下制成丙交酯，再在真空中蒸餾提純后進(jìn)行催化開(kāi)環(huán)縮聚制得聚乳酸。進(jìn)一步利用切片，通過(guò)熔融紡絲工藝，即可制得多種規(guī)格的聚乳酸纖維用于下游市場(chǎng)應(yīng)用。生物基合成纖維的加工過(guò)程與傳統(tǒng)滌綸、錦綸等纖維的制備工藝較為類(lèi)似，均通過(guò)聚合制備切片，后經(jīng)熔融紡絲工藝制備纖維。隨著工藝的進(jìn)一步發(fā)展，也可以開(kāi)發(fā)熔體直紡絲工藝。