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生态纺织纤维的性能与应用

作者:山东中康新材料 发布时间:2024-04-16 08:22:13点击:12

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21世纪是绿色环保型的时代,不仅对人类赖以生存的环境要求环保而且对人类必不可少的衣食住行也同样要求环保。绿色纺织品、绿色农业、可生物降解的医用器件、卫生产品以及无甲醛释放的纺织品和装饰材料已成为目前全世界所关注的发展方向。


一类是原料直接取自天然高分子物质的绿色环保纤维,如:Tencel、Modal、玉米纤维、大豆蛋白纤维、海藻酸钠纤维、甲壳质纤维都属于绿色环保纤维,不仅可以用于服饰行业而且还可以用于农业、渔业、装饰装磺、医疗卫生等不同领域。另一类是高分子化学合成材料,如:聚乳酸纤维(PLA)、聚羟基乙酸纤维(PGA)以及它们的聚合纤维(PLGA),这些纤维不仅生物相容性好而且可以生物降解成CO2和H2O直接参与人体的新陈代谢,对人体无毒副作用,也是倍受关注的新型高分子材料。


尤其是生态纺织品标准Oko-Tex100的颁布对纺织品生态毒性物质的限量和相关指标都作了明确的规定,是目前鉴定生态纺织品的权威标准。

天然大分子材料生态纤维


1、纤维素纤维一Tencel/Lyocell


20世纪70年代英国考陶尔兹公司开发了新型溶剂纺纤维素纤维(商品名为Lyocell ),它是以N-甲基马啉、N-氧化物NMMO的浓水溶液为溶剂,以NMMO的稀水溶液为凝固剂,采用湿纺工艺得到的一种具有环保性能的绿色纤维,其平均分子量、取向度、结晶度都优于粘胶纤维,尤其是强度比粘胶纤维高出许多(几乎和涤纶差不多),吸水性好,染色性能优异,易原纤化。用它纺制的织物可赋予柔软、滑爽、挺括、色泽鲜艳的特殊风格,还可以产生桃皮绒的外观特点。由于在纺制过程使用的是可回收再利用,对环境无污染的NMMO有机溶剂,而且Tencel纤维在有氧、无氧的条件下都可以发生生物降解,所以说Tencel纤维是一种理想的新型纤维素生态纤维。


目前这种纤维主要用于服装行业,但它的用途正向非服用行业拓展,如用它织造的非织造布可用作人造羚羊皮、医用止血球、医用纱布、尿布、抹布等。Lyocell经改性得到的羟甲基纤维素纤维可用作治疗慢性伤口的敷料。


2、醋酸纤维素纤维


醋酸纤维素纤维是木浆或棉浆与乙酰酐发生反应,纤维素上的羟基被酯基取代后得到的具有生物降解性的纤维,它的阻燃性良好,可再生,降解性能随酯化度(DS)的提高而下降。醋酸纤维素的生物降解首先是在脱乙酰酶作用下,酯醛发生分解使DS降低,当酯化度降低到某一临界值后,大分子在纤维素酶的作用下发生断裂,最终被代谢生成CO2和H2O,若在大分子链上引入光氧化剂则可加速生物降解的速度。目前这种纤维主要用于香烟的过滤嘴和一些高档服装面料。


3、再生蛋白纤维


再生蛋白纤维的研究很早,大约在19世纪末20世纪初就有关于对它的研究,1904年Toden-haupt用从牛乳中提炼的酪素纺丝得到酪素纤维;1936年英国考陶尔兹公司也开发了酪素纤维,1938年又制造出了商品名为Ardil的花生蛋白纤维;同年日本油脂公司开发了以大豆为原料的纤维;1939年。Corn Prduct Refining公司制得了玉米蛋白纤维,商品名为Vicara Ardiln Fiber;1945年美国和日本研究了大豆蛋白纤维,商品名为Soylon ;1969年日本东洋纺公司研制并试生产了牛奶蛋白纤维,取名为Chinon。


不论哪一种蛋白纤维其原料都是直接取自于动物体或植物体,对自然资源不造成破坏;而且原料可以回收利用,不污染环境,所以这种纤维的大量生产可缓解现代工业对全球资源和环境的压力。

    

