生物質整理劑在紡織品中的應用

楊宏珊

(1.中國紡織信息中心，北京 100020；2.中聯品檢(北京)技術集團有限公司，北京 100025)

織物加工過程中借助化學試劑的作用改善織物的外觀、手感、尺寸穩定性以及增進或賦予織物某種功能的加工被稱為織物整理，使用的化學品稱為織物整理劑，如季銨鹽類、蛋白質等。織物整理是紡織品生產中一道必要且重要的加工工序，可以使織物獲得抗菌、抗褶皺、親膚、耐用等多種優良特性。在紡織品整理過程中，一般使用各種類型的整理劑對織物進行浸軋、浸漬，噴涂等整理加工。在傳統的紡織整理加工中使用的整理劑多為化工產品，有些整理劑使用不當可能會對人體構成潛在的傷害，且生產過程中對環境也可能帶來危害。

生物質整理劑因具有可生物降解、對環境友好等特點，受到研究人員的廣泛關注。本文介紹了紡織品整理加工中使用的幾種生物高分子材料、植物基生物活性材料，分析了其作為綠色可持續生物整理劑使用時的優勢和不足，為在碳中和背景下生物質整理劑在紡織品加工生產中的應用提供參考。

1 生物高分子整理劑及其應用

1.1 殼聚糖類

在紡織服裝抑菌性整理方面，抑菌抗皺的殼聚糖相對化學整理劑在環保、安全性等要素中優點顯著而倍受青睞。殼聚糖是一種氨基多糖生物聚合物，其生物相容性良好，無毒無味，對各種細菌和真菌微生物細胞具有廣泛的抗菌活性[1-2]。由于抗菌活性依賴靜電作用，所以增加殼聚糖的正電荷密度能夠增強其抗菌活性。天然殼聚糖的抑菌性能受到自身濃度、相對分子量和酸堿度的影響，整理效果不理想。Lee等[3]實驗發現，對比低聚殼聚糖，高聚殼聚糖抑菌性能更顯著。對殼聚糖進行改性或復合化處理，可增加其抑菌性能。胡鳳霞等[4]制備殼聚糖/Ag+復合整理劑處理莫代爾織物，其抗菌效果明顯優于殼聚糖或銀離子單獨整理的效果，經過50多次的水洗后抗菌效果未有明顯的變化。此外，改性殼聚糖或殼聚糖復合整理劑還可賦予紡織品一些功能，如抗皺和阻燃。在桑蠶絲織物的抑菌和防紫外線整理中，利用殼聚糖—蘆薈復合整理劑處理后，復合整理劑協同處理的桑蠶絲的抗紫外線和抑菌效果提高明顯[5]。

殼聚糖作為紡織品整理劑的缺點是它對纖維素織物的黏合性較差，需要對纖維素織物進行改性處理以固定纖維素織物內的殼聚糖及其衍生物，才能賦予所處理織物有效功能[6]。另外，對殼聚糖改性和復合處理中會造成成本增加，加入化學物質產生有害氣體，如甲醛。這些缺點需要研究解決。

1.2 環糊精

淀粉是一種重要的天然紡織漿料，綠色環保無危害，在紡織品整理工藝中不可或缺。環糊精作為淀粉在酶作用降解的環狀低聚糖產物，同樣具備良好特性，如生物相容性、生物可降解性、生態友好性和安全性等特點，作為紡織品整理劑天然無害、潛力巨大[7]。目前發現環糊精分為α-環糊精、β-環糊精、γ-環糊精3種，但在生活中人們常常提到的是β-環糊精，β-環糊精的分子空腔適中，生產成本低，在生產使用中最廣泛。α-環糊精和γ-環糊精生產成本高，應用受到限制。相對來講，β-環糊精的溶解度是這3種中最低的，因此，在紡織品整理中需要對其外緣羥基進行化學修飾，增加其在水中的溶解性，以確保處理織物后能持久固定在織物纖維上。環糊精的一個顯著特征是能夠在其疏水腔內容納許多有機和無機分子(固體、液體和氣體化合物)，形成包埋復合物，這種包埋復合物的理化性質會發生有益的改變，如改善溶解度、穩定性、揮發性，以及控制活性成分的釋放[8]使纖維織物功能發生變化。并且環糊精分子可以利用其羥基進行改性處理，增加特殊的性能。

