生物可降解材料在服裝行業的應用現狀及發展趨勢

洪巖， 包惠穎， 吳波

(1. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院 ，江蘇 蘇州 215021，2. 牛頓商學院 商業管理系，廣東 深圳 518000)

服裝產業已成為除了石油產業以外的第二大污染產業[1],服裝行業可持續發展的關注度日益提高。與其他行業相比，服裝行業生產加工的各個環節都會產生各種生態問題，其中尤為突出的是微塑料問題。生物可降解材料作為一種更加清潔、高效、環保的材料，可以減輕服裝行業對環境造成的負面影響。雖然對生物可降解材料的研究已經有一定成果，但就服裝領域而言，很多因素限制了生物可降解材料的適用性。文中對服裝行業生物可降解材料進行系統綜述，通過分析其研究趨勢，為今后的研究和創新提供一定參考，以使更多的可降解材料從實驗室走出來，投入到實際生產應用中。

1 生物可降解材料的分類

生物可降解材料[2]是指在自然環境中，經過物理、化學和微生物過程，最終分解成水、二氧化碳和生物質的材料。生物可降解材料按其合成方法可分為天然可降解材料、再生生物可降解材料以及合成生物可降解材料。生物降解纖維與傳統纖維相比，手感柔軟，對皮膚的親和性好，通常用于制作內衣、運動服和醫用材料[3]。

1.1 天然可降解材料

天然纖維包括來自動植物的可降解天然高分子物質，它們比傳統合成纖維更容易被降解。天然纖維由于其可再生、可生物降解和環保的特性，在復合材料和紡織工業中發揮著至關重要的作用[4]。天然可降解材料包括天然植物和動物纖維，如棉、麻、羊毛、絲等，棉、麻纖維廣泛應用于各類服裝中，蠶絲纖維主要應用于高檔內衣、禮服中，羊毛纖維多用于各種內衣、外衣中。棉、絲、皮革和羊毛無疑是制作服裝的良好材料，但近幾十年來服裝產量的激增給這些有限的資源帶來了巨大的壓力，所以研究人員開始從更廣泛的渠道中獲取纖維原料，包括食品垃圾、農業廢棄物、藻類等。

1.1.1Piatex纖維 皮革一直是最受爭議的面料之一，慶幸的是近年來有越來越多的替代品出現。Piatex[5]是一種由菠蘿葉纖維制成的純素食皮革，是目前市場上最受歡迎的可持續材料之一。菠蘿葉纖維面料的色牢度和耐曬性能優于牛軟革。由菠蘿葉制成的天然織物可與皮革結合，用于制造多品類的服裝[6]。Piatex自2016年商業化以來，已經被500多個品牌采用，其中包括Trussardi，Rombaut，Hugo Boss等。2017 年，意大利超模伊娃·洛克波諾(RICCOBONO E)身穿以Piatex定制的Trussardi禮服亮相綠毯時尚大獎；2019 年，巴黎鞋履品牌Rombaut推出了多款混合了Piatex的鞋子；2019年，德國時尚品牌Hugo Boss推出了一款由Piatex菠蘿皮革制作的男士運動鞋。

1.1.2Vegea textile纖維 Vegea textile[7]纖維由意大利生物材料公司Vegea制造，是一種使用葡萄皮、葡萄藤及葡萄籽等葡萄酒副產品生產的類皮革材料。在生產過程中，Vegea textile不使用任何有毒化學試劑，減少了對環境的影響。服裝品牌& Other Stories使用Vegea textile制作了涼鞋與包袋；H&M等企業將其用于制作鞋類、皮包、高級定制禮服等。

1.1.3柑橘纖維 柑橘纖維[8-11]是由柑橘汁制成的絲狀纖維織物，類似于黏膠纖維，可與絲綢和棉混紡制成柔軟絲滑的面料，這一技術“拯救”了每年在意大利丟棄的70萬t橘皮。2017年，意大利奢侈品牌Salvatore Ferragamo使用這種材料制作了首個膠囊系列，該材料具有優質的飾面，因而成為意大利奢侈品牌的理想選擇。

