纖維科普 | 一文帶你瞭解生物基化學纖維
纖維是什麼材料
編者按
生物基化學纖維是以生物質為原料或含有生物質來源單體的聚合物所製成的纖維，產品具有生態環保、人體親和、抑菌舒適、廢棄物可生物降解等效能，已廣泛應用於貼身內衣、襯衣、襪類、家紡等產品。生物基纖維科普知識系列的推出就是為了讓行業人士及消費者對生物基纖維有更全面的瞭解。
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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，傳統合成纖維還具有不易降解的特點，“白色汙染”帶來的危害已受到人們的高度關注。為適應綠色環保和可持續發展的需求，研究開發新型生物基化學纖維成為發達國家的戰略計劃。近年來，生物基纖維生產技術不斷湧現，生物基纖維已經在服裝和家紡等產品中獲得廣泛應用。
什麼是生物基化學纖維？
生物基化學纖維有哪些品種？有哪些特點？
所有生物基化學纖維都具有可降解特點嗎？
……
讓我們一起來了解一下
生物基化學纖維的方方面面。
1。什麼是生物基化學纖維？
生物基纖維或生物源纖維（Bio-based fiber）是指利用可再生的生物體或生物提取物製成的纖維。以區別於用煤、石油等不可再生石化資源為原料生產的纖維。
生物基纖維的品種很多，為了研究和使用上的方便，可以從不同角度對它們進行分類：
1）從生物學的屬性，可分為動物質纖維、植物質纖維和微生物質纖維；
2）從產業分類，可分為農副產生物質纖維和海副產生物質纖維；
3）根據生產過程，生物基纖維可分為三大類：
▲生物基原生纖維，經物理方法加工處理成後直接使用的動植物纖維；
▲生物基再生纖維，即以天然動植物為原料，經過物理或化學方法制成紡絲溶液，而後透過適當的紡絲工藝製備而成的纖維；
▲生物基合成纖維，以生物質為原料，透過化學方法制成高純度單體，而後經過聚合反應獲得高分子量的聚合物，再經適當的紡絲工藝加工成的纖維。
生物基再生纖維和生物基合成纖維統稱為生物基化學纖維。那麼這兩類纖維有何不同呢？生物基再生纖維不改變生物質大分子原有的化學結構，紡絲過程是對其物理形態的再造，它僅僅改變了聚集態結構。而生物基合成纖維的化學及物理性質取決於所使用的單體，它與單體來源無關。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效能就相同。生物基合成纖維強調的是其單體源於生物體。
2。 生物基化學纖維具有哪些特點？
生物基化學纖維一直被認為是“綠色纖維”、“生態纖維”和“環保纖維”。那麼生物基化學纖維具有哪些特點呢？
首先，原料是植物、動物的副產物，具有可再生性，可以實現可持續發展。
其次，生物基化學纖維具有較低的碳足跡：生物基化學纖維所含碳原子全部或者部分來源於生物質。以植物生物質為例，植物在生成的過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。其廢棄後無論是經過環境中的生物降解作用，亦或是燃燒轉為CO2，從全生命週期來看並不會產生額外的碳排放。因此，生物基化學纖維具有整體減碳排放或者無增碳排放的特點。
再次，大部分生物基化學纖維可呈現優異的生物降解性和生物相容性：根據具體化學結構的不同，一些生物基化學纖維可以在堆肥、自然環境和生物體內發生降解，以及具有較好的生物相容性，可應用於生物醫用等領域。
3。 生物基合成纖維和生物可降解纖維是什麼關係？
近年來，隨著全球對傳統塑膠等難以在自然環境中降解所造成的嚴重環境汙染，以及日益嚴峻的微塑膠汙染問題的關注，開發生物可降解塑膠及纖維製品變得尤為重要。特別是各國“禁塑令”的逐漸實施，一些具有潛在造成微塑膠汙染的製品將被禁止使用。然而，生物基化學纖維主要是指其原料中含有可再生植物生物質或動物生物質成分，而生物可降解纖維既可以來源於生物基，也可以來源於石油基，因此
生物基合成纖維≠生物可降解纖維
哪些生物基合成纖維同時也是生物可降解纖維？
哪些生物可降解纖維並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？
為了回答這些問題，我們可以把高分子材料或纖維按照原料來源及是否可以生物降解分為4個象限，主要分類如下：