環糊精在織物整理中可以實現的功能主要有以下幾方面[9-10]：提高化學合成纖維的吸濕性；吸收各種刺激性較大的異味，如煙味、腥味、人體汗液異味等；提升醫用材料的吸附作用，吸附人體內毒素和外源性毒素(β-環糊精本身無毒且無生理副作用)；包覆一些特殊功能性助劑，賦予織物特殊的功能；使用β-環糊精將藥劑整合在纖維或織物中，在使用紡織品時藥劑的特性會從織物上緩慢釋放出來，可以用于生產具有長期保健功能的紡織品；利用環糊精良好的包覆性能，按照個性化喜好來選擇某些香料或香精，使服裝在穿著的時候緩慢釋放，保持織物持久留香。

隨著技術的不斷改進，環糊精作為整理劑應用領域更為廣泛。β-環糊精已廣泛應用于纖維素織物的功能整理、除味抗菌整理、醫用保健紡織品、防紫外線紡織品及服裝香味整理等。如通過β-環糊精或衍生物對含纖維素織物進行預改性，再用抗菌劑進行后處理或將抗菌劑預加載到β-環糊精空腔中用所得復合物對織物進行處理，可以在含纖維素織物中利用β-環糊精來提高其抗菌活性[11]。銀離子、三氯生、奧替尼啶雙鹽酸鹽、抗生素、納米銀顆粒以及一些具有生物活性成分(如百里香酚)等已被用作客體分子與環糊精結合作為纖維素織物的抗菌整理劑[12]。此外，用一氯三嗪與β-環糊精形成的復合物，采用堿性分散染色法對棉/滌綸織物同時進行分散染色和防紫外線整理發現，染色后的混紡織物樣品顏色深度有所提高，抗紫外線性能顯著增強[13]。

1.3 海藻酸鈉

海藻酸鈉是從海藻中提取的天然多糖，因其無毒，生物相容性、降解性和生物吸收性較好而具有廣泛的應用，主要應用于傷口處理、各種殺生物劑的控制釋放和封裝、抗菌離子(銀離子、鋅離子、銅離子等)的生物吸附以及抗菌整理等方面[14]。在紡織品生產、染色中有大量的使用。海藻酸鈉在棉織物的抗菌整理中，作為穩定劑用于負載納米銀粒子和納米銅粒子[15]。涂有抗菌成分的海藻酸鈉微膠囊的棉織物顯示出顯著和持久的抗菌活性，處理后的棉織物可抵抗測試病原體[16]；使用殼聚糖和海藻酸鈉逐層沉淀工藝對棉基材進行抗菌處理，經處理的棉織物表現出優異的耐洗性和抗菌性，證明了殼聚糖/海藻酸鈉結合層對棉表面的良好黏附性[17]。

在印染方面，劉素素等[18]在提高涂料染色色漿穩定性時，通過調節浸軋過程中海藻酸鈉的用量及溫度等參數，使得染色牢度顯著提升。在具有良好應用效果的同時，海藻酸鈉在實際應用中的質量穩定性還需要進一步提升。

1.4 木質素

木本植物的木質組織中存在大量的木質素。木質素是一種比較豐富的生物質資源，為相對價廉、易改性天然材料，主要用途是可以形成交織的網格形細胞壁。在木本植物中，木質素的占比比較高，可達25%。