1.1.4海藻纖維 海藻纖維是一種新型生物可降解纖維，其原料為海藻酸鈉，富含生物活性化合物，具有優異的生物相容性。目前，由海藻纖維制成的可降解材料多用于生產活性紗布、面罩、手術衣等衛生防護類紡織品[12]。海藻纖維具有吸濕透氣、抗菌、阻燃、可降解等優異特性，在紡織服裝領域也表現出極大的應用潛力。例如，美國佛羅里達的Nanonic公司利用海藻和桉樹的提取物，制成一種名為SeaCell的海藻纖維，其質地如絲般柔順，具有良好的抗菌、抗氧化功能，并且十分透氣，是制作運動服的理想材料；高端運動服品牌Rhone使用SeaCell纖維制作了連帽衫與緊身衣套裝。2019年8月，Vollebak推出了一款藻類制成的T恤[13]。

1.1.5蘑菇菌絲 Mylo纖維是一種由野蘑菇根部菌絲體培育出的既柔軟又堅固的可再生類皮革材料，由美國生物初創公司Bolt Threads研發。阿迪達斯的Stan Smith系列運動鞋是第一款大規模采用Mylo纖維制作的鞋履；Lululemon運用Mylo制作了瑜伽配件系列；Stella McCartney也使用這種材料制作了緊身胸衣和長褲。

1.2 再生可降解材料

再生可降解材料是由天然纖維素(如棉、麻、竹子、櫸木等)制成，在不改變其化學結構的基礎上，改變其物理結構，從而生產出性能更佳的纖維，且同樣能自然生物降解，如常見的天絲(tencel)、竹纖維、莫代爾(modal)和甲殼素纖維等。

1.2.1萊賽爾纖維 Lyocell(萊賽爾)纖維[14]是一種人造絲，由可再生竹子、樹木等天然植物搗碎后形成的木漿制成，兼具天然纖維與合成纖維的多種優良特性，生產過程中不使用任何有毒溶劑，也不產生任何化學反應，溶劑回收率高達99.7%，是一種優質的傳統黏膠纖維替代品，廣泛應用于休閑服、時裝、貼身衣物等。

1.2.2莫代爾纖維 莫代爾纖維[15-16]是蘭精(Lenzing)公司最早開發的具有高濕模量的再生纖維，該纖維以高品質歐洲櫸木為原材料，將櫸木制成木漿，再通過溶劑紡絲工藝加工成纖維。莫代爾纖維采用專門的機械及特殊加工處理方法，減少了傳統黏膠纖維生產中產生的污染，具有良好的環保特性。莫代爾的原材料為纖維素纖維，屬于天然纖維，能夠自然降解，對人體和環境無害。莫代爾纖維多用于內衣中，也可用于運動裝、休閑裝等。

1.2.3竹纖維 竹纖維[17-18]是通過物理或微生物脫膠法從竹子中提取的纖維，在提取過程中，竹纖維的結構特性沒有發生改變，使得纖維保有天然的特性。竹纖維具有良好的吸濕透氣性、耐磨性和染色性，具有天然抗菌、抑菌、除螨及抗紫外線等性能[19-20]，可應用于內衣、家居服、針織衫等。

1.2.4甲殼素纖維 甲殼素是一種豐富的天然氨基多糖，存在于真菌、甲殼類動物以及昆蟲中，具有生物相容性、生物降解性，且可促進傷口愈合，是一種具有高潛力的新型功能材料，在生物醫學、環境、紡織服裝等領域有廣泛的應用前景。甲殼素纖維[21-23]具有優良的可紡性、透氣性以及抗菌性，所制成的服裝穿著舒適，具有抗菌防臭的功效，能預防皮膚病，可用于制造抗菌內衣、童裝等。

1.2.5大豆蛋白纖維 大豆蛋白纖維[24]是由大豆中含有的蛋白質制成的人造纖維，屬于再生植物蛋白纖維，原料來源于可再生植物資源，具有優異的生物降解性能，對人類和環境友好。大豆蛋白纖維面料手感細膩、光澤柔和，具有保暖性好、吸濕透氣性優異等特點，有較好的穿著舒適性，且具有獨特的潤肌養膚、抗菌消炎的保健功效[25]。大豆蛋白纖維面料適用于服裝產品，可作為化學纖維面料的替代品，目前多應用于高檔針織內衣、羊毛衫、T恤等。

