蠶絲非織造材料的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

王金星, 白世琪, 楊 一, 陳 軍, 張寅江, 劉國金, 朱斐超,6

(1.浙江理工大學(xué) a. 紡織科學(xué)與工程學(xué)院; b. 浙江省產(chǎn)業(yè)紡織材料制備技術(shù)與研究重點實驗室,杭州 310018; 2.杭州萬事利絲綢數(shù)碼印花有限公司, 杭州 310018; 3.浙江省輕工業(yè)品質(zhì)量檢驗研究院, 杭州 310018; 4.杭州諾邦無紡股份有限公司, 杭州 311199; 5.紹興文理學(xué)院 紡織服裝學(xué)院, 浙江 紹興 312000; 6.紹興宜可紡織科技有限公司,浙江 紹興 311800)

蠶絲是一種十分受歡迎的天然蛋白質(zhì)纖維,單根蠶絲由兩根平行的絲素外包絲膠構(gòu)成,包含18種氨基酸,與人體具有良好的生物相容性[1],且蠶絲光澤細(xì)膩、手感柔和,深受人們喜愛,被稱為“纖維皇后”。由蠶絲織造而成的絲綢在中國已被使用幾千年,有著深厚的歷史底蘊。然而,蠶絲的產(chǎn)量與蠶繭的品質(zhì)有很大關(guān)聯(lián),據(jù)統(tǒng)計,只有20%的蠶繭屬于優(yōu)質(zhì)蠶繭,可以完全成絲,在傳統(tǒng)的絲綢工藝“繅絲——織造——染整”中,二、三等蠶繭不能被充分利用,廢絲總量達(dá)55%,原料浪費率極高。在常見的蠶絲廢絲中,有30%長度小于40 mm,60%在40～80 mm,10%的纖維更長[2],這些纖維并不能用于傳統(tǒng)紡織工藝。

非織造材料又被稱為非織造布、無紡布,是利用摩擦、抱合和黏合或這些方法的組合將纖維制成的薄片、纖網(wǎng)或絮墊。不同于針織物與機織物等傳統(tǒng)紡織工藝得到的織物,非織造材料具有原料來源廣、原料利用率高、產(chǎn)品蓬松度好、用途廣等優(yōu)點,在衛(wèi)生、醫(yī)療保健、家居服裝、過濾、巖土和水利工程等領(lǐng)域都有應(yīng)用。蠶絲非織造材料與傳統(tǒng)的織造工藝相比具有更低的成本,可實現(xiàn)蠶絲短纖維、廢料等有效利用,生產(chǎn)出各種用途的紡織產(chǎn)品,提高蠶絲的附加值[3],目前在美容衛(wèi)材、醫(yī)療防護(hù)、生物組織工程等領(lǐng)域均有所應(yīng)用。通過非織造技術(shù)進(jìn)行蠶絲非織造材料的研發(fā)和應(yīng)用,可為中國蠶絲紡織材料的發(fā)展開辟一條新的思路。

本文概述了蠶絲非織造材料的工藝特點,列舉了已有蠶絲非織造材料的后整理方法及應(yīng)用領(lǐng)域,最后對其發(fā)展趨勢與前景進(jìn)行了展望。

1 蠶絲非織造材料加工工藝及特點

蠶絲由絲素外包絲膠包覆而成,如圖1所示。絲膠中含有的雜質(zhì)對蠶絲織物產(chǎn)生許多不利影響,如光澤變差、手感硬、染色均勻性降低及染色牢度低等,因此需要對蠶絲進(jìn)行脫膠處理。目前主要的脫膠方法有:水浴煮沸脫膠、碳酸鈉脫膠[4]、高溫高壓脫膠[5]、蛋白酶脫膠[6]及蒸汽脫膠[7]等。通過對蠶絲的性能進(jìn)行探究,發(fā)現(xiàn)蠶絲具有良好的強力、透氣性、疏水性、耐熱等非織造布原料所需基本性能,將蠶絲用于非織造材料加工具有可行性[8]。

圖1 蠶絲結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Diagram of silk structure

非織造材料按成網(wǎng)方法分為干法成網(wǎng)、濕法成網(wǎng)、聚合物擠壓成網(wǎng);按纖網(wǎng)加固方法分為機械加固法、化學(xué)黏合法、熱黏合法非織造材料。從廣義上講,蠶絲非織造材料是指將蠶絲纖維或蠶絲纖維與其他材料的復(fù)合材料通過非織造方法加工得到的材料;但目前蠶絲非織造材料多以水刺加固工藝為主,因此一般所講蠶絲非織造材料多指天然桑蠶絲經(jīng)過水刺工藝加工而成。不同工藝生產(chǎn)的蠶絲非織造材料的特點與應(yīng)用如表1所示。

