生物基纖維，無土栽培也用它！
文丨鄧炳耀 邢劍
江南大學非織造技術中心
江南大學生態紡織教育部重點實驗室
編輯丨吳存蘭
導 讀
《生物基化學纖維及原料「十三五」發展規劃研究》中指出，到2020年約實現生物基再生纖維產能50萬噸/年，生物基合成纖維產能40萬噸/年、海洋生物基纖維產能3.5萬噸/年，化學纖維原料替代率2.1%，比「十二五」提高1.4個百分點。
「十三五」的主要任務就是以實現生物基化學纖維及其原料國產化為產業突破口，把「三個替代」（原料替代、過程替代、產品替代）、「三個結合」（與生物化工產業相結合，與節能環保、廢舊利用相結合，與功能改進和推廣應用相結合）和「三個重點」（重點攻克Lyocell纖維國產化關鍵技術與裝備、重點攻克聚乳酸纖維原料製備及纖維應用技術、重點攻克海洋生物基纖維原料多元化及規模化生產技術）作為當前發展生物基化學纖維的重要任務。
「目
前，我國纖維新材料產業的創新發展主要體現在功能性纖維材料開發與品質提升、生物基化學纖維的產業化、高性能纖維的產業化和產品系列化發展等方面。」在中國化纖科技大會上，中國紡織工業聯合會副會長、中國化學纖維工業協會會長端小平，對我國纖維產業的發展方向進行分析，他指出產業化與產品系列化已成為我國纖維產業發展的目標。如今，綠色環保的發展理念早已廣為熟知，大力發展生物基材料是走可持續發展的有效途徑，而實現生物基材料的國產化、產品多樣化更是國之夙願。
國內外爭相發展的新材料
圖丨非織造材料產品
非織造材料是介於傳統紡織品、塑料、皮革和紙四大柔性材料之間的材料，具有結構、外觀、性能的多樣性。根據不同用途可對其結構、外觀、性能選擇相應的原料和加工方式。生物基纖維的生態環保性，決定了其在非織造材料應用中的地位。
目前，除了生物基原生纖維外，生物基再生纖維（再生纖維素纖維、再生蛋白纖維、海洋生物基纖維）和生物基合成纖維，在服裝用非織造材料、農業用非織造材料、國防用非織造材料、醫用衛生非織造材料、生物工程材料和保健紡織品等領域都具有廣闊的應用前景。
生物基原生纖維的應用現狀
圖丨麻纖維產品
棉、麻、絲、毛是最常見的生物基原生纖維的原料，其取材廣泛，並且原料來源環保，是最受消費者青睞的纖維種類。以生物基原生纖維為基料，通過水刺、針刺、粘合等非織造加工工藝，可生產滿足日常用途和農業用途的非織造材料。如日本Asahi公司利用棉絨纖維開發生產的纖維素長絲紡粘非織造布，具有優異的吸液性和生物降解性，在農業用領域，可做無土栽培基質。
生物基原生纖維不僅可以通過單紡加工滿足非織造材料上的應用，而且還可將兩種或兩種以上的生物基原生纖維進行混紡，其性能會更好，應用效果更佳。如將亞麻和蠶絲纖維的紡織下腳料利用濕法成網並添加適當的粘合劑，製備的麻/絲非織造布農用地膜，該地膜具有很好的保濕和保溫作用，並且降解後可以提高土壤含氮量。
生物基再生纖維的應用現狀
生物基再生纖維品種分類及主要品種
新型纖維素纖維
（新溶劑法纖維）
新型纖維素纖維（新資源纖維素纖維）
生物基合成纖維
海洋生物基纖維
生物蛋白質纖維
Lyocell纖維
離子液體纖維素纖維
低溫鹼/尿素溶液纖維素纖維
竹漿纖維
麻漿纖維
PLA纖維
PHBV/PLA共混纖維
PTT纖維
PDT纖維
PBS纖維
PA56纖維
殼聚糖纖維
海藻纖維
大豆蛋白纖維
牛奶蛋白與丙烯腈接枝纖維
蠶蛹蛋白纖維
再生纖維素纖維