1.2.6牛奶蛋白纖維 牛奶蛋白纖維[26-27]是一種再生蛋白質動物纖維，是將牛奶脫水、脫脂后利用生物工程技術形成蛋白紡絲液，再通過濕法紡絲工藝噴絲而成的纖維。牛奶蛋白纖維具有較好的抑菌功能，能夠抑制金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等，此外還具有防霉防蛀、耐穿耐洗、潤肌養膚等性能[28]。由于牛奶蛋白纖維服用性能優異，因此可采用針織、非織造等多種方式進行服用面料的開發，并廣泛應用于高檔內衣、童裝等品類。

1.3 合成可降解材料

可生物降解的新型合成纖維在商業市場中擁有十分樂觀的前景。新型合成纖維產品有聚乳酸(PLA)、聚己內酯(PCL)和生物聚酯(PHA)等。

1.3.1PLA纖維 PLA纖維[29]又稱玉米纖維，是以聚乳酸為主原料，經過縮聚反應得到的聚合物，屬于聚酯類纖維。合成可生物可降解材料中應用較廣泛的是PLA纖維[30]，聚乳酸具有優異的生物相容性以及抗菌、抗紫外線、可生物降解等性能[31]，可廣泛應用于醫用紡織領域，如手術縫紉線、醫用口罩、非織造布等。PLA針織物具有良好的吸濕快干性及尺寸穩定性，因此PLA纖維面料可用于織造夏季運動服、T恤衫等；PLA還具有良好的阻燃性能，適用于床單、被罩等家用紡織品。

1.3.2PCL纖維 PCL纖維屬于可吸收醫用合成纖維的一種，其對藥物的透過性好，因而多用于醫用紡織領域，如藥物釋放載體、醫用縫合線等，目前在服用紡織品中應用較少。

1.3.3PHA纖維 PHA纖維[32]是由各種微生物(如海水中的微生物、土壤中的細菌等)為原材料合成的纖維，其原材料豐富，生物降解性能優良，而且降解產物對人體及環境無危害；它有良好的生物相容性以及抗紫外線、抗菌等特殊性能，未來將會成為最有潛力與聚酯纖維競爭的纖維種類。但是PHA纖維的熱性能和力學性能較差，脆性大，為改善其可紡性能，研究人員將PET、碳納米管、PLA等材料與之進行混紡。目前，PHA纖維的性能缺陷還未得到有效克服。

2 生物可降解材料的發展趨勢

2.1 可降解食物材料

目前，可持續服裝材料開發的重點之一是將食物與織物結合，以減少食品與織物兩個領域的浪費[11]。例如，作為農業廢棄物的菠蘿葉[33]可以制成純素食皮革，這種皮革是目前市場上極受歡迎的可持續性材料之一；柑橘纖維是由柑橘汁制成的絲狀纖維織物，可與絲綢和棉混紡制成可降解功能性面料[34]；從桑皮中提取出桑樹纖維，可以生產具有天然可降解抗菌特性的醫用無紡布[35]。由于天然纖維不具備有些合成纖維的優越性能，所以許多研究人員將天然纖維與其他材料復合，以改善其性能特點[36]。

2.2 動物替代面料

動物毛皮由于獨特的舒適性和柔軟性，具有極高的商業價值，在服裝市場中發揮著重要的作用。隨著人們道德意識的提高，消費者開始關注動物保護，有意識地減少皮草消費，可持續的純素時尚日益流行。現在越來越多的研究者致力于材料創新，專注于開發動物面料紡織品的替代產品，包括素食皮革、人造皮草、羽絨替代品等。

2.2.1素食皮革 Koba面料是由杜邦和法國人造皮草制造商Ecopel合作開發的全球首款生物基人造皮草。這種面料由100%Sorona(索羅娜)纖維制成，含有37%的天然原料——玉米，不僅色彩鮮艷、結實耐用，也延續了Sorona的環保特性，與其他人造皮草相比，其制造過程能夠減少63%的溫室氣體排放。服裝品牌Stella McCartney與Maison Atia都曾選用Koba制作了人造皮草單品。

2.2.2羽絨替代品 Flwrdwn纖維是由材料創新公司Pangaia耗時10年開發的，是一種使用野花與生物聚合物混合制成的羽絨替代品。以野花為原料不需要人工灌溉，減少了水資源的使用。測試顯示，這種材料透氣且保暖，致敏性低，并且可以生物降解。

