生物技术在化纤工业中的应用与展望
时间：2021-01-31 12:02:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
生物技术在纺织行业中的应用
编者按：生物技术是一种重要的高新技术，其在纺织行业中的应用主要涉及化纤及染整与纺织化学品等领域。近年来，随着全球石油资源的日趋匮乏、生态环境日益恶化，传统石油化工技术及产品的副作用和不可持续性日益明显，用生物质原料生产生物化工产品以逐步替代石化产品已成为一种发展趋势。今后，生物质纤维将朝着“资源有效利用”、“技术环境友好”、“产品灵活多样”的方向发展。在染整与纺织化学品领域，生物技术目前广泛用于制造酶制剂，用酶制剂或生物酶加工已被公认为是一种绿色染整技术，其应用范围目前已扩展到几乎所有的纺织湿加工领域。毋庸置疑，生物技术将推动传统纺织行业的变革与升级，但如何避免研究和应用过程中产生副作用或造成负面影响，值得探讨。
立足于可再生资源，采用生物技术，生产新的聚合物材料，已成为化学和生物化学工业赢利和发展的重要途径。正如经济合作与发展组织（OECD）所说，工业生物技术是工业可持续发展最有希望的技术，是从根本上解决石化资源危机、能源危机和生态环境危机的一种途径。过去 10 年，生物高分子材料在包装工业已确立了自己的地位，而在纤维材料与纺织加工领域也正显现出巨大的发展潜力。
据预计，2020年全球生物聚合物产量将达到 100 万t/a。另据德国Nava研究所数据，现今的欧洲高分子材料市场中，生物基纤维已占 13%，预计2020年将占 28%。
1 生物基纤维生产稳步增长
已经规模化生产的生物基树脂，即聚乳酸（PLA，代表产品IngeoTM）和PTT（代表产品Sorona®）聚合体，在化纤长丝、短纤维、地毯面纱的生产中得以广泛使用。近年来，大规模生产生物基纺熔非织造布的技术已经投入使用。可以说，生物基化纤的生产规模呈稳步扩张势头。
1.1 PLA纤维的生产与应用
NatureWorks公司的IngeoTM树脂目前有 6 个系列，即挤压级、注塑级、瓶级、膜与板系列、纤维与非织造布系列和涂层系列，总计 22 个产品。其中已广泛用于合成纤维复丝、单丝短纤维及非织造布生产的6000系列共有 11 个品种。目前全球PLA产能在 45 万t/a左右。
PLA生物树脂价格稳定，且具有良好的加工性能和较低的碳足迹数值。另外，PLA的化学回收过程十分简易，回收的乳酸（LA）可直接用于工业，也可重新聚合再制得PLA，因此具有环境友好性。表 1 为主要成纤聚合物碳排放和非再生资源使用量的比较。
2009年，联合国气候变化大会举办地哥本哈根的博拉会议大厅铺设了 2 万m2的生物基纤维针刺地毯，使用的原料即是PLA的回收再利用产品。
PLA纤维生产规模不断扩大，新产品开发和使用也呈迅速扩展态势。PLA/粘胶纤维（35/65）所加工织物的性能与PET/粘胶纤维（35/65）织物相比，具有如下特点：即芯吸性能优良；在相同克重的情况下，PLA混纺织物可得到较高的厚度；吸水速度快；纵横向的伸长和断裂强度较高。
近年来，PLA纤维在汽车内装饰中得以使用，丰田汽车公司开发的低油耗经济车型“Prius”就使用了PLA纤维地毯。和原来使用的尼龙地毯比较，可减少 90% 的CO2排放量。帝人公司与马自达公司合作，使用 100% 的PLA纤维制得“Biofront”产品并用于汽车座椅织物中，用于RE混合动力车。不同于常规的PLA，Biofront为D – LA和L – LA的空间立体络合结构的聚合物，具有较高的热稳定性，熔点 210 ～ 230 ℃。预计2012年销售额将达到 3 亿日元。
