生物技术与服用新材料研发

冯宪

（上海市服装研究所，上海 200336）

生物技术与服用新材料研发

冯宪

（上海市服装研究所，上海 200336）

在纺织服装产业，利用仿生技术不断提高服用材料性能，可以生成智能、功能性和超能型三大类材料；而现代生物质开发可以生成再生性强和再利用性两大类材料，有利于研发出更多具有新功能、新创意的服用材料，并通过推广应用更好地实现节约资源、保护环境、满足人民提高生活质量和美化生活的需求。

生物技术；服用材料；创新研发

以生物学为理论基础和研究依据的生物技术是一门既古老又新兴的综合性学科。它以生命科学为基础，结合运用其他基础科学的原理，采用先进的科学技术手段，研究生物生存生长方式，并利用微生物、动植物体，按照预先设计对相关物质或原料进行改造加工，为人类创造出适应环境变化、社会发展所需要的新产品，或实现某种针对性强的研发目标。生物技术研究运用的途径主要包括酿造技术、发酵技术和现代生物技术。现代生物技术以仿生工程、基因工程、细胞工程、酶工程为代表，它和古代利用微生物的酿造技术和近代的发酵技术既有发展中的联系，又有质的区别。古代的酿造技术和近代的发酵技术只是利用现有的生物或生物机能为人类服务，而现代的生物技术则是按照人们的意愿和需要，创造全新的物质类型和机能，或者改进现有的生物类型和生物机能，包括改造人类自身，从而造福于人类。

进入21世纪后，世界生物技术研究与运用呈现出勃发之势，对于相关行业新材料研发和可持续发展起到拓展性作用，纺织服装产业也不例外。

1 生物技术在纺织服装行业的衍进

生物技术在纺织服装行业的衍进可用图1表现出来。

所谓仿生技术是指利用仿生学原理，通过了解生物的结构和功能，效仿生物特殊本领与功能，而设计研发出新材料，能解决人类现实生活中碰到的难题或推进技术进步，不断提高生活质量。仿生学是在上个世纪中期才出现的一门新的边缘科学。“仿生”一词是由美国科学家JE 斯蒂尔于1960年

发明的，他将拉丁文bios（意思是“生命方式”）和nlc（词尾，意思是“具有……的性质”）组合在一起，成为一个新词。在纺织行业，仿生技术运用可以生成智能、功能性和超能型3大类材料。

图1 生物技术在纺织服装行业的衍进

所谓生物质材料是针对煤炭、矿石、石油等化石类资源而言的。全世界现有化石资源贮备有限，且再生性差，总有一天会枯竭。因此，自然界中可再生的生物物质又重新被人所重视。在自然环境中，一些动植物的派生物质或废弃物质，乃至某些微生物都是生物质材料的来源。利用生物技术可以将一些废弃或残留的生物质进行分解、改性、改形，再经过加工形成另一类新型的实用性强、能满足人类生活需求的材料。生物质材料有传统和现代之分，在纺织行业，应该说棉、麻、丝、毛类纤维属于传统的生物质材料，而牛奶、大豆、玉米、莱赛尔、莫代尔、竹乃至甲壳素等新近研发的纤维则应归入现代新型生物质材料范畴中。在纺织行业，现代生物质开发可以生成再生性强和再利用性两大类材料。

随着社会、生产需要和科学技术的发展，从20世纪50年代以来，人们已经认识到生物系统是开辟新技术、新材料的主要途径之一，并自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。人们运用化学、物理学、数学以及建立技术模型等方式对生物系统开展深入的研究，并通过生物学家和工程师们积极合作，努力将从生物界获得的知识用来改善原有的或创造新的材料或工程技术、设备。短短几十年，研究成果已经非常可观。生物技术向纵深发展开辟了独特的途径，也就是向生物界索取创新思路和创新手段，大大开阔了人们利用自然物质的眼界，显示了极强的生命力。