2.3 仿生生物材料

所有生物體都是地球上的偉大設計師，它們以獨特的模式生產材料，以滿足特定的功能。合成生物學家受到大自然的啟發，運用這些生物體獨特的能力，充分利用大自然的潛力，通過改變分子結構來革新服裝。生物材料朝著高性能[37-38]和可持續方向不斷發展。

2.3.1人造蛛絲 長期以來，合成生物學家一直在“調整”基因信息，以從活細胞中產生特定的化學物質。蛛絲就是一個典型的案例，它有“生物鋼材”之稱，是已知生物材料中強度最高的，但是蛛絲極難獲取，所以研究人員利用基因重組蛋白技術合成了人造蛛絲。Spiber是一家日本生物技術公司，其生產的人造蛛絲是以微生物作為原料制造的基于植物蛋白聚合物的環保纖維，這種纖維具有柔滑的光澤，還能夠制成類似羊絨或羊毛的細紗線，用途非常廣泛。運動品牌The North Face使用Spiber制作了一款高性能滑雪服，名為月球派克(moon parka)。美國舊金山的生物技術公司Bolt Threads研制出一種名叫微絲(microsilk)的人造蜘蛛絲面料。2017年，Bolt Threads開發了微絲制成的領帶以及羊毛和微絲混紡制成的針織帽；2019年，Stella McCartney在春夏系列產品中用微絲制作了連體褲、降落傘等單品。

2.3.2菌絲體材料 在生態設計中，材料是生長的，而不是合成的。近來，一些新興的生物技術公司使用菌絲體(蘑菇的根結構)組成復雜的材料，這些材料擁有非常優異的性能，同時又具有生態友好性。生物技術公司MycoWorks開發了用靈芝培育而來的Reishi菌絲面料，這種面料采用MycoWorks公司獨特的專利技術在實驗室中用蘑菇菌絲體培育而成，其強度和耐用性可以和牛皮相媲美。2021年3月，愛馬仕與MycoWorks公司進行深度合作，開發了源自Reishi菌絲的生物面料Sylvania，推出了可持續版本的Victoria旅行包；此外，意大利Grado Zero公司利用一種熱帶雨林的真菌，開發了皮革替代面料MuSkin，其質地類似于天鵝絨，可用于女士禮服等。

3 結語

服裝產業是污染較嚴重的產業之一，服裝洗滌過程中產生的微塑料污染會對海洋生態系統造成巨大的威脅，生物可降解材料是解決此問題的關鍵。生物可降解材料可以分為天然可降解材料、再生可降解材料和合成可降解材料。根據文中對生物可降解材料的綜述，得出以下結論：

1) 服裝生產的激增給有限的天然資源(如棉、麻等)帶來了巨大壓力，所以需從更廣泛的渠道獲取天然纖維作為服裝原材料，尤其可優先選擇食品垃圾、農業廢棄物等材料。

2) 隨著人們保護野生動物意識的逐步加強，動物替代面料應運而生，并逐漸成為未來的發展趨勢。

3)未來研究重點將集中在開發具有高性能和可持續性能的生物材料上。

21世紀是知識經濟時代，信息技術、生命科學、高新技術不斷發展，紡織品等纖維型產品正朝著著高舒適、高功能、高智能方向發展。如今，隨著人們對生態環境需求的不斷增長，生物可降解纖維的開發將成為纖維研究發展的主流。對可生物降解性能的研究是未來的熱點之一，它將取代一些不可降解的石油基化學纖維材料，對其研究將集中于功能性特性的開發，特別是物理特性上。

在眾多的可生物降解纖維中，多數纖維的物理性能相對較差，且價格比傳統的合成纖維貴很多，這就導致在有功能性需求時，它只能應用在可承受較高價格的醫用領域。但由于生物可降解纖維具有良好的降解性、環保性和安全性，使得其有希望代替傳統的化學紡織面料，減輕紡織服裝行業所產生的污染。隨著人們生活水平的不斷提高，對可生物降解纖維的需求也在不斷增加，而新技術的應用和新材料的出現，也使具有多種功能的生物可降解纖維可以得到更廣泛的應用。