1.1 干法成網(wǎng)蠶絲非織造材料

干法成網(wǎng)是纖維成網(wǎng)方法的一種,纖維經(jīng)過開松、除雜等前期準(zhǔn)備工序后在輸網(wǎng)簾上形成纖維網(wǎng)。干法成網(wǎng)是短纖維成網(wǎng)工藝,如果使用的蠶絲原料為長纖維,需要將長蠶絲切斷為短纖維,長度一般為38～65 mm。

表1 不同蠶絲非織造材料的制備原理、特點與應(yīng)用Tab.1 Preparation principle, charatteristics and application of different silk nonwovens

目前對干法成網(wǎng)得到的纖網(wǎng)進(jìn)行加固的方法主要有機械加固、化學(xué)黏合加固,以及熱黏合法加固。機械加固包括針刺法和水刺法,是通過外力作用將纖網(wǎng)中的纖維產(chǎn)生纏結(jié)從而相互勾連,以提高纖網(wǎng)的強度的方法。在一定程度內(nèi),纖網(wǎng)被穿刺密度越大、頻率越快,纖維位移大,單位體積中的纏結(jié)點就越多,纖網(wǎng)之間連接致密,抱合性好,強度越好。相比針刺法,水刺法產(chǎn)品更為細(xì)膩,對纖維損傷較小,適合較貴重原料的生產(chǎn)。化學(xué)黏合法則依靠化學(xué)黏合劑使纖維間生成黏合點從而加固纖網(wǎng),然而有的化學(xué)黏合劑具有毒性,限制了產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。熱黏合是將熱熔纖維或填料加熱熔融后與其他纖維黏合,冷卻固化后纖網(wǎng)得到加固。

1.1.1 針刺蠶絲非織造材料

針刺加固是用帶有截面為三角形或其他形狀鉤刺的刺針對纖網(wǎng)反復(fù)穿刺,纖維之間發(fā)生物理纏結(jié),從而使纖網(wǎng)得到加固,適合加固中厚型面料。針刺工藝有著工藝流程短、生產(chǎn)效率高、設(shè)備要求簡單、產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點,得到的非織造布表面平整,有著良好的強力和彈性,在許多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,因此針刺加固法在全球范圍內(nèi)發(fā)展迅速[9]。由針刺加固得到的蠶絲非織造材料純天然,透氣保濕好,利于護(hù)膚保健;不須脫膠,也不用添加助劑,利于降低生產(chǎn)成本。針刺加固過程安全衛(wèi)生,不會造成環(huán)境污染,制品有著不板結(jié)、不發(fā)黃、防蟲蛀、壽命長的特點[10],可以廣泛應(yīng)用于美容護(hù)膚、醫(yī)療防護(hù)、床上用品和嬰幼兒衛(wèi)生用品等多個領(lǐng)域。Muthu等[11]以精梳落毛與蠶繭廢料(50/50)混合開發(fā)了一種蠶絲非織造材料,具有與常規(guī)隔熱材料相媲美的隔熱性,實現(xiàn)可再生資源開發(fā)利用。Viju等[12]研究了針刺加固蠶絲非織造材料的吸油性能,發(fā)現(xiàn)其具有良好的吸油和保油能力,可使用至少5次,且使用后的廢棄材料在土壤中100天內(nèi)即可完全降解,真正實現(xiàn)高效環(huán)境治理。

1.1.2 水刺蠶絲非織造材料

水刺與針刺加固工藝原理基本相同,主要區(qū)別為水刺加固是通過微細(xì)高壓水射流對梳理成網(wǎng)后的纖網(wǎng)進(jìn)行穿刺,對纖維的損傷更小,且水流在托網(wǎng)簾反射后對纖網(wǎng)從不同方向穿插糾纏,加固效果更好,適合生產(chǎn)輕薄、貴重原料的產(chǎn)品。通過水刺加工工藝生產(chǎn)的純蠶絲非織造材料柔軟親膚,保留了蠶絲的優(yōu)良性能,一般用來做衛(wèi)生護(hù)理、美容護(hù)膚、醫(yī)用敷料材料等,與人體直接接觸,水刺工藝的選擇直接影響著消費者的體驗。在實際生產(chǎn)時,應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品性能選擇合適的工藝,水刺加固工藝流程如圖2所示。

圖2 水刺加固蠶絲非織造材料流程示意Fig.2 Flow chart of hydroentangled silk nonwovens

沈季疆等[13]選用絹紡落棉為原料,優(yōu)化梳理工藝,在卷繞速度25 m/min、烘干溫度105 ℃時,生產(chǎn)獲得了40 g/m2的蠶絲水刺非織造材料,機械性能達(dá)到FZ/T 64012.2—2001《水刺法非織造布第二部分:衛(wèi)生用卷材料》標(biāo)準(zhǔn)的要求,能夠應(yīng)用于衛(wèi)生材料。

將蠶絲非織造材料與其他材料通過水刺工藝進(jìn)行復(fù)合,可以保留蠶絲纖維生物相容性好的優(yōu)點,也可以減少蠶絲的使用量,降低成本。Sampathkumar[14]設(shè)計的多層傷口敷料系統(tǒng)中,將水刺法蠶絲非織造材料作為第二層,由于其纖維纏結(jié)高的特點,具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