(1)大豆蛋白纤维


大豆蛋白纤维的原料直接选自于生物资源中来源广、可再生的大豆豆粕,纤维的生产过程中所使用的大部分助剂和半成品都可以再回收利用,大豆蛋白纤维既具有天然蚕丝的优良性能,也具有合成纤维的优良机械性能。易染色、吸湿性好,既可满足人们对美感、舒适性的要求又符合织物免烫、洗可穿的潮流,是继Tencel之后又兴起的一种绿色维。目前国内已经生产有大豆蛋白纤维机织物和针织物,对大豆蛋白织物的研究更进了一步,填补了我国在该领域的空白。


(2)玉米蛋白纤维


玉米蛋白纤维与其他再生蛋白纤维相近,他们的最大共同特点是在产业用途中具有良好的环保性能;纤维的强度、吸湿性、伸长性以及染色性能和常用的化学纤维相近,玉米纤维的特性使其除了可以做内衣、外衣和运动服外,更多的用于产业用纺织品。Vicara纤维是玉米纤维的代表,Vicara纤维耐高温,具有抗生物性,化学性质稳定,干强度好,在标准状况下为10. 584 cN/tex,湿强度却只有6. 17 cN/tex,与其他纤维混纺,一方面可降低成本,另一方面可提高稳定性、抗皱性以及柔软性。经改良的Vicara纤维除适合纺织品的一般用途外,更适合于做产业用环保纺织材料。


(3)玉米聚乳酸纤维


用玉米加工聚乳酸纤维既解决了不可生物降解的合成纤维带来的环境问题,又解决了玉米销售难带来的资源浪费。玉米聚乳酸纤维的原料乳酸可以从任何碳水化合物的可再生天然物质发酵制取,加工乳酸最大的优点是不使用石油等化工原料,从原料到废弃物可生物降解,生成物可再由土壤和海洋生物代谢,不污染环境。聚乳酸纤维由淀粉组成,燃烧时不放出C02,也不会产生氮和硫的氧化物等对环境有害的污染物,纤维可被完全分解为CO2和H2O从而发生降解。


4、甲壳素纤维

制取甲壳素纤维的原料来自于蟹、虾、贝等壳类水生动物的外壳中,是又一类继纤维素之后地球上最丰富的天然有机物。因甲壳素具有高等动物组织中的胶原质和高等植物组织中的纤维素两者的生物功能,所以对动植物都有很好的生物相容性,同时还具有生物降解性和口服无毒副作用的特点。由于甲壳素具有以上的生物特性,因此在纺织、食品、农业、化妆品、环保、生物医疗等领域均有很高的应用价值。尤其是将它作为一种新型的生物材料被广泛应用于医疗卫生领域,如用它加工成的外科用可吸收性缝合线、伤口敷料、人造皮肤等。


人们对甲壳素纤维的研究已有相当长的历史,1926年Kunike首次纺制出甲壳素纤维,在随后的十几年当中又陆续有新的甲壳素纤维出现,近年来Hirano等人在室温条件下又研制出一种优良的新型功能生物材料一甲壳素,丝的丝素蛋白纤维,使对甲壳素纤维的研制又上了一个新的台阶。海南珍珠养殖场利用甲壳质水刺非织造布开发的生物美容面膜具有供氧、保湿、活化细胞等功能,另外用它制成的食品保鲜盖布具有杀菌、防毒、保鲜的功能,用作医疗器材、包装袋具有防霉变、透气的功效,所以,可以说甲壳素纤维是具有开发价值和广阔应用前景的天然生物高分子材料之一。


5、海藻酸钠纤维


海藻是一种从海洋褐藻中提取的多糖,在自然条件下能够生物降解成CO2和H2O,以它的钠盐为主要原料纺丝得到的海藻酸钠纤维,干强接近粘胶,但湿强很低,不易用作传统纺织材料。海藻酸钠纤维是一种无毒、保温、吸收性能良好,能促进伤口愈合的生态医用纤维,用它制成的非织造布被广泛应用于伤口敷料、医用纱布等方面。


合成生态纤维


1、微生物合成生态纤维


由微生物合成的聚羟基链烷酸酯、短梗霉多糖、功能蛋白高分子等都可以纺制成纤维,另外微生物还可直接用于生产可生物降解的纤维。


(1)聚羟基链烷酸酯(PHA)纤维


PHA纤维具有优良的生物相容性、光学活性、压电性、抗潮性、低透气性等良好性能,在通常情况下性质稳定,但在土壤、湖泊、海洋等环境中却很容易发生生物降解,所以将使用后的PHA纤维制品埋人土壤或置于水底便可很快发生降解,从而减少对环境的污染。PHA纤维制品可用于医用材料、卫生材料等方面。