2 仿生技术与服用新材料研发

当前仿生技术的运用已在纺织服装领域取得了初步成果，有效地扩展了服用材料的功能。譬如：受到植物果实——松果的启发，英国伦敦艺术大学时装学院与巴斯大学的研究员研制出一种具有排湿调温功能的智能衣服面料，这种仿松果衣料取材于羊毛，并分为两层结构，表面为尖状吸水层，尖条之间相隔只有二百分之一毫米，根据人体微环境的细微变化，这种尖状物会像松果鳞叶一样自动开合。当穿着者体温升高和排汗增加时，感应到水气的尖状物会自动打开透气，容许外面的空气进入降温；而当穿着者停止流汗后，服装内外部温度和湿度平衡后，尖状物便会闭合，阻止空气进入。这种仿生服用面料大大增加了穿着舒适度。再如：通过模仿会改变皮肤颜色的南美蜥蜴，美国康涅狄格大学副教授雷格?佐青发明了一种会根据环境条件变化色彩的服用面料，这种面料采用“电致变聚合物”的纤维织成，其化学键中的电子可以吸收不同可见波长的光线，并可以依据所施加的电场改变颜色。用这种布料制成的服装，不仅具有一定隐身功能，还可以根据穿着者的心情用微型控制器来调控服装的颜色，增加穿着的愉悦感。

图2 仿荷叶表面结构的拒水、防污面料

另外，纺织科技工作者从荷花叶子“出淤泥而不染”的特点受到启发，研发出“拒水自洁式”服用面料。他们利用纳米材料和技术进行处理，令布料表面产生一种类似荷花叶子表面所具有的“拒水、抗污染”的细微矗立的绒毛结构，可以有效地防止水滴、污物粘附，从而达到“干爽、自洁”功能，减少服装洗涤保养次数，有利于节约资源和环境保护，成为易护理功能型面料的代表。纺织科技工作者还通过分析蜘蛛吐丝成分，研制出强度超高的“蛛丝”纤维，用这种纤维织成布料，既轻盈又坚韧，是很好的防弹衣面料，也成为超能性纤维的代表。通过研究发现，北极熊的毛呈中空管状，能够吸收阳光，而皮肤则有具有一层积蓄贮藏热量的物质，由此产生的“吸热、贮热”功效，大大增强了北极熊的自身保

暖功能，于是纺织科技工作者根据仿生学原理，研发了一种类似北极熊皮毛的“蓄热型”保暖服用面料，大大提高冬季服装持续保暖的功能。

上述介绍的一些事例表明，利用仿生技术不断提高服用材料性能，积极扩展满足人类穿着使用需求的功能，在纺织服装行业技术创新研发方面是大有可为的。

图3 设计灵感来自飞鼠的滑翔翼服装

3 生物质技术与服用新材料研发

在再生性强方面，或许竹纤维及面料最具代表性。研究结果表明，竹子是地球上生长速度最快的植物，生长过程中不需化肥和农药，耗水量也不多，可以防止水土流失，并且能够抵抗洪水和干旱。在相同空间内，竹子能比普通树木、植物多制造30%的氧气，因而有助于减缓全球气候变暖。因此，竹纤维是一种更为“低碳”纺织原材料。竹纤维具有良好的透气性、瞬间吸水性、较强的耐磨性和良好的染色性等特性，同时又具有天然抗菌、抑菌、除螨、防臭和抗紫外线等功能，经过适当的加工处理，竹纤维比棉纤维更柔软，与真丝和羊绒的质地相似。专家指出，竹纤维是一种真正意义上的天然再生性强的绿色纤维，目前已经在行业内研发、推广。竹纤维的形成有两种途径：一种是“竹原纤维”，它是采用物理、化学相结合的方法制取。制取过程为：竹材→制竹片→蒸竹片→压碎分解→生物酶脱胶→梳理纤维→纺织用纤维；另一种是“竹粘胶纤维”，它包括竹浆纤维和竹炭纤维两类。竹浆纤维是将竹片打成浆，然后将浆制成浆粕，再通过湿法纺丝制成，其制作加工过程基本与其他粘胶相似，但采用这种方法加工，竹子的天然特性会遭到破坏，纤维的除臭、抗菌、防紫外线功能明显下降。竹炭纤维是选用纳米级竹炭微粉，经过特殊工艺加入粘胶纺丝液中，再经过近似于常规纺丝工艺纺出的纤维产品。