1.1.3 化學(xué)黏合蠶絲非織造材料

黏合劑是指能形成一層薄膜緊密地連接兩種物質(zhì),使其滿足一定物理、化學(xué)性能的非金屬物質(zhì)。在非織造布生產(chǎn)領(lǐng)域中,黏合劑的作用在于非織造布的制造或形成織物后的涂層整理。化學(xué)黏合法可用于干法成網(wǎng)與濕法成網(wǎng)工藝的加固,化學(xué)黏合加固的非織造材料生產(chǎn)成本低、工藝靈活、強度高,但要控制用量,過量使用會使產(chǎn)品產(chǎn)生板結(jié),影響使用。而且部分化學(xué)黏合劑有毒性,限制了化學(xué)黏合加固非織造材料的應(yīng)用范圍。

常規(guī)蠶絲被為人工拉抻[15],拉抻過程中因無法保證所施加力大小相同、均勻、連續(xù)。王斫巖等[16]采用甲酸處理蠶絲纖維層,蠶絲纖維間形成的黏合點使纖維層不分離,從而縱向和橫向拉伸斷裂強度都有明顯提升,提高了蠶絲纖維網(wǎng)的力學(xué)性能,解決了人工拉抻過程纖維分布不均勻?qū)е碌男Q絲被內(nèi)胎面產(chǎn)生密度不勻的難題。

1.1.4 熱黏合蠶絲非織造材料

將熱熔纖維或粉末添加到纖網(wǎng)中,加熱纖網(wǎng)至部分纖維或粉末熔融,熔體將附近纖維黏連在一起,冷卻后熔體固化,得到熱黏合非織造材料。熱黏合非織造工藝主要有:熱風(fēng)法、熱軋法、超聲波黏合法。熱黏合非織造材料具有生產(chǎn)速度快、無環(huán)境污染、能耗低等特點,廣泛用于醫(yī)療衛(wèi)生、絕緣、過濾、隔音、減震、包覆、服用、保暖、家具填充及復(fù)合增強材料等[17]。

蠶絲有著良好的生物相容性與可加工性,Bae等[18]優(yōu)化熱黏合工藝參數(shù),認(rèn)為繅絲速度在39.2 m/min、熱軋溫度在200 ℃為可以進(jìn)行批量生產(chǎn)最佳條件,Lee等[19]將蠶絲4層蠶絲小樣布上下組合熱軋得到蠶絲非織造材料,產(chǎn)品具有良好的力學(xué)性能和細(xì)胞活力,與純蠶絲網(wǎng)相比,抗拉強度更高,斷裂伸長率、孔隙率和膨脹率較低,在傷口敷料、骨再生誘導(dǎo)、化妝品、面膜等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價值。

1.2 濕法成網(wǎng)蠶絲非織造材料

濕法紡絲成網(wǎng)工藝來源于造紙工業(yè),濕法成網(wǎng)非織造材料是將纖維在水中處理為纖維懸浮漿,懸浮漿在成網(wǎng)機構(gòu)上控去水分成網(wǎng),再經(jīng)加固得到的材料。濕法成網(wǎng)得到的蠶絲非織造材料性能優(yōu)良,目前所用加固方法多為化學(xué)黏合劑加固和熱黏合加固,對濕法成網(wǎng)蠶絲非織造材料的相關(guān)研究較少。駱宇等[20]將聚乙烯醇(PVA)作為蠶絲纖維濕法成網(wǎng)后的黏合劑,研究了聚氧化乙烯(PEO)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對濕法蠶絲非織造材料性能的影響,結(jié)果表明:蠶絲非織造材料有著良好的力學(xué)性能和透氣、透濕性。此外,有學(xué)者利用濕法成網(wǎng)制備蠶絲紙[21-22],性能佳,有紋理感,邊角料可回收循環(huán)使用,原料利用率高。Wang等[23]通過濕法成網(wǎng)得到蠶絲纖維網(wǎng)并通過熱軋法加固,具有良好的透氣性、柔軟性、油水兩親性和中等強度,可以實現(xiàn)廢舊蠶絲的回用,是一種很有前途的包裝和清潔材料。

1.3 靜電紡絲成網(wǎng)蠶絲非織造材料

靜電紡絲方法是將毛細(xì)噴頭與接收板之間施加高壓靜電場,紡絲液從噴頭中噴出,在靜電場中克服自身表面張力和黏彈張力形成Taylor錐;當(dāng)電場強度超過Vc后,紡絲液滴形成噴射流,在靜電場中加速,被拉伸到一定程度發(fā)生不穩(wěn)定彎曲擾動,伴隨著溶劑揮發(fā),噴射流在接收器上形成微納米纖維。靜電紡絲得到的纖維形貌良好、纖維直徑細(xì)、孔隙率高,有良好的過濾性能。但目前蠶絲靜電紡絲方向的研究進(jìn)展依舊處于理論研究與小批量實驗室制備階段,未見產(chǎn)業(yè)化方面的報道。蠶絲纖維靜電紡絲流程如圖3所示。