▲石油基、非生物可降解纖維（第III象限）：
傳統石油基化學纖維如滌綸、錦綸、丙綸和氨綸等均處於此象限。這些纖維具有高熔點，高結晶度，分子結構規整，力學效能優良，並且具有較好的耐水解性和抗化學腐蝕性，因此在自然環境中降解非常緩慢。例如，聚烯烴在自然環境中，受到日光照射，可以發生熱氧降解，但降解速率極低。低密度聚乙烯（LDPE）2。5年內降解轉化為CO2的比例僅為0。35%，因此，我們通常認為這類纖維材料為非生物降解纖維。
▲生物基、生物可降解纖維（第I象限）：
所有的生物基原生纖維（天然纖維）以及生物基再生化學纖維由於保留了天然生物質的多糖或蛋白結構，因此其纖維製品具有與天然生物質較為類似的完全生物可降解性。而生物基合成纖維中如聚乳酸（PLA）和聚己內酯（PCL）等均可在堆肥，以及中性酶降解溶液中發生質量損失、力學效能下降，以及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效能。從全生命週期分析來看，此類纖維是生態友好的纖維材料。
▲生物基但難以生物可降解的纖維（第IV象限）：
高分子材料的生物降解效能是個較為複雜的過程，與材料本身的化學結構和效能緊密關聯。有些化學纖維材料儘管具有生物基屬性，但卻由於本身的結晶度高、熱學效能優異，制約其生物降解效能，屬於難以降解的纖維材料，例如：
（1）生物基PTT（聚對苯二甲酸丙二醇酯）纖維：
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可以以穀物為原料，用生物法進行生產。進一步採用直接酯化法（用對苯二甲酸和PDO直接反應）或酯交換法（對苯二甲酸二甲酯與PDO進行酯交換反應）製得。PTT纖維具有優於其他聚酯纖維的回彈效能、較低的拉伸模量、較高的斷裂伸長率；具有較好的染色效能；扛褶皺性和柔軟手感。其是我國近年來具有國際領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，並不具有生物降解效能。其生態優勢在於可有效降低產品的碳足跡，但製品廢棄後難以透過自然環境降解。
（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製備而來。呋喃二甲酸可以以澱粉或纖維素等天然生物質為原料，經生物發酵或化學方法制備。PEF纖維與滌綸PET纖維相似，具有較為接近的熔點和玻璃化轉變溫度，儘管有報道稱PEF具有一定的生物降解性，然而其生物降解速率較為緩慢，根據目前的生物可降解堆肥標準，並非生物可降解纖維。
其它生物基纖維材料，如尼龍56和生物基PDT纖維也屬於此類。
▲石油基生物可降解高分子材料及纖維（第II象限）：
如前所述，高分子材料的生物降解效能是個較為複雜的過程，與材料本身的化學結構和效能緊密關聯。有些化學纖維材料儘管主要來源於石油基，但卻由於本身的分子鏈結構較為柔性，酯鍵容易發生水解，以及微生物或者生物酶降解，因而呈現較好的其生物降解效能，例如：
製備PGA（聚乙酸醇）的重要化合物-草酸二甲酯（DMO），它是由煤為原料製得，經加氫、水解、聚合製得。PGA雖由煤製得，但是其生物降解能力很好，可以在1－3個月內完全降解，降解產物是水和二氧化碳，完全無毒無害，常被用於可吸收手術縫合線，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）按照一定比例共聚製得。丙交酯如果為生物法制備而來，則PGLA則可稱為生物基，且生物可降解纖維。PGLA具有較高的拉伸強度，良好的生物相容性和生物可降解性，也常用於可吸收手術縫合線。
其它如PBAT和PBST也主要來源於石油基。PBAT和PBST分別由己二酸丁二醇酯（PBA）、丁二酸丁二醇酯（PBA）與對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）共聚製備，其材料效能兼具PBA和PBT的性質，具有良好的斷裂伸長率、延展性、耐熱性和衝擊性能，同時具有優良的生物降解效能。要應用為農用地膜等薄膜材料，纖維應用還處於開發階段。
4。 生物基化學纖維是如何加工的？