图4 依次为竹原纤维、竹浆纤维、竹炭纤维

在再利用性材料方面，目前以莱赛尔纤维及面料最为突出，堪称为21世纪的第一绿色纤维。莱赛尔（Lyocell）纤维，俗称“天丝”，它以针叶树种的树皮为原料，这种天然植物在自然界中取之不尽用之不竭。生产过程无需进行化学反应，所用溶剂无毒，且回收率高达99.7%，节能、环保，且可循环利用。作为一种全新的纺织服装面料，莱赛尔纤维于20世纪90年代中期在欧洲问世，被誉为近半个世纪以来人造纤维史上最具价值的产品。它不仅具有天然纤维棉花所具有的舒适性、手感好、易染色等特点，还同时具有涤纶的“强度”、毛织物的“豪华美感”和真丝独特的“滑爽触感”及“柔软垂坠”等特点。无论在干或湿的状态下，莱赛尔纤维均极具韧性，在湿的状态下，它是第一种湿强力远胜于棉纤维的纤维素纤维。另外，由于莱赛尔纤维采用百分之百纯天然原料，加上助剂可回收式环保、清洁的制造流程，形成了传统粘胶纤维生产所不具备的环保优点，让人们的穿衣方式更加体现保护自然环境和以自身健康安全为本，完全符合现代绿色环保消费需求。莱赛尔纤维的另一大特点是可以纯纺，也可与棉、毛、丝、麻、化纤、羊绒等其他纤维混纺交织，适用于各类纺织机织、针织纱线与织物的研发。此外，利用生物

技术，从类似于虾蟹外壳、麦秸秆、香蕉皮、咖啡渣等各种生物废弃物中提取纺织纤维和材料，也属于再利用性材料开发范畴。

4 生物技术未来在纺织行业中的研究应用

2013年9月12日，美国国会图书馆举办了一次有关如何确保人类文明持久性的研讨会。在这次会议上，数位美国国内顶尖学者和未来学家预言了未来世纪可能出现的五大科学幻想，其中就包括仿生世界——生物学进一步复兴。从纺织服装行业自身的技术进步和创新需要出发，我们应当对此加以关注，因为方兴未艾的生物技术可能会对行业今后技术创新发展有密切的关联。

未来，生物化学品及生物质纺织品应当成为纺织服装行业技术创新、产品创新应用研究发展的方向和重要内容。所谓生物化学品是指依靠生物物质，采用物理及化学方式演化而成的环境友好、无害及可持续发展的化工产品，在纺织服装生产领域多用于印染、整理和深加工方面；而生物质纺织品则是指通过采用动植物再生强特点或废弃物质乃至有益菌种研发的绿色纺织品。它们均在安全、环境友好及可持续发展方面具有比较突出的优势。

图5 显微镜下莱赛尔纤维的横截面和纵截面图

图6 英国科学家发明的新生物质服装（面料系用茶叶水+微生物生成）

无论是生物化学品，还是生物纺织品的研发，都离不开生物技术运用。因为如果要利用动植物，乃至微生物等各种生物物质，就必须了解其生存条件需求，认识其生长、运动规律，掌握其构造、特点，寻求其可利用的长处，以及培育、加工、处理的可行性方式与手段。所以，生物技术在生物化学品及生物质纺织品的研发和成果化推进过程中，将是必不可少的，具有重要应用价值的技术，需要认真把握。毫不夸张地说，生物技术在纺织服装行业的推广运用，关乎到整个行业的绿色、环保和可持续发展，其重点研究方向已经成为世界性纺织科技的前沿问题。

5 结语

综上所述，服用新材料多样化的开发，主要还是依赖于科技进步与创新，而注重类似仿生学、生物质技术等前沿科技研发方式，就能够激发创新思维，增添创新手段，争取研发出更多新功能、新创意的服用材料，并通过推广应用，更好地满足人民提高生活质量和美化生活的需求。

在利用生物技术方面，纺织服装行业已经有所收获，未来还须不断探索和深入研究。要通过把握“生物技术运用普及”的发展趋势，重视基础性研究，重视民用推广，要加强与生命科学、计算机设计、信息工程以及物理、化学、生物学等学科的联手，并注重产学研用等方面的交流与沟通。以此而论，纺织服装行业在继续利用生物技术方面，一定还会有新的更大的突破。

[1]汤璐，薛永萍，蔡萌.生物技术创新与发展[J].合作经济与科技，2009（2）.

[2]赵永霞.陈余.生物技术在纺织行业中的应用[J].纺织导报，2011（11）.

[3]冯宪.仿生学与服用面料的功能拓展[C].上海纺织工程学会服装专委会技术交流会，2014.

（责任编辑：田犇）

The Research and Development of Biotechnology and New Clothing Materials

FENG Xian
(Shanghai Clothing Institute,Shanghai 200336,China)

TS102

B

1674-2346（2015）02-0010-05

2015－02－03

冯宪，男，高级工程师。研究方向：纺织材料

10.3969/j.issn.1674-2346.2015.02.003