王丹 王玉曉 靳向煜

摘要：本文就幾種生物基纖維在非織造領(lǐng)域的應(yīng)用及材料特性進(jìn)行了介紹。如海藻纖維和殼聚糖纖維作為海洋生物基纖維具有良好的物理化學(xué)性能、生物相容性和抗菌性，其非織造材料常被用于敷料、生物組織工程等中；聚乳酸具有良好的生物相容性和生物可降解性，通過針刺、熱粘合等工藝可以制備成非織造材料，用于過濾、裝飾、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：生物基非織造材料；海藻纖維；殼聚糖纖維；聚乳酸纖維

中圖分類號：TS172 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

The Application of Bio-based Fibers in Nonwoven Materials

Abstract： The paper introduces the properties of several kinds of bio-based fibers and their applications in nonwoven field. As marine bio-based fibers， alginate fiber and chitosan fiber have excellent physical and chemical properties， biological compatibility and anti-bacteria property， which are widely used for medical dressing， biological tissue engineering， etc.； polylactic acid fiber have good biological compatibility and biodegradability， which can be made into needle-punched and thermal-bonded materials to be used in filtration， decoration and agricultural fields.

Key words： bio-based nonwoven materials； alginate fiber； chitosan fiber； polylactic acid fiber

近年來，生物基纖維在非織造材料中得到日益廣泛的應(yīng)用，根據(jù)原料的來源和生產(chǎn)過程，可將其分為四大類，表 1為該類纖維在非織造材料中的主要應(yīng)用情況。

1 再生纖維素纖維及其非織造材料

再生纖維素纖維通過針刺、水刺、熱粘合等方式可以制成非織造材料，用于個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理、過濾等領(lǐng)域。

粘膠纖維具有良好的吸濕性、柔軟性和纏結(jié)性能，用途廣泛，但濕強(qiáng)低，故常與其它纖維混合制作非織造材料。通過水刺工藝，將粘膠纖維與蠶絲纖維混合后加固成衛(wèi)生用品包覆材料，將其與木漿纖維混合可制成可沖散濕巾，與其它化纖混合可制成面膜基布、汽車內(nèi)飾等。此外，也可通過針刺工藝將粘膠纖維制成過濾材料，如將其與殼聚糖一道混合，制備的針刺非織造材料具有抗菌性能，是性能優(yōu)良的敷料材料；將其與麻纖維和PA6納米纖維混合制備的多層非織造材料，較一般過濾材料具有更好的吸油過濾性能。

Lyocell纖維具有良好的吸濕透氣性，可以通過水刺、針刺、熔噴等工藝來制備非織造材料，用作過濾材料、面膜基材、生物組織工程材料等。如將Lyocell纖維與粘膠纖維混合通過針刺工藝制備的過濾材料，比純粘膠纖維制備的材料吸附性能更好，比表面積更大。日本專利（專利號JP 2014073432-A）公開了一種過濾材料的制備方法，將原纖化Lyocell纖維制成的纖網(wǎng)與直徑為 1 ～ 8 μm的化纖短纖制成的纖網(wǎng)進(jìn)行復(fù)合，通過熱粘合工藝可制成非織造過濾材料；專利US 2013269294 A1公開了一種通過納米Lyocell纖維、超細(xì)纖維和熱熔纖維制備的多層非織造材料，納米級的Lyocell作為材料的頂層，含量為總克重的40% ～ 80%，超細(xì)短纖作為材料的基層，含量為20%左右，可以選用聚酯纖維、聚丙烯纖維、聚氨酯纖維等，材料的克重為65 ～ 113 g/m2，這種材料可以用于消毒材料、包裝袋的制備；專利CN 103161028 A公開了一種面膜基材的制備方法，使用Lyocell纖維與殼聚糖纖維共同制備美容面膜基材，其優(yōu)點(diǎn)是在去離子水中的吸收量為 6 ～ 40 g，干強(qiáng)為0.1 ～ 4 N/cm，濕強(qiáng)為0.3 ～ 10 N/cm，拉伸率低于30%。

