3D生态超纤皮及功能性皮革研发与应用前瞻

2014-04-23张哲

新材料产业 2014年9期

张哲

目前，我国环保整治力度加强，未來天然皮革生产将面临更大的环境因素挑战。由于天然皮革加工造成的环境污染问题日渐突出，越来越多的国家和地区逐渐限制天然皮革的非清洁加工与销售。作为替代天然皮革的新材料——超纤皮革已经量产10年且已成熟化、产业化。用超纤皮革部分替代天然皮革，已经是很多箱包皮具、鞋类服装、车船游艇、飞机生产企业内饰升级降本的不二选择，同时也是未来替代真皮的方向选择。

一、生态超纤维皮革及功能性皮革发展必要性

据统计，为了满足人类生活需要，在地球上需要饲养600亿头动物来满足人们对肉、奶、蛋和皮革的需求。当今地球人口70多亿，预计到2100年前后，全球人口将突破100亿，届时我们对肉类动物的需求量将会达到千亿头。然而，动物可不仅仅是原材料，他们也是生物，他们的生长需要消耗大量的土地、纯净水、青草、饲料，并制造大量温室气体。

据科学家研究，动物养殖业是全球最大的温室气体排放源，科学家认为，二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氟氯碳化物、水蒸气等温室气体，吸收太阳辐射，增加了地球的温度，造成全球变暖。

2006年11月29日，联合国粮农组织报告指出：畜牧业是造成严重环境危机前3名最主要的元凶之一。全球畜牧业排放的气体和主要影响主要包括：畜牧业排放二氧化碳的量约占全球排放量的9%，在大气中会持续百年以上；畜牧业产生的甲烷气体占全球排放量的37%，甲烷气体的温室效应是二氧化碳的72倍；畜牧业产生的氧化亚氮占全球排放量的65%，氧化亚氮温室效应是二氧化碳的296倍。1只牛在消化过程中由打嗝和排气在1天内排出的甲烷气体达200L。研究发现，每生产1kg肉类，就会排放出36.4kg的二氧化碳。另外，饲养和运输1kg牛、羊、猪肉和皮革所消耗的能源，可以使1个100W的灯泡连续点亮3个星期。”

因此，急需要有新的材料代替天然皮革以减少环境污染和温室气体的排放。国际上，生态超纤皮革由于理化性能超过天然皮革而被广泛作为天然皮革的替代品。超纤皮革经过10年的快速发展期，目前已经替代了大部分真皮产品，但想要完全替代真皮还需要在技术上有进一步突破，尤其是成形性、真皮感、透气透湿及降低有挥发性有机化合物（TVOC）的产生需要进一步提高。

二、超纤皮革和功能皮革的种类

通过长达15年的大量实验，研究人员确定了研究方向为生态超纤皮、纳米皮、3D超纤皮、蛋白皮、3D打印牛皮等方面，这些材料能够更好地替代真皮，达到天然皮革效果。目前，研究人员在这些领域已经取得了一定进展，下面逐一进行介绍。

1.3D生态超纤皮

生态超纤皮革是目前世界上工业化生产中最像真皮的人工合成皮革，采用与真皮胶原纤维细度一样的海岛型超细纤维构成基本骨架材料，采用3D立体的非织布加工工艺制造成基本网状结构，再填充与氨基酸的氨基结构类似的聚氨酯树脂而成。这种材料不仅理化性能超过真皮，而且生态环保，综合成本也仅仅是真皮的1/2，所以生态超纤皮革这10年来被广泛使用（见图1）。

3D生态超纤皮革研究改善了基材树脂配方，采用轧纹工艺生产是比较理想的结构方式。由于配方改变，超纤层状结构接近真皮，再使用与真皮一样的轧花纹理工艺，纹理达到完全仿真效果。采用3D技术生产一次成型，做出的产品不仅逼真动感，有很好的视觉冲击力，表面几乎与真皮没有任何区别，且性能超过真皮数倍。3D生态超纤皮革用于汽车座椅和家具沙发，仅仅是耐磨使用上，真皮可以使用3年，3D超纤皮可以使用8年以上。

2.蛋白皮

蛋白皮作为环保型皮革，主要分为超纤蛋白皮与胶原蛋白皮2种。这2种材料都引入了蛋白质成分，基本的蛋白质含量都在25%以上，而采用蓝湿皮原料制作的胶原蛋白皮，其蛋白质成分可以达到70%以上。