傳統生物基原生纖維，也就是天然纖維的代表為棉纖維和桑蠶絲。我國生產棉纖維和桑蠶絲紡織品的歷史已經延續了幾千年。“綾羅綢緞”用以形容蠶絲纖維紡織品的精美及高檔品質，古代更是權貴和財富的象徵。棉纖維和桑蠶絲的生產主要以棉花和蠶絲為原料，主要經過多種物理手段製備而成。我國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行物理分類，並進一步加工為纖維製品的過程。
那麼，現今的生物基化學纖維是如何由生物質加工、製備而來呢？
（1） 生物基再生纖維的加工過程
以再生纖維素纖維為例，其加工過程可大體分為纖維素原料預處理加工和纖維成型加工兩道工序：
纖維素原料預處理加工：來自於原料中的纖維素不能直接利用，需要經過提純處理才可以用於製備纖維，提純處理的目的是將原料中的木質素、半纖維素等物質去除，然後將其製成漿粕（製漿過程）。常用的處理方式有化學處理，大多是採用酸鹼水解的方式進行處理，但是這種處理方式對於環境的危害較大，已經逐漸開發了多種新型處理方式，如生物處理（利用真菌和細菌去除木質素、角質以及其他物質）、酶處理、物理處理（利用機械力、高能輻射、微波處理）、蒸汽爆破等。
最開始製作纖維所需要的纖維素主要來自於棉花、木材，但是受到我國耕地面積和林業資源的限制，原料來源開始向我國其他的可再生資源轉移，比如竹、麻、香蕉、甘蔗等，尤其是一些農副產品，比如甘蔗渣、農作物秸稈、椰子殼等，利用這些農副產品作為纖維的原料可以實現變廢為寶，降低產品成本，為擴大產量提供了廣闊的可能。
纖維成型加工：對纖維原料進行預處理之後，接下來就是纖維成型加工，已經實現工業化的紡絲技術是溶液紡絲，其中最為典型的是粘膠法和直接溶劑法。
粘膠法是最廣泛採用的纖維素纖維生產方法，先將纖維素用強鹼處理生成鹼纖維素，再與二硫化碳反應得到纖維素磺酸鈉，再將該衍生物溶於強鹼中製成粘膠（紡絲液），紡絲溶液從噴頭的細孔中壓入由硫酸、硫酸鈉和少量硫酸鋅所組成的凝固浴中凝固、再生，經過拉伸等加工後得到人造纖維。生產過程包含複雜的化學反應，工藝流程長，生產效率低，並生產CS2、H2S等廢氣、含酸、鹼、Zn2+的廢水、含CaO、Al2O3、MgO、Fe2O3等的汙泥，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發。NMMO法生產工藝是一種不經過化學反應而製得纖維素纖維的過程，首先將漿粕與含結晶水的NMMO充分混合、溶脹，然後減壓除去大部分結晶水，溶解，形成一穩定、透明、粘稠的紡絲原液，經過濾、脫泡後紡絲。具有工藝流程短、汙染小、溶解效能好等優點。NMMO法生產的再生纖維素纖維稱為“Lyocell纖維”（萊賽爾），它被譽為21世紀的綠色纖維。
由上述內容可看出，溶劑法可以省略一系列化學處理的過程，縮短了生產流程，減少了汙染。目前國內外研究人員正致力於其他溶劑體系的開發。
其他溶劑有離子液體和低溫鹼/尿素體系等，其中低溫鹼/尿素體系是由我國自主研發的纖維素溶解體系。
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，即透過生物質原料的衍生化製備纖維原料，然後再進行熔融紡絲。然而由於天然生物質原料化學結構複雜，包含多個羥基官能團，容易發生高溫降解，其工藝雖已有報道，但尚未形成商品。
（2）生物基合成纖維的加工過程
生物基合成纖維的加工過程與傳統滌綸、錦綸等纖維的製備工藝較為類似，均主要透過熔融聚合製備切片，後經熔融紡絲工藝製備纖維。隨著工藝的進一步發展，也可以開發熔體直紡絲工藝。
以聚乳酸為例，聚乳酸的單體是乳酸，或者經乳酸二聚環化製備的丙交酯，可以玉米、馬鈴薯、甜菜等作物為原料經生物發酵獲得。這些農作物在我國的產量很大，因此聚乳酸纖維在我國的發展潛力很大。聚乳酸切片的生產多采用兩步法，先將乳酸縮聚製成低聚物，然後在催化劑的作用下製成丙交酯，再在真空中蒸餾提純後進行催化開環縮聚製得聚乳酸。進一步利用切片，透過熔融紡絲工藝，即可製得多種規格的聚乳酸纖維用於下游市場應用。生物基合成纖維的加工過程與傳統滌綸、錦綸等纖維的製備工藝較為類似，均透過聚合製備切片，後經熔融紡絲工藝製備纖維。隨著工藝的進一步發展，也可以開發熔體直紡絲工藝。
編寫丨東華大學材料科學與工程學院 王華平教授
東華大學紡織協同創新中心 烏婧副教授
審稿丨中國紡織科學研究院原副院長、顧問 趙慶章