雖然粘膠纖維和Lyocell纖維具有良好的物理性能，制成的水刺非織造材料對人體而言具有很好的舒適性，但其產(chǎn)品的用途比較單一，不夠多樣化。要使其應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛，應(yīng)進(jìn)一步探索其加工方式，使產(chǎn)品更加多樣化。

2 再生蛋白纖維及其非織造材料

再生蛋白纖維因?yàn)槭艿綑C(jī)械性能的限制，所以只能通過水刺、針刺等工藝制備非織造材料，制備的非織造材料具有良好的親膚性和舒適性，與人體相容性較好，可用于衛(wèi)生護(hù)理領(lǐng)域、生物工程領(lǐng)域等。

膠原蛋白纖維不僅可以制備水刺非織造材料，還可以通過針刺工藝來制備軟骨組織，因?yàn)槟z原針刺材料在組成和纖維排列上很好地模擬了軟骨組織。但是膠原針刺材料的力學(xué)性能較低，因此其制成的軟骨組織的機(jī)械性能也處于較低水平。此外，也可以通過靜電紡絲來制備膠原納米纖維，用于制備生物支架材料，其突出優(yōu)點(diǎn)是在加強(qiáng)材料生化性能的同時(shí)不會(huì)損壞其機(jī)械力學(xué)性能。

采用濕法紡絲的方法得到再生蛋白纖維的時(shí)間大概需要60 h，生產(chǎn)線太長，能源消耗大，且生產(chǎn)過程中需要的化學(xué)試劑很多，對環(huán)境的污染比較大。此外，得到的纖維強(qiáng)力也較低，不利于生產(chǎn)加工，需經(jīng)過后處理才可應(yīng)用于紡織領(lǐng)域。因此，進(jìn)一步研究生產(chǎn)過程更環(huán)保、更節(jié)能的再生蛋白纖維是突破點(diǎn)。專利US 20130256942 A1中介紹了一種更加節(jié)能、環(huán)保的生產(chǎn)牛奶蛋白復(fù)合纖維的方法，生產(chǎn)的纖維主要用于紡織領(lǐng)域。該專利采用了熔融紡絲工藝。用一種塑化劑將從牛奶中提取出來的蛋白質(zhì)增塑在一起，溫度在室溫至140℃之間，然后在一定的壓力下擠出成形得到牛奶蛋白復(fù)合纖維，塑化劑可以是水、甘油、多糖類物質(zhì)等。

3 生物基合成纖維及其非織造材料

PLA纖維具有良好的生物相容性和生物降解性，可以采用干法、紡粘法、熔噴法成網(wǎng)，之后通過針刺、熱粘合的方法加固形成非織造材料，用于醫(yī)療、包裝材料、過濾材料、農(nóng)用材料等領(lǐng)域。

將PLA和亞麻纖維混合，采用氣流成網(wǎng)、熱軋工藝制備非織造材料，產(chǎn)品不僅具有良好的生物降解性，而且具備一定的物理機(jī)械性能，可用于包裝材料等。

PLA雖然具有良好的生物相容性和降解性，但不具有抗菌性，這也限制了其應(yīng)用。如將制備的熔噴PLA材料用鹵胺化合物進(jìn)行抗菌整理，則其材料可用來制作醫(yī)療衛(wèi)生用品、過濾材料等。

PLA具有優(yōu)良的生物降解性能，因此也可用于農(nóng)作物的覆蓋膜。目前已有研究團(tuán)隊(duì)制備出了一種PLA/PHA的復(fù)合非織造材料，通過對其進(jìn)行風(fēng)化模擬測試，確定此種材料可用作多季節(jié)的生物堆肥覆蓋材料，是替代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)覆蓋物的良好選擇。