传统汽车内饰、箱包、沙发、鞋材以真皮、织物或是聚氯乙烯（PVC）人造革为主。真皮弹性佳、透气性好但价格昂贵、利用率低且生产过程中对环境污染严重；织物易脏易破损，缺乏档次；PVC不透气、手感僵硬、低温易裂且气味严重。环保、加工方便、价格合理且有着天然皮革手感的材料，成为市场的一个空白点。福建华阳超纤有限公司开发出的蛋白高仿真超纤合成革（简称“蛋白皮”），目前已经通过专家鉴定。蛋白皮外观结构都酷似天然皮革，但是质量是真皮的2/3，成本是头层皮的1/2，物理理化性能超过天然皮革近1倍。

目前现有的PVC产品因为不环保在欧盟已经被限制使用。真皮由于含有重金属，生产对环境污染严重且价格昂贵，尤其是真皮过低的利用率又造成了边废料的大量增加，形成2次污染。找到1种能够达到真皮性能且环保无污染的皮革材料来替代真皮已成急切需求。蛋白皮正是针对这些问题研究开发的新产品，它的批量应用将解决此问题。

超纤蛋白皮是具备天然皮革的亲肤感、触感，而且理化性能更优异的1种健康绿色的超纤材料，在座椅上应用。这种材料在生产制造过程中引入蛋白质，制造的超细纤维/聚氨酯/蛋白质复合新材料，其全技术体系拥有自主的知识产权，已申报专利。

蛋白皮产品最大程度地实现了仿造真皮。蛋白皮产品不仅生产环保且物性更超越真皮，解决了皮革透气透湿和亲肤性及真皮材料后处理对环境的污染问题。

3.3D打印牛皮

日前，李嘉诚旗下的维港投资已经为美国纽约科技公司ModernMeadow完成1000万美元的A股首轮融资，用于该公司培植研发3D打印人造皮技术。如今所谓“3D打印”的人造牛皮，并不是从普通打印机跑出来的，该技术能“无中生有”地造动物皮，“造皮术”已经比较成熟，很快将进行产业化。

这项技术原理来源于克隆技术与3D打印技术的融合。科学家首先通过1个简单的无痛过程，从牛、羊等动物身上取下几个细胞，然后在细胞培养基中将细胞分离和复制，使得细胞从几百万个细胞变成几十亿个。将细胞和胶原蛋白延展铺开成片状，再将薄片一层层叠放，最后，通过1次短暂、无化学成分的加工，就可以做出安全性可靠的皮革（见图2）。目前这项技术完成实验室过程，下一步将走向中试与进一步产业化。

三、国内生态超纤维和功能皮革材料的研究现状

我国自1979年引进第1条日本藕状革超纤生产线后，经过近16年的消化吸收，1998年取得了技术上的突破，2001年才得以工业化。超纤皮革做为替代真皮的最佳材料，在国内市场经过了快速发展期：2003-2004年产生了中国第1批超纤投资潮，新增企业近8家；随着真皮整治加强，以及超纤技术的不断进步与成熟，2010-2011年又形成了超纤的第2波投资潮，新增企业近10家；截至2014年年中，超纤皮革产能已经从2001年最初的年产200万m2扩展到1亿m2，15年增长了50倍，年复合增长率达到100%以上。可见超纤皮革是朝阳产品，未来发展依然值得期待，目前仍以2位数的增长速度递增。

然而，由于技术的成熟以及新厂家的加入，新老工厂没有更好地进行深入研发，绝大部分工厂都在做低水平的重复扩张，使产品毛利率急剧下降。尤其有几家超纤企业上市后，动辄开足生产线扩大产能，更加剧了竞争态势，使得超纤产品毛利率从最初的60%降低到目前的10%～15%。这些上市后的企业没有进行大量的新品研发，只注重短期效益的低水平扩张，导致了工厂销售量大幅的增加、企业利润反而下降的不好局面。2014年初，各公司发现了这个弊端，也正在逐渐开始进行新品种研发，尤其以仿真皮作为研发的主要方向，因为超纤皮革的发展就是以替代真皮为最终目的。

近年来，科研院所和大学一直没有停止过对超纤功能性皮革的研发，陕西科技大学、东华大学、北京服装学院、四川大学等都在这方面进行了尝试。随着国外进行3D打印真皮试验的成功，国内在近期内也会加快这方面的研究，目前3D超纤制造座椅已经产业化。生态超纤皮革的应用也已经逐步展开，在沙發家具及汽车内饰后市场等方面也非常成熟，已经得到了普遍应用；尤其水性生态超纤材料、无溶剂超纤材料已经通过中试验证，工业化生产指日可待。

在蛋白皮的研发原理上，国内多采用在基材、面层或综合添加蛋白质成分的方法，还有采用与真皮蛋白纤维混合针刺、水刺或机织复合加入等多种工艺方法。未来随着技术的逐渐成熟，蛋白皮定能更进一步推广应用。