編者按

生物基化學(xué)纖維是以生物質(zhì)為原料或含有生物質(zhì)來源單體的聚合物所制成的纖維，產(chǎn)品具有生態(tài)環(huán)保、人體親和、抑菌舒適、廢棄物可生物降解等性能，已廣泛應(yīng)用于貼身內(nèi)衣、襯衣、襪類、家紡等產(chǎn)品。生物基纖維科普知識(shí)系列的推出就是為了讓行業(yè)人士及消費(fèi)者對(duì)生物基纖維有更全面的了解。

合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(shí)，傳統(tǒng)合成纖維還具有不易降解的特點(diǎn)，“白色污染”帶來的危害已受到人們的高度關(guān)注。為適應(yīng)綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的需求，研究開發(fā)新型生物基化學(xué)纖維成為發(fā)達(dá)國(guó)家的戰(zhàn)略計(jì)劃。近年來，生物基纖維生產(chǎn)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，生物基纖維已經(jīng)在服裝和家紡等產(chǎn)品中獲得廣泛應(yīng)用。

什么是生物基化學(xué)纖維？

生物基化學(xué)纖維有哪些品種？有哪些特點(diǎn)？

所有生物基化學(xué)纖維都具有可降解特點(diǎn)嗎？

……

讓我們一起來了解一下

生物基化學(xué)纖維的方方面面。

1.什么是生物基化學(xué)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制成的纖維。以區(qū)別于用煤、石油等不可再生石化資源為原料生產(chǎn)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(duì)它們進(jìn)行分類：

1）從生物學(xué)的屬性，可分為動(dòng)物質(zhì)纖維、植物質(zhì)纖維和微生物質(zhì)纖維；

2）從產(chǎn)業(yè)分類，可分為農(nóng)副產(chǎn)生物質(zhì)纖維和海副產(chǎn)生物質(zhì)纖維；

3）根據(jù)生產(chǎn)過程，生物基纖維可分為三大類：

▲生物基原生纖維，經(jīng)物理方法加工處理成后直接使用的動(dòng)植物纖維；

▲生物基再生纖維，即以天然動(dòng)植物為原料，經(jīng)過物理或化學(xué)方法制成紡絲溶液，而后通過適當(dāng)?shù)募徑z工藝制備而成的纖維；

▲生物基合成纖維，以生物質(zhì)為原料，通過化學(xué)方法制成高純度單體，而后經(jīng)過聚合反應(yīng)獲得高分子量的聚合物，再經(jīng)適當(dāng)?shù)募徑z工藝加工成的纖維。

生物基再生纖維和生物基合成纖維統(tǒng)稱為生物基化學(xué)纖維。那么這兩類纖維有何不同呢？生物基再生纖維不改變生物質(zhì)大分子原有的化學(xué)結(jié)構(gòu)，紡絲過程是對(duì)其物理形態(tài)的再造，它僅僅改變了聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。而生物基合成纖維的化學(xué)及物理性質(zhì)取決于所使用的單體，它與單體來源無關(guān)。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性能就相同。生物基合成纖維強(qiáng)調(diào)的是其單體源于生物體。

2. 生物基化學(xué)纖維具有哪些特點(diǎn)？

生物基化學(xué)纖維一直被認(rèn)為是“綠色纖維”、“生態(tài)纖維”和“環(huán)保纖維”。那么生物基化學(xué)纖維具有哪些特點(diǎn)呢？

首先，原料是植物、動(dòng)物的副產(chǎn)物，具有可再生性，可以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

其次，生物基化學(xué)纖維具有較低的碳足跡：生物基化學(xué)纖維所含碳原子全部或者部分來源于生物質(zhì)。以植物生物質(zhì)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。其廢棄后無論是經(jīng)過環(huán)境中的生物降解作用，亦或是燃燒轉(zhuǎn)為CO2，從全生命周期來看并不會(huì)產(chǎn)生額外的碳排放。因此，生物基化學(xué)纖維具有整體減碳排放或者無增碳排放的特點(diǎn)。

再次，大部分生物基化學(xué)纖維可呈現(xiàn)優(yōu)異的生物降解性和生物相容性：根據(jù)具體化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同，一些生物基化學(xué)纖維可以在堆肥、自然環(huán)境和生物體內(nèi)發(fā)生降解，以及具有較好的生物相容性，可應(yīng)用于生物醫(yī)用等領(lǐng)域。

3. 生物基合成纖維和生物可降解纖維是什么關(guān)系？

近年來，隨著全球?qū)鹘y(tǒng)塑料等難以在自然環(huán)境中降解所造成的嚴(yán)重環(huán)境污染，以及日益嚴(yán)峻的微塑料污染問題的關(guān)注，開發(fā)生物可降解塑料及纖維制品變得尤為重要。特別是各國(guó)“禁塑令”的逐漸實(shí)施，一些具有潛在造成微塑料污染的制品將被禁止使用。然而，生物基化學(xué)纖維主要是指其原料中含有可再生植物生物質(zhì)或動(dòng)物生物質(zhì)成分，而生物可降解纖維既可以來源于生物基，也可以來源于石油基，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(shí)也是生物可降解纖維？