此外，將靜電紡制得的PLA納米纖維分別直接復(fù)合在水刺非織造材料和熔噴非織造材料上，制成PLA納米纖維非織造復(fù)合材料，材料的過濾性能將大幅度提高；將熔噴PLA非織造材料進(jìn)行駐極處理后，材料的過濾性能也可顯著提高，但過濾阻力不會(huì)發(fā)生太大變化。有研究者指出，單一的PLA熔噴非織造過濾材料雖然具有較高的強(qiáng)力，但是靈活性較差，如果使用PLA/PCL復(fù)合熔噴非織造材料，則其在保持過濾效果和強(qiáng)力的同時(shí)，靈活性也會(huì)增強(qiáng)。

PLA非織造材料雖具有良好的生物降解性能和生物相容性，但其生產(chǎn)過程并不是完全綠色的，而且由于受到本身物理性能的限制其非織造材料的應(yīng)用領(lǐng)域有限，今后可進(jìn)一步優(yōu)化PLA纖維的生產(chǎn)工藝，使其更加綠色化；也可以進(jìn)一步改善PLA的性能，使其制備的材料應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊。

4 海洋生物基纖維及其非織造材料

海洋生物基纖維指纖維原料來自于海洋中的動(dòng)植物，如藻類，蝦、蟹的外殼等。這類纖維一般具有良好的物理化學(xué)性能、生物相容性、抗菌性等，可通過針刺工藝制備非織造材料，一般用于醫(yī)用敷料領(lǐng)域；通過水刺非織造工藝制備的非織造材料，一般用于個(gè)人衛(wèi)生材料，如面膜、紙尿褲等；通過靜電紡絲紡成微納米纖維可用于生物組織工程材料的開發(fā)。

4.1 海藻酸纖維

海藻纖維常采用海藻酸鹽與非海藻酸高聚物（如纖維素）共混紡絲制得，在醫(yī)療領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用。如將殼聚糖作為混凝劑制備的海藻纖維可進(jìn)一步制備成醫(yī)用敷料，不僅提高了敷料的強(qiáng)力，也提高了其吸收性能。專利CN 103074777 A公開了一種載銀海藻酸鹽敷料的制作方法，即將濃度為1% ～ 8%的海藻酸鈉溶液擠入濃度為1% ～4%的氯化鈣溶液中，制得海藻纖維，然后將其浸泡在濃度為 0.2 ～ 2 g/L的二氧化硅溶液中得到具有抗菌性的載銀海藻酸纖維，所制得的敷料具有高效的止血性和傷口愈合性。

除了制作敷料，海藻纖維還可作為口罩、組織工程復(fù)合支架等的材料。專利CN 203226301 U中公布了一種過濾口罩的制備方法，將海藻纖維和甲殼素纖維混合鋪網(wǎng)，經(jīng)針刺非織造工藝制成的產(chǎn)品具有抑菌、吸濕透濕、舒適健康的保健作用，制成的非織造布能吸附空氣中的重金屬和粒徑在2.5 μm以上的細(xì)小顆粒；專利US 20090087469 A1中公布了一種海藻支架的制備方法，通過靜電紡絲紡出海藻酸長絲，纖維直徑為50 ～ 500 nm，其制備的支架厚度為0.05 ～ 5 mm，在生物環(huán)境下具有穩(wěn)定的性質(zhì)。

海藻纖維非織造材料用途雖較多，但由于海藻酸鹽水溶液太粘稠，即使是在凝膠濃度以下，聚合物鏈的缺陷以及分子間的斥力也會(huì)阻礙纖維鏈的形成，使海藻纖維的加工有一定的困難。已有文獻(xiàn)提出了一種新型的紡絲方法，用微流控的方法可以持續(xù)生產(chǎn)出具有溝槽的海藻酸長絲，該方法成本低，操作簡單，生產(chǎn)的纖維同樣具有良好的生物相容性，可以用于細(xì)胞支架材料的制備。