圖3 蠶絲蛋白靜電紡絲流程示意Fig.3 Flow chart of silk electrospinning

蠶絲纖維可以溶解于溴化鋰(LiBr)、硝酸鈣(CaNO3)、氯化鈣(CaCl)、甲酸等[24],經(jīng)過前人研究,甲酸最終成為多數(shù)方案的選擇[25]。許多研究者使用甲酸或甲酸與其他溶液混合后的溶液[26],溶解脫膠后的絲素作為靜電紡絲溶液,對蠶絲纖維進(jìn)行靜電紡絲,絲素蛋白溶液在推進(jìn)器作用下從噴頭噴出,經(jīng)過高壓靜電場加速、拉伸,形成再生絲素纖維,最終在收集裝置上成網(wǎng),得到靜電紡絲成網(wǎng)蠶絲非織造材料。由于蠶絲蛋白優(yōu)良的生物相容性、熱穩(wěn)定性、壓電性及導(dǎo)熱性等,經(jīng)靜電紡絲得到的蠶絲非織造材料有著超薄、孔隙率高、表面形貌好等特點,在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用,如傷口敷料、生物支架、組織工程、藥物傳遞、空氣過濾等領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用價值。

Kopp等[27]通過調(diào)節(jié)靜電紡絲工藝參數(shù)成功制得蠶絲非織造材料,Bae[28],Kishimoto等[29]研究了靜電紡絲蠶絲非織造材料的過程參數(shù),發(fā)現(xiàn)靜電絲素蛋白溶液的紡絲能力與絲素分子質(zhì)量、絲素蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溶液pH值、靜電電壓、接收距離等有關(guān),且溶液pH值為10～11時,所得到的蠶絲非織造材料可能是對人體最安全的。Min等[30]用甲酸溶解蠶絲制得的紡絲液進(jìn)行靜電紡絲,得到再生蠶絲纖維網(wǎng),有著光滑的表面形態(tài)和良好的生物相容性,纖維具有寬孔徑分布、高孔隙率和高表面積體積比的特點,有利于細(xì)胞附著、生長和增殖,是很好的生物醫(yī)用材料。

2 蠶絲非織造材料后整理

非織造的后整理是使用物理或化學(xué)方法,提高產(chǎn)品質(zhì)量、賦予產(chǎn)品功能、提升產(chǎn)品附加值,從而使產(chǎn)品滿足特殊使用性能的方法。在實際應(yīng)用中,不同領(lǐng)域?qū)Ψ强椩觳牧嫌胁煌男阅芤?用于衛(wèi)生用品的非織造材料要求具有抗菌性、親水性;用于醫(yī)療防護(hù)的非織造材料要求“三拒一抗”等。蠶絲非織造材料常用親水整理、抗菌整理、阻燃整理、防紫外整理等后整理方法提高材料的性能或美觀性,以滿足不同用途產(chǎn)品的使用要求。

2.1 親水整理

蠶絲纖維脫膠后吸濕性差、靜電大、難梳理,難以進(jìn)行高速生產(chǎn),因此需要對脫膠后的蠶絲纖維進(jìn)行親水處理。許羅力等[31]研究發(fā)現(xiàn),親水改性后的蠶絲纖維在高速梳理過程中靜電已經(jīng)基本消除,不再產(chǎn)生飛花、繞輥等影響成網(wǎng)質(zhì)量的現(xiàn)象,而且水刺纖維網(wǎng)均勻度好,成功提高梳理速度,增加產(chǎn)能。

陳晶晶[32]使用TF629型親水劑對蠶絲/ES復(fù)合非織造材料進(jìn)行親水整理,整理后的蠶絲/ES復(fù)合非織造材料的拉伸性能、彎曲性能、液體穿透時間、反滲量、透氣性等性能優(yōu)異,均能夠滿足衛(wèi)生用非織造材料的使用,在衛(wèi)生用品市場上有著廣闊的前景。

2.2 抗菌整理

蠶絲非織造材料在衛(wèi)生用品、面膜、醫(yī)療用品等領(lǐng)域有越來越多的應(yīng)用,雖然蠶絲纖維有一定的抗菌性能[33],但非織造材料是多孔性材料,易吸附微生物,在使用過程中易滋生和傳遞致病菌。因此,對蠶絲非織造材料進(jìn)行抗菌整理十分重要。