在安全有效的紡織整理分散劑方面，木質素磺酸鹽類是最為有效的分散劑。木質素磺酸鹽屬于陰離子表面活性劑，由于其平均分子質量和磺化度的不同，其最終用途也有很大的不同。木質素磺酸鈉鹽等分散劑來源于天然的松木中，在許多行業已逐漸取代傳統的萘磺酸鹽類分散劑，廣泛用于紡織染料的加工，如美德維實偉克公司的木質素磺酸銨鹽BorresperseAM-320，較其他磺酸鹽對提高酸性染料的冷水溶解度更為有效，被廣泛應用于金屬絡合酸性染料和弱酸性染料的后整理加工中，主要生產高品質的酸性印花染料。美德維實偉克公司的REAX 85A助劑在紡織助劑行業是多用途的染色分散劑，用于分散染料對滌綸和醋酸纖維的染色，能有效防止染料在高溫染色條件下產生凝聚，提高勻染性能，尤其適用于筒子染色機、卷染機、溢流染色機等低浴比染色條件[19]。董愛學等[20]通過實驗將溶菌酶接枝到富含木質素的不同織物中賦予其抑菌性能，結果顯示麻織物經漆酶催化可實現溶菌酶的固定化，麻纖維木質素含量越高，溶菌酶接枝越多，整理后的棉/亞麻織物和黃麻織物抑菌率顯著提升，且通過接枝法固定溶菌酶的麻織物較吸附固定法具有更好的耐水洗穩定性和抗菌效果。全球造紙產生的木質素副產物量十分大，工業木質素能夠有效利用的量很微少，處理不合理不僅造成資源的巨大浪費，還將帶來對環境的破壞，因此，促進木質素資源作為紡織整理劑意義重大。

1.5 蛋白質

在各種紡織品整理劑中，蛋白質是一種重要的類型，包括絲膠、絲素等。絲膠蛋白是蠶絲的主要成分之一，具有良好的生物活性，已成為組織工程領域備受青睞的新興生物材料。近年來研究人員已制備了多種絲膠蛋白水凝膠并用于組織損傷修復，然而由于這些水凝膠力學性能差而使其應用受到很大的限制[21]。絲膠作為紡織品整理劑可用于紡織品的阻燃、防紫外線、抗靜電、防皺、抗菌整理和提高舒適性等方面，絲膠蛋白可以與其他高分子交聯、共聚或共混，開發一種具有優良性能的新型生物可降解纖維，在綠色紡織發展過程中前景廣闊。絲膠蛋白作為蠶絲的主要組分，通常在繅絲行業中被當做廢料而丟棄，但由于絲膠蛋白特定的化學組成和結構，讓它展示出良好的成膠性、生物相容性、較低的免疫原性和獨特的天然熒光特性等性能，近年來逐漸受到廣泛關注[22]。

在羊絨織物的后整理過程中，為了使其具有抗菌等保健功能，對羊絨織物進行低溫等離子體預處理及蛋白功能整理，2種類型的絲膠蛋白和膠原蛋白，通過氮丙啶交聯劑季戊四醇—三(3—氮丙啶基)丙酸酯(PTAP)架橋獲得了改性羊絨。蛋白功能劑整理羊絨織物中發現，偏高的溫度有利于氮丙啶基交聯，交聯劑質量濃度為6 g/L時接枝效果最佳,但絲膠蛋白的接枝率低于膠原蛋白接枝率。羊絨整理后的親水性、染色性與等離子體處理后的變化不大，卷曲性發生下降，掃描電子顯微鏡顯示表面鱗片縫隙及刻蝕溝痕被蛋白功能劑掩蓋。另外，用絲膠蛋白處理的羊絨織物抗菌能力強于用膠原蛋白處理的，膠原蛋白處理的羊絨織物抗氧化能力大于絲膠蛋白處理的[23]。

1.6 其他生物聚合物

多種類型的生物聚合物在紡織品功能整理中都能夠滿足需要的功能和效果，同時有些生物聚合物還有潛在應用前景。如從生絲中提取絲膠蛋白并將納米二氧化鈦添加到其水溶液中可用來處理棉織物，能夠賦予織物良好的抗菌活性，并且在經過20次洗滌之后，織物的抗菌活性沒有明顯下降[24]。利用果膠負載姜黃素及蘆薈提取物被用作抗菌整理劑處理棉織物，可生產傷口護理材料[25]。使用乳清蛋白浸軋處理織物，能在織物表面形成被膜，從而隔絕氧氣，賦予織物一定程度的阻燃性[26]。通過超聲波處理將具有納米結構的木質素填充在亞麻織物上，被納米木質素覆蓋的亞麻織物呈現出阻隔紫外線、抗菌、抗靜電等特性[27]。由此可見，越來越多的生物質材料被應用于織物整理，因其成本、性能和環境友好等方面的優勢，這些生物質材料將有望逐漸取代傳統的合成聚合物，在未來織物整理中會逐漸得到重視與應用。