4.2 殼聚糖纖維

殼聚糖纖維具有良好的抗菌性、可降解性和生物相容性，一般采用針刺工藝制成非織造材料，可用于生物組織、過濾材料中。

殼聚糖纖維可以促進(jìn)纖維原細(xì)胞的快速增殖、膠原蛋白的合成及血管化，因此采用針刺工藝制備的殼聚糖材料主要用于醫(yī)用敷料領(lǐng)域，且其成本較低、生產(chǎn)速度較快。專利CN 202069768 U公開了一種?；瘹ぞ厶抢w維類自粘貼傷口敷料的制備方法。該敷料采用殼聚糖纖維制成的非織造材料作為基材層，產(chǎn)品具有高吸濕性和高濕強(qiáng)度，同時(shí)具有止血、抗菌、促愈的作用，特別適合慢性傷口的治療。

專利CN 103191463 A公開了一種殼聚糖纖維/生物活性玻璃三維有序多孔支架的制備方法，該材料具有良好的生物活性、生物相容性、生物降解性等特點(diǎn)；機(jī)械強(qiáng)度較高，力學(xué)性能良好，可滿足為骨修復(fù)部位提供受力支撐的要求。專利RD 603032 A公開了一種含有天然纖維的殼聚糖非織造材料，這種材料更柔軟，可廣泛應(yīng)用于濕巾、面膜等材料中。

殼聚糖纖維還可以用于制備過濾材料，采用濕法成網(wǎng)工藝制備的過濾介質(zhì)具有較好的過濾效果，可用于替代廢水廢油的過濾材料。通過靜電紡制得的殼聚糖纖維由于具有良好的吸附性能，可進(jìn)一步制成非織造材料，具有優(yōu)良的過濾效果。如將靜電紡制得的納米殼聚糖/PEO纖維與PP紡粘材料相復(fù)合，制得的材料可用于液體或空氣過濾。

殼聚糖纖維雖具有多種良好的性能，但制備過程中仍存在一些技術(shù)瓶頸，如脫乙酰度提高困難，制備高純度的殼聚糖受限；殼聚糖纖維水溶性不好，短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)快速抑菌；混合、開松、梳理成網(wǎng)困難，制備纖網(wǎng)受限等。如能解決這些問題，其應(yīng)用領(lǐng)域可進(jìn)一步拓寬。目前已有團(tuán)隊(duì)研究改善其水溶性的方法，且制備出的琥珀酰殼聚糖是一種水溶性殼聚糖，性能更佳，具有良好的水溶性，可用于制備泡沫敷料等。

海洋生物基纖維因?yàn)樾阅芟嘟蚨芍瞥蓮?fù)合纖維。如將海藻酸與殼聚糖溶解后相互混合，通過靜電紡絲可得到具有皮芯結(jié)構(gòu)的雙組分纖維，其中海藻纖維為芯層，殼聚糖纖維為皮層。這樣可以避免海藻纖維在形成過程中由于Ca2+的析出而導(dǎo)致纖維結(jié)構(gòu)的破壞。

海洋生物基纖維雖然原料來源廣泛，具有良好的生物相容性和可降解性，但其本身的一些性能特點(diǎn)限制了其發(fā)展。如海藻酸纖維的水凝膠性能太好，導(dǎo)致纖維制備有一定難度；殼聚糖纖維抑菌性優(yōu)良，因此大多只能用于制備醫(yī)療產(chǎn)品。此外，適合的工藝方法也較單一，產(chǎn)品的適用領(lǐng)域也較窄。這些缺陷也成為今后其研究的方向。

5 結(jié)語

生物基纖維的原料來源于自然界，是未來紡織材料行業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)。其加工涉及領(lǐng)域較廣，生產(chǎn)難度較大，需多學(xué)科交叉，共同開發(fā)，性能更加優(yōu)良、更適合產(chǎn)業(yè)用的纖維是發(fā)展趨勢。目前，大多數(shù)生物基纖維非織造材料的加工方式較單一，應(yīng)用領(lǐng)域有待拓展，這與纖維材料本身的性能及加工方式等有很大的關(guān)聯(lián)性，因此，多學(xué)科、跨領(lǐng)域的研究合作，對于拓展生物基非織造材料的市場很有必要。

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