目前廣泛使用的抗菌劑大致可分為有機抗菌劑、無機抗菌劑和天然抗菌劑三類,優(yōu)缺點如表2所示。金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和白色念珠菌是三類常見致病菌的典型代表,通常以此三種致病菌為例研究抗菌劑的抗菌效果。向天夏等[34]用四種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的癸甲溴銨抗菌劑溶液對蠶絲/黏膠水刺非織造材料進(jìn)行抗菌整理,發(fā)現(xiàn)隨著抗菌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,抑菌效果越來越好,對一次性衛(wèi)生用品來說,抗菌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇0.2%～0.3%為宜。許瑩等[35]發(fā)現(xiàn)殼聚糖整理后的蠶絲纖維非織造材料對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌有著良好的抗菌性。

表2 蠶絲非織造材料用三類抗菌劑特點Tab.2 Characteristics of three types of antibacterial agents

2.3 阻燃整理

絕大多數(shù)紡織品很容易被明火點燃并蔓延,成為火災(zāi)中造成人民傷亡和財產(chǎn)損失的主要物品,蠶絲纖維的極限氧指數(shù)(LOI)約為24%,屬于可燃物,因此對蠶絲纖維及其織物進(jìn)行阻燃整理很有必要。關(guān)晉平[36]采用含磷單體甲基丙烯酰氧乙基二甲基磷酸酯(DMMEP)對蠶絲進(jìn)行接枝共聚阻燃改性,改性后的蠶絲織物極限氧指數(shù)達(dá)30%左右,具有良好的阻燃效果。王紫穎等[37]用自制的乙烯基磷氮類阻燃劑(PN)接枝蠶絲織物,能安全通過垂直燃燒測試,有較好的阻燃耐久性。

2.4 防紫外線整理

過度的紫外線照射會使紡織品褪色、強力下降,蠶絲纖維雖有一定的紫外線防護(hù)能力,但較長時間紫外線作用后會泛黃,影響美觀與使用,所以仍需要改性處理。Zhou等[38]使用含納米二氧化鈦(TiO2)和氧化石墨烯(GO)的桑葉喂食5齡蠶幼蟲,得到的蠶絲結(jié)構(gòu)和形貌都沒有改變,紫外線保護(hù)因子(UPF)值顯著提高,獲得的蠶絲彌補了天然蠶絲抗日照性差的問題,可直接作為加工紡織產(chǎn)品的原料。Zhang等[39]將板栗葉的提取物對柞蠶絲染色,紫外線防護(hù)因子大幅提高,極大提高柞蠶絲的紫外防護(hù)性能。Wang等[40]制備了細(xì)菌纖維素/蠶絲非織造材料/絲膠的三明治膜,具有良好的生物相容性和抗氧化性,三種材料相互作用,增大了蠶絲非織造材料的強力,也使得材料具有較強的紫外屏蔽性能,在醫(yī)療保健和護(hù)膚用品中有著潛在應(yīng)用價值。將改性后具有防紫外性能的蠶絲用于非織造材料,在服裝、醫(yī)用防護(hù)材料、衛(wèi)生材料等領(lǐng)域具有重要意義。

2.5 芳香整理

近年來,科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)一些芳香劑具有鎮(zhèn)靜、殺菌、保健的功能,催生出香療法這一新型保健方法。因此,對蠶絲非織造材料進(jìn)行芳香整理,使產(chǎn)品具有清新的香味,對應(yīng)用于面膜、襯布、蠶絲被等產(chǎn)品的蠶絲非織造材料來說可以達(dá)到防病、保健、振奮精神的目的。β-環(huán)糊精(β-CDs)香味釋放持久,能夠應(yīng)用于保健、抗菌、驅(qū)蟲等多個領(lǐng)域,是目前制備多功能芳香紡織品的首選材料[41]。王春梅等[42]制備的磺化、羧甲基化β-CDs衍生物可以以離子鍵直接與絲織物結(jié)合,貯香效果好、時間持久。

2.6 其他后整理

除了以上常見的后整理類型外,蠶絲非織造材料還有一些新型的功能性后整理,如蓄熱調(diào)溫整理,將蓄熱微膠囊整理到織物表面,隨著外界環(huán)境溫度的變化吸收熱量或釋放熱量,可以明顯提高織物的保溫性。使用改性相變微膠囊、有機單體類分散介質(zhì)和引發(fā)劑組成的混合物涂覆于紡織基材的表面,有良好的結(jié)合牢度和穩(wěn)定性,在軍事、服裝、床上用品和醫(yī)療用品等領(lǐng)域內(nèi)有著巨大的應(yīng)用前景。

對蠶絲非織造材料進(jìn)行防污性后整理可以防止油垢或污垢的附著,減少洗滌次數(shù),使紡織品保持美觀、色澤和手感,可大幅延長蠶絲非織造材料的使用壽命。

蠶絲纖維導(dǎo)電性差,加工過程纖維與纖維、纖維與設(shè)備之間摩擦?xí)估w維表面積聚電荷,從而產(chǎn)生靜電,影響生產(chǎn),在生產(chǎn)過程中加入抗靜電劑、表面活性劑、油劑和硅酮劑等,能減少靜電的產(chǎn)生,使加工過程安全高效[43]。