(2)短梗霉多糖(Pullulan)纤维


Pullulan是以谷物或马铃薯为原料,由出芽短梗霉产生的一种胞外水溶性多糖(由麦芽三糖1,6键接形成的聚合物),其强度和硬度等物理性质与聚苯乙烯相当。Pullulan纤维具有平滑、透明、光泽好、强度高(与尼纶相当)、且无毒、无味、无色、能生物降解的特点,用它制成的纤维尤其适合作手术缝合线和医用敷料。


(3)功能蛋白纤维


功能蛋白纤维是通过基因工程和蛋白工程由微生物合成的类似于天然蚕丝、蜘蛛丝结构的蛋白纤维,光泽好、强度高,在适合的条件下可将其纺制成特种人造蛋白纤维,可用作高档服装面料和部队的防弹衣。


(4)微生物合成纤维


用多糖液中培养出的细菌(膜醋菌)可获得直径大于40nm的生物纤维丝条,用它可制作高质量的耳机。用微菌类霉菌体可以合成支化营养菌丝或长度达几厘米的由孢子囊柄组成的丝条。分离纯化后,丝条能够织成无纺布,虽强度低但可用作其他纤维的高效粘合剂,该微细丝条还可以用于湿辅无纺布的过滤材料,提高过滤率,若将丝条壁所含的甲壳质转化为甲壳胺后制成非织造布可作伤口敷料和工业废水的过滤材料。


2、化学合成高分子材料


(1)聚乳酸纤维(PLA)


1992年日本岛津成功的研究出了PLA的熔融纺丝,日本钟纺公司以高纯度、高分子量的聚乳酸为原料严格控制工艺纺出了性能优良的PLLA长丝,商品名为Lactron的聚乳酸纤维。1999年正式展出由Lactron纤维制成的纺织品,这就意味着聚乳酸纤维成为新世纪纤维生产很有潜力的产品之一。聚乳酸纤维具有许多优点,其熔点高,结晶度极好,取向度高,耐热性好,染色性能好,能够发生生物降解。由聚乳酸纤维制成的服装面料具有丝一般的光泽、优良的手感和良好的吸水性,尺寸稳定性也好。PLLA纤维与其他生物降解纤维相比它的分解速度低且稳定,埋人土壤中2年~3年后强度消失,如果与其他有机废弃物同时埋入地下,几个月之内就会分解成CO2和H2O,是一种理想的可生物降解纤维。


由于聚乳酸纤维的具有以上优良性能,除用作服饰之外还广泛应用于农业、工业等产业用材上,如:农业上防虫、防兽害的盖布,以及渔业用渔网等方面,还可以用于卫生医疗领域,如非织造布尿布和卫生用品,手术线、绷带等,还可用来生产可生物降解的包装材料。


(2)聚羟基乙酸酯(PGA)纤维


PGA是最简单的脂肪族聚酯。PGA纤维是由交酯开环聚合得到的高分子量,经熔融纺丝制成的纤维,色泽透明,强度好,机械性能优良,能发生生物降解,可用作可吸收性手术缝合线,它的分解速度快,在人体内不到一个月便会丧失机械强度,减少拆线时对病人所带来的痛苦。含羟基乙酸的聚酯酰胺还可制成对环境无污染的多层复合材料,主要用于土木建筑工程和水利水电工程的拦河大坝上。


(3)乳酸羟基乙酸酯聚合纤维(PLGA)


PLGA是乳酸和羟基乙酸聚合而成的共聚物,PLGA纤维的初始模量低,柔性好,通过调节其组成、分子量和增强改性后,纤维可被广泛地应用于生物医学工程领域,如药物缓释体系、生物体吸收性缝合线、骨科固定及组织复修材料。


(4)改性涤纶((PET)纤维


PET纤维是一种新型弹性聚酯纤维材料,具有耐久性好、透气性好、重量轻、阻燃性能好等许多优良性能。PET纤维的抗压性能可达到传统聚氨酯泡沫塑料(PUE)的抗压性能,而它的耐久性能却大大超过PUE纤维;PET纤维压缩性能好,在压缩过程中可保持持久的高效性,也就是说PET纤维也可达到压不变形的效果;它透气性能好,能很好地避免PUE纤维由于汗水聚集而发生的粘附现象,安全性能好,燃烧时不会放出象PUE纤维那样的氢氛化物之类的有害气体,也是一种环保性的生态纤维。