在产业用纺织品领域，德国PHP公司开发了PLA系列的产业用纤维“Diolen – 150 M”。这是一种生物可降解工业长丝，耐热性能较好，可在 120 ℃条件下使用。目前纺制的PLA工业丝的实测规格为 1 138 dtex/120 f，断裂张力为 54 N，断裂伸长率为 35%，热收缩率为 3.5%（检测条件：1 mN/tex，130 ℃，2 min）。产品主要应用于土工材料、医用及包装材料等领域。
近年来，PLA纺熔生产技术取得了明显进展。使用IngeoTM 树脂，产能 1.2 万t/a、幅宽 1 600 ～ 3 200 mm，产品克重 10 ～ 250 g/m2的纺丝成网生产线已投入使用。据悉该生产线也已落户我国。美国Ahlstrom（奥斯龙）公司开发了 100% PLA纺粘生产线，其产品BiowebTM与传统的PP纺粘产品相比，纤网的断裂强度、可染性和表面能相近或略好，而产品的可切割性、去污性、阻燃性和耐热性则具有改进提高的潜力。奥斯龙公司使用Reicofil设备生产一种均匀性好的轻质PLA纺粘产品，克重 15 g/m2，用做茶袋。该产品具有生物可降解性能，完全符合EN13432标准。茶袋有极好的外观，可完好地保存茶原有的味道。
在PLA熔喷非织造布的生产中，美国Biax公司主要使用两种型号的IngeoTM树脂，即6252D和6201D。较之于常规熔喷产品，IngeoTM熔喷纤维网的强度略高，且加工成本低 30% ～ 50%。如在PLA熔喷产品中混入木浆和粘胶纤维可提高产品的吸附性能，适宜开发新的高性能揩巾系列。为了给生物基熔喷非织造布的生产提供方便，美国田纳西州大学非织造布实验室开发了使用常规熔喷设备生产PLA熔喷产品的相关技术。
1.2 生物基PTT纤维稳步拓展
DuPont（杜邦）Sorona®聚合物生产中使用了 37% 的可再生植物资源，与传统聚合物PA6相比，其能耗降低了 30%，温室气体排放下降了 63%；与PA66比较，能耗低 34%，温室气体排放下降了 57%。目前杜邦公司产能为 4.5 万t/a、采用生物路线制聚丙二醇（PDO）的生产装置正在建设中。一般来说，生物基PDO的温室气体排放要比石油基PDO低 56%，比石油气基PDO要低 42%。而非再生能源的消耗量，生物基PDO比石油基PDO要低 42%，比石油气基PDO要低 38%。杜邦PTT制品与传统PA生产的可持续性比较如表 2 所示。
目前Sorona®聚合物可纺制纺织用长丝、BCF地毯丝等产品，并已广泛在外套、内衣等中使用。国内海天轻纺、方圆化纤等企业在开发Sorona®纤维产品方面积累了较为丰富的经验。
2 生物基纤维技术的新进展
2.1 生物基纤维针刺毡应用于高端医用纺织品
爱尔兰Concordia公司开发了以生物高分子为原料的针刺毡“Biofelt”，该产品已在组织修复植入与再生医学领域予以临床使用。
Biofelt是一款由生物聚合物制成的非织造毡制品，产品孔隙率高达 97%，手感柔软并有良好的弹性和生物相容性，具有促进人体细胞组织生长的功能。
Biofelt的纤维呈三度空间连接的孔隙结构，其使用的原料为医药级的生物高分子，通常选用PGA、PLLA、PCL和PEG等，或使用具有不同吸收性能的聚合物的混合体，诸如PLA/PGLA（90/10）、PLA/PGLA（95/5）、PLA–L/PLA–DL（70/30）。通常，该制品的尺寸规格为：片状 20 cm × 30 cm、15 cm × 30 cm、10 cm × 20 cm；圆形片状直径 5 ～ 20 cm；管材直径 3 ～ 15 cm。Biofelt的厚度为 0.3 ～ 7.0 mm，材料的密度为 30 ～ 300 mg/cm3。