3 蠶絲非織造材料的應(yīng)用

蠶絲非織造材料具有生產(chǎn)效率高、生物相容性好、透氣透濕優(yōu)良等特點,與人體直接接觸無不良反應(yīng),與此同時,蠶絲的多孔結(jié)構(gòu)使得蠶絲非織造材料有著良好的吸音隔音、保暖隔熱功能。基于以上諸多特性,蠶絲非織造材料可用于美容衛(wèi)材、醫(yī)療防護(hù)、組織工程、保暖等領(lǐng)域。但蠶絲產(chǎn)量受桑葉影響,制約著蠶絲材料的發(fā)展。嵊州陌桑高科股份有限公司在2017年宣告正式攻克人工飼料工廠化養(yǎng)蠶技術(shù)這個世界性難題,實現(xiàn)了全齡人工飼料工廠化養(yǎng)蠶[44],大幅提高了蠶絲的產(chǎn)量。由非織造材料進(jìn)行生產(chǎn)蠶絲制品,生產(chǎn)方式多、生產(chǎn)效率高,突破了傳統(tǒng)蠶絲制品方式的適用范圍,具有廣泛的應(yīng)用前景。蠶絲非織造材料應(yīng)用領(lǐng)域如圖4所示。

圖4 蠶絲非織造材料應(yīng)用領(lǐng)域示意Fig.4 Application field diagram of silk nonwovens

3.1 美容衛(wèi)材領(lǐng)域

通過水刺工藝制成的天然蠶絲非織造材料含有豐富的與人體相似的氨基酸、可溶性蛋白和極性親水基因,能夠平衡皮膚水分,加快皮膚新陳代謝、減緩皮膚衰老、消除黑斑,從而達(dá)到護(hù)膚養(yǎng)顏的效果,被稱為“人體第二肌膚”,適合應(yīng)用在如面膜、乳貼、衛(wèi)生巾、紙尿褲等美容衛(wèi)生用品上。

蠶絲纖維的優(yōu)點在蠶絲面膜上可以得到很好的體現(xiàn),因此近年來蠶絲面膜得到消費者更多的青睞。不過市場上的“蠶絲纖維”多為銅氨纖維,其手感柔軟、通透性好,具有生物可降解性,成為蠶絲纖維的替代材料,但并沒有蠶絲纖維的效用[45]。尋找合適的工藝實現(xiàn)批量化生產(chǎn)蠶絲面膜很有意義,高寧蕭等[46]通過靜電紡絲得到的復(fù)合纖維面膜與市售面膜相比不滴液、貼合面部、孔隙率高透氣性良好,價格也更低。

隨著時代的發(fā)展,衛(wèi)生用品也涵蓋了更多的種類,目前主要有產(chǎn)婦衛(wèi)生墊、嬰兒紙尿褲、成人失禁用品、衛(wèi)生巾、乳貼等,且它們的主要結(jié)構(gòu)相似,都包括包覆層、儲液層、隔離層三個主要結(jié)構(gòu)。唐模秋等[47]用蠶絲/竹纖維制造一種新型的衛(wèi)生用品面層材料,兼具天然性、環(huán)保性和安全性,有很大的潛在應(yīng)用價值。王婭[48]設(shè)計了一種蠶絲/ES復(fù)合非織造材料,由此材料制成的衛(wèi)生用品與皮膚接觸時更干爽,使用時會更舒適,有很好的應(yīng)用前景。

3.2 醫(yī)療防護(hù)領(lǐng)域

許多研究表明絲膠蛋白是導(dǎo)致蠶絲纖維生物相容性差及引起過敏問題的主要原因,去除絲膠后蠶絲與其他常用生物材料的生物反應(yīng)程度接近。脫膠后的蠶絲纖維具有良好的降解性、可加工性、生物相容性,而且無毒、無抗原性,降解后的氨基酸可以很好地被人體吸收,適用于各種醫(yī)療防護(hù)材料[49]。

非織造醫(yī)用紡織品分為兩個種類,一種是與傷口直接接觸的紗布、繃帶、敷料等。皮膚愈合需要亮氨酸和組氨酸的供給,這些氨基酸在蠶絲中大量存在,因此,皮膚可以直接吸收蠶絲紗布用于促進(jìn)皮膚組織的再生。Wang等[50]通過靜電紡絲制備一種抗黏連的蠶絲非織造傷口敷料,能夠避免黏連,在止血時防止傷口二次感染。Wongkrongsak等[51]制備的增強蠶絲非織造材料,對皮膚無毒,促進(jìn)皮膚細(xì)胞增殖再生,可以用于傷口敷料。另一種是過濾有害物質(zhì),防止細(xì)菌穿透的口罩、手術(shù)衣、防護(hù)服、醫(yī)用過濾布等醫(yī)用紡織品。蠶絲非織造醫(yī)用材料穿著柔軟性舒適性良好,能有效抵擋細(xì)菌侵入,儲藏簡便[52]。Lang等[53],Jokisch等[54]制備的蠶絲非織造過濾材料,有著極高的過濾效率,在空氣過濾、醫(yī)療防護(hù)領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用價值。