粘膠纖維、秸稈纖維、椰殼等是再生纖維素纖維在非織造材料中使用較多的纖維種類，來源豐富，並具有良好的生物可降解性。使用再生纖維素纖維製備的非織造材料，廢棄後的處理簡便易行，符合我國綠色環保的政策要求。再生纖維素纖維主要可通過針刺、水刺和熱粘合的非織造工藝製備非織造材料，其產品主要應用於衛生護理材料、過濾材料、農業用等領域。
粘膠纖維是再生纖維素纖維最常用的一類纖維，該纖維具有良好的吸濕性、柔軟性、生物安全性等性能。既可以單獨成網用於非織造材料生產，也可以與其他纖維混合製備非織造材料。其中，粘膠纖維通過水刺工藝生產的非織造材料具有優良的懸垂性、極柔軟的手感、良好的蓬鬆透氣性、強力高、吸濕性好和不易起毛等特點。
圖丨無紡布過濾材料
在過濾材料領域。利用針刺工藝可以將粘膠纖維製備成過濾材料。粘膠纖維和麻纖維及PA6納米纖維混合後針刺製備的多層非織造材料具有良好的吸油過濾性能，可應用於過濾領域。
在醫用衛生領域。再生纖維素纖維與蠶絲纖維混合後，再利用水刺工藝加固，可製備用作衛生包覆材料的非織造材料；和聚酯纖維混合製備的水刺非織造材料經拒水處理後，可製成手術罩布；和殼聚糖纖維混合，通過針刺工藝製備的非織造材料具有優異的抗菌性能，可用於醫用傷口敷料材料。
圖丨無土栽培基質
在農業用領域。粘膠纖維和稻草秸稈纖維經預混開松後，利用氣流成網並經針刺加固製備出的非織造材料可用作無土栽培基質，其具有良好的吸水性並含有大量的微孔，保水保肥效果優異，滿足農作物對空氣、水的需要，同時兩種纖維均生物可降解，對生態環境無影響。
目前，國外一些企業在農業用無土栽培基質的應用方面比較成熟，如英國Fisons plc公司利用木質材料和肥料通過非織造工藝，生產的非織造材料被用作種子基質和生長基質材料。
再生纖維素纖維還可與蛋白纖維混紡，提高纖維的性能。通過將稻秸稈纖維與廢蠶絲利用濕法成網，添加適當的粘合劑，製備的非織造材料可用作地膜，該地膜不僅可在自然狀態下發生降解，同時可以改善土壤特性，提高土壤含氮量。
圖丨中紡院萊賽爾纖維
除了以上提到的再生纖維素纖維以外，作為一種新型環保型再生纖維纖維，Lyocell纖維在其生產過程中實現「零」污染，並且該纖維具有良好的生物可降解性、吸濕透氣性、柔軟性和穿著舒適性。通過將Lyocell纖維進行水刺、針刺和熔噴等非織造工藝製備的非織造材料，可用作生產過濾材料、面膜基材、生物組織工程材料等。
再生蛋白纖維
從天然牛乳或植物（花生、玉米、大豆等）中提煉出蛋白質溶液，通過與高聚物物理共混或化學接枝而紡絲製備得到再生蛋白纖維，其纖維具有良好的物理機械性能、耐酸鹼性、柔軟性和穿著舒適性。
圖丨蠶絲面膜
以此纖維為基料，通過針刺、水刺等非織造工藝可製備非織造材料，同時其製備的非織造產品也具有良好的親膚舒適性和人體相容性，在衛生護理材料和生物工程材料領域應用較為廣泛。
膠原蛋白纖維是從廢棄皮屑中提取膠原蛋白，並經紡絲製備得到親膚性環保再生蛋白纖維。通過針刺工藝製備的非織造材料，在組成和纖維排列上與人體軟骨組織高度相似，多用於製備醫用軟骨組織。此外，膠原蛋白纖維利用靜電紡絲法還可製備膠原納米纖維，可用於製備生物支架材料。
海洋生物基纖維
海洋生物基纖維的原料來源於海洋中動植物(蝦、蟹的外殼，藻類等)纖維，該類纖維具有良好的物理機械性能、生物相容性、生物可降解性、抑菌性和吸濕透氣性等，除了在高檔面料領域應用廣泛，在生物工程材料領域也得到了高度的關注。