哪些生物可降解纖維并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(gè)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(tǒng)石油基化學(xué)纖維如滌綸、錦綸、丙綸和氨綸等均處于此象限。這些纖維具有高熔點(diǎn)，高結(jié)晶度，分子結(jié)構(gòu)規(guī)整，力學(xué)性能優(yōu)良，并且具有較好的耐水解性和抗化學(xué)腐蝕性，因此在自然環(huán)境中降解非常緩慢。例如，聚烯烴在自然環(huán)境中，受到日光照射，可以發(fā)生熱氧降解，但降解速率極低。低密度聚乙烯（LDPE）2.5年內(nèi)降解轉(zhuǎn)化為CO2的比例僅為0.35%，因此，我們通常認(rèn)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(xué)纖維由于保留了天然生物質(zhì)的多糖或蛋白結(jié)構(gòu)，因此其纖維制品具有與天然生物質(zhì)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(nèi)酯（PCL）等均可在堆肥，以及中性酶降解溶液中發(fā)生質(zhì)量損失、力學(xué)性能下降，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性能。從全生命周期分析來看，此類纖維是生態(tài)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性能是個(gè)較為復(fù)雜的過程，與材料本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能緊密關(guān)聯(lián)。有些化學(xué)纖維材料盡管具有生物基屬性，但卻由于本身的結(jié)晶度高、熱學(xué)性能優(yōu)異，制約其生物降解性能，屬于難以降解的纖維材料，例如：

(1)生物基PTT（聚對(duì)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可以以谷物為原料，用生物法進(jìn)行生產(chǎn)。進(jìn)一步采用直接酯化法（用對(duì)苯二甲酸和PDO直接反應(yīng)）或酯交換法（對(duì)苯二甲酸二甲酯與PDO進(jìn)行酯交換反應(yīng)）制得。PTT纖維具有優(yōu)于其他聚酯纖維的回彈性能、較低的拉伸模量、較高的斷裂伸長(zhǎng)率；具有較好的染色性能；扛褶皺性和柔軟手感。其是我國(guó)近年來具有國(guó)際領(lǐng)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，并不具有生物降解性能。其生態(tài)優(yōu)勢(shì)在于可有效降低產(chǎn)品的碳足跡，但制品廢棄后難以通過自然環(huán)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制備而來。呋喃二甲酸可以以淀粉或纖維素等天然生物質(zhì)為原料，經(jīng)生物發(fā)酵或化學(xué)方法制備。PEF纖維與滌綸PET纖維相似，具有較為接近的熔點(diǎn)和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，盡管有報(bào)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(jù)目前的生物可降解堆肥標(biāo)準(zhǔn)，并非生物可降解纖維。

其它生物基纖維材料，如尼龍56和生物基PDT纖維也屬于此類。

▲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性能是個(gè)較為復(fù)雜的過程，與材料本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能緊密關(guān)聯(lián)。有些化學(xué)纖維材料盡管主要來源于石油基，但卻由于本身的分子鏈結(jié)構(gòu)較為柔性，酯鍵容易發(fā)生水解，以及微生物或者生物酶降解，因而呈現(xiàn)較好的其生物降解性能，例如：

制備PGA（聚乙酸醇)的重要化合物-草酸二甲酯(DMO)，它是由煤為原料制得，經(jīng)加氫、水解、聚合制得。PGA雖由煤制得，但是其生物降解能力很好，可以在1－3個(gè)月內(nèi)完全降解，降解產(chǎn)物是水和二氧化碳，完全無毒無害，常被用于可吸收手術(shù)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)按照一定比例共聚制得。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(qiáng)度，良好的生物相容性和生物可降解性，也常用于可吸收手術(shù)縫合線。

其它如PBAT和PBST也主要來源于石油基。PBAT和PBST分別由己二酸丁二醇酯(PBA)、丁二酸丁二醇酯(PBA)與對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)共聚制備，其材料性能兼具PBA和PBT的性質(zhì)，具有良好的斷裂伸長(zhǎng)率、延展性、耐熱性和沖擊性能，同時(shí)具有優(yōu)良的生物降解性能。要應(yīng)用為農(nóng)用地膜等薄膜材料，纖維應(yīng)用還處于開發(fā)階段。

4. 生物基化學(xué)纖維是如何加工的？

傳統(tǒng)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(guó)生產(chǎn)棉纖維和桑蠶絲紡織品的歷史已經(jīng)延續(xù)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(zhì)，古代更是權(quán)貴和財(cái)富的象征。棉纖維和桑蠶絲的生產(chǎn)主要以棉花和蠶絲為原料，主要經(jīng)過多種物理手段制備而成。我國(guó)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(jìn)行物理分類，并進(jìn)一步加工為纖維制品的過程。