3.3 生物組織工程材料

蠶絲纖維有著細(xì)胞黏附性、高生物相容性、低免疫原性、熱穩(wěn)定性,便于消毒、化學(xué)改性和生物可降解的特性,能滿足多種生物材料的要求,幾百年前就一直被用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,主要用于傷口的包扎。蠶絲用作手術(shù)縫合線時,如果去除絲膠,機體對絲蛋白纖維的生物反應(yīng)與大多數(shù)其他常用生物材料相當(dāng)。并且,蠶絲會在體內(nèi)發(fā)生水解,一段時間后被緩慢吸收[49]。

蠶絲非織造材料與人體內(nèi)的生物相容性極好,能夠幫助細(xì)胞快速生長和增殖,促進(jìn)組織修復(fù)[55],可以應(yīng)用于組織工程材料[56-57]。張鋒[58]構(gòu)建了一種蠶絲蛋白基支架,植入大鼠體內(nèi)無不良反應(yīng),可引導(dǎo)神經(jīng)再生,應(yīng)用于神經(jīng)修復(fù)方向。HU等[59]則在3D水刺蠶絲蛋白非織造材料(3D silk fibroin nonwovens, 3D-SFnws)培養(yǎng)基上,培養(yǎng)非致瘤性成人皮膚成纖維細(xì)胞(human dermal fibroblasts, HDFs),在3D-SFnws上HDFs有著良好的代謝活性,可以用于皮膚傷口的血管修復(fù)。

3.4 保暖材料

蠶絲纖維生物相容性、透氣透濕性好,富含氨基酸,長期與人體接觸可以使皮膚細(xì)膩光滑,作為保暖材料有著廣泛的應(yīng)用,如被罩、絮墊、服裝里襯等。早在1998年,浙江省計經(jīng)委就制定了“真絲非織造絮墊”的項目,其以蠶絲短纖維為原料,經(jīng)過針刺工藝加工,印染后整理而成。除此之外,利用針刺工藝和熱風(fēng)黏合固結(jié)工藝加固得到的絲綿復(fù)合絮片,具有較好的壓縮恢復(fù)性能、透氣性能和一定的強力,可用于保暖服裝的生產(chǎn)[60]。

3.5 智能電子器件

蠶絲有著高介電常數(shù)、生物相容性、機械穩(wěn)定性、可調(diào)降解性等性能,還有著在高透明度、豐富的功能化位點、納米級加工性等特點,能夠用于生物存儲、柔性傳感器、光學(xué)器件等智能電子器件。

以靜電紡絲得到的蠶絲蛋白纖維薄膜,作為傳感器的結(jié)構(gòu)支撐層和功能傳感層設(shè)計的一種可穿戴全纖維多功能傳感器(AFMS)[61],能夠保留蠶絲優(yōu)異的生物相容性,同時還能使傳感器具有良好的透氣性、柔性及多孔結(jié)構(gòu),具有優(yōu)異的機械可靠性和傳感穩(wěn)定性,使AFMS在智能傳感領(lǐng)域(如智能服裝)具有巨大潛力。Gogurlan等[62]制備一種自供電智能紡織品,可用于可穿戴智能服裝技術(shù)、醫(yī)療保健等,在加熱治療、電生理信號監(jiān)測、能量收集和觸覺傳感方面具有潛在的應(yīng)用前景。He等[63]制備的導(dǎo)電碳納米管改性蠶絲非織造材料適用于可穿戴電子器件,在下一代可穿戴電子設(shè)備的先進(jìn)柔性智能電子皮膚和人機界面方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

3.6 其他應(yīng)用

蠶絲含有豐富的蠶絲蛋白,有著良好的生物相容性和生物降解性,在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用,除了上述的應(yīng)用領(lǐng)域外,還可應(yīng)用在如農(nóng)業(yè)、食品、光學(xué)等其他領(lǐng)域。

采用亞麻和蠶絲纖維的紡織下腳料制備的麻/絲非織造布農(nóng)用地膜,具有很好的保濕和保溫作用,可完全自然降解,并且降解后可以提高土壤含氮量,有利于農(nóng)作物的生長,有良好的應(yīng)用前景[64-65]。

將蠶絲非織造材料制作種子包衣將種子封裝在土壤中,減弱非生物應(yīng)激源并為種子生長發(fā)育提供營養(yǎng)物質(zhì)和肥料,可以促進(jìn)種子發(fā)芽,提高作物產(chǎn)量。

絲素蛋白與人體生物相容性好,又可生物降解使得絲素蛋白可食用,且具有出色的機械性能,可以根據(jù)這些特點制備可食用涂料,保持食物新鮮。

蠶絲的光學(xué)透明性好、粗糙度低、機械耐久性好,能在納米級條件下加工,因此,蠶絲非織造材料可被用于納米級光學(xué)器件的制作,如生產(chǎn)光子晶體、光學(xué)衍射器件、光制動器等[66]。