通過針刺、水刺等非織造工藝製備的海洋生物基非織造材料，其產品可應用於生物醫用材料（醫用敷料、藥物緩釋基材、口罩等）、個人衛生材料(面膜、紙尿褲等)和生物組織工程材料(人造皮膚、軟骨組織、神經組織等)等領域。
圖丨海藻纖維防塵口罩
圖丨甲殼素水刺無紡布
通過水刺工藝製備的殼聚糖非織造材料具備良好的彈性、抗張力性、透濕性、抑菌和生物活性，可被作為人造皮膚在生物組織工程領域使用。同時還具有保濕、供氧、活化細胞的功能，被用作濕巾、美容面膜、化妝用布等。
通過濕法成網工藝製備而得的殼聚糖纖維非織造材料，具有優良的力學性能、吸附性和導電性，多被應用於生物醫用、過濾和防護服等領域，同時也可用作廢水廢油的過濾材料。
圖丨生物多孔玻璃支架
通過將殼聚糖纖維和生物活性玻璃纖維混紡，可製備出三維有序多孔支架，並具有良好的生物活性、生物相容性和生物可降解性，同時機械強度較高，力學性能良好，被用作骨修復部位的受力支撐部件。
在纖維的生產製備過程中加入功能性添加劑，可使纖維具有保健的功能，如遠紅外和負離子功能、抗菌防臭功能、防輻射功能等。義大利的Zegna Baruffa Lane Borgosesia紡絲公司開發的一種名為Thalassa的長絲，製備的紡織面料和服裝，在保持和提高人體表面溫度、抗過敏、減輕疲勞及改善失眠和抗紫外線方面，具有顯著的功效。
生物基合成纖維的應用現狀
圖丨聚乳酸水刺無紡布
生物基合成纖維是指原料來源於生物質的化學纖維，其種類較多，具有較好的生物可降解性。生物基合成纖維一般可通過干法、紡粘法和熔噴法等工藝成網，然後再通過針刺、熱粘合的工藝加固製備非織造材料，其在生物醫療、過濾材料、包裝材料和農業用材料中應用廣泛。
聚乳酸（PLA）纖維是以玉米、小麥、甜菜等含澱粉的農產品為原料，經發酵生成乳酸後，再經縮聚和熔融紡絲製成的生物基合成纖維。該纖維具有良好的生物可降解性、力學性能、熱穩定性和耐候性，在服裝、家用紡織品、生物醫療、農業園林（生物堆肥覆蓋材料，防蟲、防獸害蓋布）、包裝和過濾等領域得到廣泛應用。
圖丨醫用材料
利用熔噴法製備的PLA非織造材料，通過抗菌整理後可被用作醫療衛生用品和過濾材料（如手術衣、手術覆蓋布、口罩等）。PLA纖維和麻纖維混合併經過氣流成網和熱軋工藝製備的非織造材料可用作過濾材料。
利用靜電紡製備的PLA納米纖維分別直接複合在水刺非織造材料和熔噴非織造材料上，製成PLA納米纖維非織造複合材料，其過濾性能將大幅度提高。聚己酸內酯（PCL）和聚乳酸（PLA）利用紡粘法製備的紡粘非織造材料能製成洗滌服、失禁墊和繃帶。
節能降耗是發展趨勢
生物基纖維具有優良的性能，儘管已經在多個領域得到了廣泛的應用，但是在非織造材料領域的應用仍存在許多問題，如產品用途單一，應用範圍窄，生物基纖維生產過程不完全綠色環保，其加工涉及領域較廣，纖維生產難度大，非織造材料製備工藝單一受限等。
未來應著重通過實現技術升級，提高產品開發效率，建立科學的研究體系，使多重技術融合，發揮產業鏈整體優勢，從而開發出一系列的差別化、功能化產品，實現產品的舒適性、功能性以及生態性。
此外，要充分發揮生物基材料可再生、可降解利用的優勢，節能降耗是未來生物基纖維非織造材料的發展趨勢。如以玉米澱粉、大豆油脂等農產品為主要原料來源，向非食物性木基纖維素等植物殘體和農林廢棄有機物基為主要原料來源的方向發展，以減少對農田的壓力和降低原料成本。
戰略合作夥伴
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