基于以上这些优点预计它可能取代聚氨酯泡沫塑料(PUE)而被广泛应用于列车、地铁及飞机上的耐久性坐垫以及室内装饰材料等许多方面以及可以应用于医院病床的床罩以及可以用于特种部队,消防部队的防弹衣和工作服。用改性后的PET纤维制成的服装面料具有丝绸一样的外观风格,手感滑爽、柔软,广泛用作高档服装面料和内衣衬里及其他类似的内衣中。


(5)聚对苯二甲酸1 ,3丙二醇酯(PTT)纤维


PTT纤维最大的优异特性是具有高的回弹性、可染性、耐热性、抗污染性以及透明性。优异的回弹性使PTT纤维可用作网球线,由PTT树脂制成的超细纤维织物具有优良的柔软性和蓬松的手感,其他物理性能都优于PET和聚酰胺(PA)纤维。PTT与PET、PBT(聚对苯二甲酸1,4-丁二醇酯)共混纺丝可制得抗张强度好,耐热性好,在低温下就可定形的纤维和丝束。在PTT树脂合成中引入共聚单体进行改性则可提高PTT纤维地耐水解、抗弯曲、抗磨损能力,因此可作帆布用材料,另外PTT纤维可制作地毯、装饰用纺织品、非织造布等方面。


(6)聚碳链类纤维


聚乙烯醇(PVA)能被氧化剂氧化而降解,经剧烈氧化后的最终产物是CO2和H2O,可由聚醋酸乙烯水解得到。在通常情况下,PVA纤维具有良好的气密性、抗氧化性、抗静电、对热密封性好、耐强碱和大多数有机溶剂易氧化降解,由于PVA在熔融纺丝前就已发生生物降解,一般来说不能够通过熔融纺丝来生产PVA纤维。在PVA纺丝体系中引入抗菌剂制备得到的纤维,可用作制备可生物降解非织造织物的粘结纤维,用后可将纤维直接丢弃于水中,抗菌剂会随PVA的溶解而去除,剩下的纤维则可以被水中或土壤中的微生物分解。若将聚乙烯醇、乳酸和磷酸共混纺丝能够得到阻燃可生物降解的纤维。广泛应用于医疗卫生领域中的一次性医疗器件、包装袋还有一次性医用、卫生用品,还能够用于农用薄膜、育种保温膜、盖布等诸多方面。


(7)双组分纤维


共混纺丝和复合纺丝尤其是前者是改善纤维性能或赋予纤维新性能的一种比较经济可行的方法。如以聚丙烯(PP)为芯料以聚乳酸纤维(PLA)为皮层经过熔融纺丝可以得到能够生物降解的复合纤维,可用于制成织造布和非织造布。PP和PLA按一定比例复合纺丝经熔融挤出、冷却、上油、拉伸即可得到双组分纤维,若用碱液处理纤维便可提高织物的强度和回弹性能,使手感干燥。但是通常情况下只有相容性好的高聚物才能够被用于共混纺丝,如聚酯类与多糖高分子、醇类由于相容性好故可用来共混纺丝。


日本王子制纸公司研制成功的可生物降解纤维就是由65%-85%纤维素醋酸脂和15%-35%的可生物降解聚酯多元醇共混纺丝制得的。PTT纤维也是一种被广泛用作皮芯结构的复合纤维,由它的复合纤维制成的织物具有类似于羊毛的柔软感和良好的韧性,并可制成各种透气、防水、防皱、吸汗及抗紫外线等的功能面料。由新戊二醇-乙二醇-1 ,3丙二醇对苯二甲酸制得的共聚物作“皮”,PET作“芯”经熔融纺丝制得的皮芯纤维具有良好的耐气候变化性和抗碱腐蚀性。


结束语

在市场经济条件下,表面上是产品质量、品种和外观的竞争,实际上却是技术和高科技技术水平的竞争,全世界各个国家在全球可持续发展战略的影响下,为了减轻对环境的破坏和日益造成的压力都致力于研究一种既不破坏物质资源,又不影响生态环境的新型纤维,无疑天然纤维、化学合成纤维都会以新的姿态和新的面貌出现于世人面前。


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