4 蠶絲非織造材料發(fā)展方向

蠶絲非織造材料在以上諸多領(lǐng)域體現(xiàn)出優(yōu)勢和特點的同時,其耐磨性差、易褶皺等問題也亟需解決,與此同時,對蠶絲的多功能化和高性能化改性也有利于拓寬蠶絲非織造材料的應(yīng)用領(lǐng)域。總體而言,隨著紡織科技的進(jìn)一步發(fā)展及多學(xué)科的進(jìn)一步交叉衍生,筆者認(rèn)為蠶絲非織造材料在材料及工藝復(fù)合化、多功能化、高性能化及標(biāo)準(zhǔn)化等方面具有較大的研究和發(fā)展前景。

4.1 材料復(fù)合化

為了進(jìn)一步提高蠶絲非織造材料的物理機械性能和舒適性等,可采用蠶絲纖維與其他纖維材料進(jìn)行復(fù)合,以提高其整體使用價值,拓寬其應(yīng)用范圍。普通蠶絲面料手感柔軟、透氣透濕性能好,但耐磨性差、易皺,可采用桑蠶絲、聚乳酸纖維和甲殼素纖維混紡進(jìn)行改善,也可以與滌綸混紡改善手感。根據(jù)不同纖維的優(yōu)缺點對某項性能進(jìn)行改善已經(jīng)成為常用方法,蠶絲非織造材料持續(xù)發(fā)展離不開與其他材料進(jìn)行復(fù)合。

4.2 多功能化

隨著社會的發(fā)展、生活質(zhì)量的不斷提升,對材料的功能性要求日趨提高,各種功能高分子材料被開發(fā)并得到廣泛應(yīng)用。蠶絲非織造材料也應(yīng)該具備多種功能,滿足特定領(lǐng)域的使用要求,如在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域,生物醫(yī)用材料不僅基本性能如機械強度、抗疲勞性、耐磨損性等要滿足使用要求,還要無毒無害、不影響其他組織和器官的正常功能,不能對宿主引起危害等。在家居行業(yè),除了滿足家居用品必要的舒適性外,還應(yīng)做出阻燃的要求。保暖材料在滿足保溫性能時,進(jìn)行蓄熱調(diào)溫整理,可以滿足材料在不同環(huán)境下的使用要求,增加材料的附加價值。

4.3 高性能化

蠶絲非織造材料的高性能化主要體現(xiàn)在材料的制備工藝升級、改善及創(chuàng)新,蠶絲內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,從而使材料的某項性能或者整體性能指標(biāo)提高。在應(yīng)用于醫(yī)療防護(hù)、美容衛(wèi)材時,要求材料可靠且穩(wěn)定,因此,蠶絲纖維應(yīng)該有足夠的強度,可以將蠶絲纖維撓曲改性,原位礦化[67],增加纖維強力和耐磨性。

4.4 標(biāo)準(zhǔn)化

目前,與蠶絲非織造材料相近的標(biāo)準(zhǔn),僅可見國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24252—2019 《蠶絲被》、地方標(biāo)準(zhǔn)DB50/T 358—2010《保膠桑蠶絲被》、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)T/ZFB 0044—2023《循環(huán)再利用蠶絲針刺非織造布》,未見特別相關(guān)的蠶絲非織造材料標(biāo)準(zhǔn)。浙江省紡織工程學(xué)會起草了《面膜用桑蠶絲水刺非織造布》(T/ZFB 00XX—2023),要求滿足FZ/T 64012—2013 《衛(wèi)生用水刺法非織造布》的性能,有利于面膜用桑蠶絲水刺法非織造布的規(guī)范化生產(chǎn)。除此之外,蠶絲非織造材料用于嬰幼兒及兒童產(chǎn)品、衛(wèi)生用品、繃帶、服裝等,均須滿足相應(yīng)的強制標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié) 語

蠶絲非織造材料是蠶絲纖維通過非織造加工工藝得到的材料,與傳統(tǒng)的蠶絲織物相比,具有生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點,可以通過干法、濕法、靜電紡絲法成網(wǎng)等非織造加工方法實現(xiàn),目前在美容衛(wèi)材、醫(yī)用防護(hù)、生物組織工程、保暖材料、智能電子器件等領(lǐng)域均有應(yīng)用。但目前中國在高端蠶絲非織造產(chǎn)品如智能可穿戴設(shè)備、柔性傳感器、植入式醫(yī)療器械、生物支架等領(lǐng)域,與國外相比仍有較大差距。因此,中國研究者一方面應(yīng)繼續(xù)推動產(chǎn)品向高質(zhì)量發(fā)展,盡快達(dá)到世界先進(jìn)水平;另一方面向多功能發(fā)展,促進(jìn)中國蠶絲非織造材料在各個領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。