那么，現(xiàn)今的生物基化學(xué)纖維是如何由生物質(zhì)加工、制備而來呢？

（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(yù)處理加工和纖維成型加工兩道工序：

纖維素原料預(yù)處理加工：來自于原料中的纖維素不能直接利用，需要經(jīng)過提純處理才可以用于制備纖維，提純處理的目的是將原料中的木質(zhì)素、半纖維素等物質(zhì)去除，然后將其制成漿粕(制漿過程)。常用的處理方式有化學(xué)處理，大多是采用酸堿水解的方式進(jìn)行處理，但是這種處理方式對(duì)于環(huán)境的危害較大，已經(jīng)逐漸開發(fā)了多種新型處理方式，如生物處理(利用真菌和細(xì)菌去除木質(zhì)素、角質(zhì)以及其他物質(zhì))、酶處理、物理處理(利用機(jī)械力、高能輻射、微波處理)、蒸汽爆破等。

最開始制作纖維所需要的纖維素主要來自于棉花、木材，但是受到我國(guó)耕地面積和林業(yè)資源的限制，原料來源開始向我國(guó)其他的可再生資源轉(zhuǎn)移，比如竹、麻、香蕉、甘蔗等，尤其是一些農(nóng)副產(chǎn)品，比如甘蔗渣、農(nóng)作物秸稈、椰子殼等，利用這些農(nóng)副產(chǎn)品作為纖維的原料可以實(shí)現(xiàn)變廢為寶，降低產(chǎn)品成本，為擴(kuò)大產(chǎn)量提供了廣闊的可能。

纖維成型加工：對(duì)纖維原料進(jìn)行預(yù)處理之后，接下來就是纖維成型加工，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的紡絲技術(shù)是溶液紡絲，其中最為典型的是粘膠法和直接溶劑法。

粘膠法是最廣泛采用的纖維素纖維生產(chǎn)方法，先將纖維素用強(qiáng)堿處理生成堿纖維素，再與二硫化碳反應(yīng)得到纖維素磺酸鈉，再將該衍生物溶于強(qiáng)堿中制成粘膠（紡絲液），紡絲溶液從噴頭的細(xì)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(jīng)過拉伸等加工后得到人造纖維。生產(chǎn)過程包含復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，工藝流程長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，并生產(chǎn)CS2、H2S等廢氣、含酸、堿、Zn2+的廢水、含CaO、Al2O3、MgO、Fe2O3等的污泥，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(fā)。NMMO法生產(chǎn)工藝是一種不經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)而制得纖維素纖維的過程，首先將漿粕與含結(jié)晶水的NMMO充分混合、溶脹，然后減壓除去大部分結(jié)晶水，溶解，形成一穩(wěn)定、透明、粘稠的紡絲原液，經(jīng)過濾、脫泡后紡絲。具有工藝流程短、污染小、溶解性能好等優(yōu)點(diǎn)。NMMO法生產(chǎn)的再生纖維素纖維稱為“Lyocell纖維”（萊賽爾），它被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色纖維。

由上述內(nèi)容可看出，溶劑法可以省略一系列化學(xué)處理的過程，縮短了生產(chǎn)流程，減少了污染。目前國(guó)內(nèi)外研究人員正致力于其他溶劑體系的開發(fā)。

其他溶劑有離子液體和低溫堿/尿素體系等，其中低溫堿/尿素體系是由我國(guó)自主研發(fā)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，即通過生物質(zhì)原料的衍生化制備纖維原料，然后再進(jìn)行熔融紡絲。然而由于天然生物質(zhì)原料化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含多個(gè)羥基官能團(tuán)，容易發(fā)生高溫降解，其工藝雖已有報(bào)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(tǒng)滌綸、錦綸等纖維的制備工藝較為類似，均主要通過熔融聚合制備切片，后經(jīng)熔融紡絲工藝制備纖維。隨著工藝的進(jìn)一步發(fā)展，也可以開發(fā)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(jīng)乳酸二聚環(huán)化制備的丙交酯，可以玉米、馬鈴薯、甜菜等作物為原料經(jīng)生物發(fā)酵獲得。這些農(nóng)作物在我國(guó)的產(chǎn)量很大，因此聚乳酸纖維在我國(guó)的發(fā)展?jié)摿艽蟆＞廴樗崆衅纳a(chǎn)多采用兩步法，先將乳酸縮聚制成低聚物，然后在催化劑的作用下制成丙交酯，再在真空中蒸餾提純后進(jìn)行催化開環(huán)縮聚制得聚乳酸。進(jìn)一步利用切片，通過熔融紡絲工藝，即可制得多種規(guī)格的聚乳酸纖維用于下游市場(chǎng)應(yīng)用。生物基合成纖維的加工過程與傳統(tǒng)滌綸、錦綸等纖維的制備工藝較為類似，均通過聚合制備切片，后經(jīng)熔融紡絲工藝制備纖維。隨著工藝的進(jìn)一步發(fā)展，也可以開發(fā)熔體直紡絲工藝。

編寫丨東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 王華平教授

東華大學(xué)紡織協(xié)同創(chuàng)新中心 烏婧副教授

審稿丨中國(guó)紡織科學(xué)研究院原副院長(zhǎng)、顧問 趙慶章