2 植物基生物活性材料及其應用

2.1 植物提取物

植物提取物可作為天然功能性紡織品整理劑。采用天然抗菌劑處理過的織物對測試的病原體表現出良好的抗菌活性。已有多項研究結果[28]表明，蘆薈處理后的棉織物具有良好的抗菌效果。與單獨處理的棉織物相比，蘆薈和印度苦楝復合處理的棉織物在清洗時具有更好的耐久性。采用圣羅勒葉甲醇提取物直接處理的棉織物顯示出良好的抗菌活性，與之相比，通過微囊化或樹脂交聯后的圣羅勒葉提取物處理的棉織物具有更高的抗菌活性，所以，采用植物提取物對紡織品進行整理是理想的應用，這些提取物可以直接從植物體中獲取，并在不同的化學方法處理后使其利用率達到最大化。

2.2 精 油

精油由多種芳香族化合物組成，通常精油是從植物的花、葉、根、種子、果實、樹皮、樹脂、木心等部位通過水蒸氣蒸餾法、冷壓榨法、脂吸法或溶劑萃取法提煉萃取的揮發性芳香物質。精油可殺蟲滅菌、使織物留香，具有消除疲勞、抵抗壓力、舒緩情緒等芳香療效和保健功能，香味醫療衛生用紡織品可提高其產品附加值，具有廣泛的應用價值。如丁香、薰衣草、迷迭香和肉桂已通過不同的技術應用于纖維素織物，以提供持久的抗菌及芳香整理。刁水華等[29]采用香茅精油微膠囊整理錦綸織物探究其驅蚊性，然后將蓋有整理后織物的手置于蚊蟲環境中評估其驅蚊效果，最終得出：與單純噴灑精油乙醇溶液的織物相比,香茅精油微膠囊整理的織物具有更高和更持久的驅蚊性。植物精油對紡織品的整理隨著技術的進步應用越來越廣泛。

2.3 天然染料

天然著色劑的研究和應用在紡織工業中的應用受到越來越廣泛的關注。一些天然染料，如石榴、茜草、紫草、菘藍、桉樹葉等已成功地應用于纖維素織物的染色和功能性整理中。然而，天然染料在色牢度、耐洗性和耐久性等方面有嚴重的不足。天然染料分子結構各不相同,染色方法也不相同。目前已采用生物媒染劑、預化學修飾(如預陽離子化或β-環糊精預處理后染色)、酶處理、等離子體預活化、紫外線輻照或超聲波處理等方法克服其缺點[30]。天然著色劑具有賦予纖維素織物多種功能的潛力，如抗菌性、除臭和驅蟲性能[31]，對開發生態環保纖維素織物具有極其重要的作用，未來天然染料的缺陷將縮小，成為紡織面料染色整理的首選染料,其抗菌性范圍和持久性將是未來研究的重點方向。

3 結束語

隨著生態環境保護逐漸得到重視，傳統整理工藝面臨環境污染、危害健康等問題的挑戰，綠色生態整理劑的使用是紡織整理的大勢所趨。生物質整理劑是一種值得關注的生態友好型和可再生材料，在紡織品功能整理中具有廣泛的應用(如抗菌、防紫外線、阻燃、防蟲驅蚊等)，是一種極具發展潛力的生態紡織整理劑。既能滿足不斷增長的消費者需求，又能實現可持續性發展的愿望。

生物質材料的發展重點是要加強技術創新，進一步降低成本，建立完善的產業體系，以增強生物材料與石油材料產品的競爭力。一方面，要構建以突破關鍵生物基單體廉價制備技術為前提的生物質材料創新鏈；另一方面，要實現以應用示范帶動成套可轉移技術鏈和可復制推廣的產業鏈的構建。為此，需推動生物質整理劑的創新發展，大幅提高其經濟競爭力與規模化應用水平，使生物質整理劑作為紡織生產整理中的主要整理劑，取代化工合成整理劑造成的環境危害，為紡織產業可持續綠色發展創造新的動力。