生物基纤维在非织造材料中的开发与应用

王丹 王玉晓 靳向煜

摘要：本文就几种生物基纤维在非织造领域的应用及材料特性进行了介绍。如海藻纤维和壳聚糖纤维作为海洋生物基纤维具有良好的物理化学性能、生物相容性和抗菌性，其非织造材料常被用于敷料、生物组织工程等中；聚乳酸具有良好的生物相容性和生物可降解性，通过针刺、热粘合等工艺可以制备成非织造材料，用于过滤、装饰、农业等领域。

关键词：生物基非织造材料；海藻纤维；壳聚糖纤维；聚乳酸纤维

中图分类号：TS172 文献标志码：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

近年来，生物基纤维在非织造材料中得到日益广泛的应用，根据原料的来源和生产过程，可将其分为四大类，表 1为该类纤维在非织造材料中的主要应用情况。

1 再生纤维素纤维及其非织造材料

再生纤维素纤维通过针刺、水刺、热粘合等方式可以制成非织造材料，用于个人卫生护理、过滤等领域。

粘胶纤维具有良好的吸湿性、柔软性和缠结性能，用途广泛，但湿强低，故常与其它纤维混合制作非织造材料。通过水刺工艺，将粘胶纤维与蚕丝纤维混合后加固成卫生用品包覆材料，将其与木浆纤维混合可制成可冲散湿巾，与其它化纤混合可制成面膜基布、汽车内饰等。此外，也可通过针刺工艺将粘胶纤维制成过滤材料，如将其与壳聚糖一道混合，制备的针刺非织造材料具有抗菌性能，是性能优良的敷料材料；将其与麻纤维和PA6纳米纤维混合制备的多层非织造材料，较一般过滤材料具有更好的吸油过滤性能。

Lyocell纤维具有良好的吸湿透气性，可以通过水刺、针刺、熔喷等工艺来制备非织造材料，用作过滤材料、面膜基材、生物组织工程材料等。如将Lyocell纤维与粘胶纤维混合通过针刺工艺制备的过滤材料，比纯粘胶纤维制备的材料吸附性能更好，比表面积更大。日本专利（专利号JP 2014073432-A）公开了一种过滤材料的制备方法，将原纤化Lyocell纤维制成的纤网与直径为 1 ～ 8 μm的化纤短纤制成的纤网进行复合，通过热粘合工艺可制成非织造过滤材料；专利US 2013269294 A1公开了一种通过纳米Lyocell纤维、超细纤维和热熔纤维制备的多层非织造材料，纳米级的Lyocell作为材料的顶层，含量为总克重的40% ～ 80%，超细短纤作为材料的基层，含量为20%左右，可以选用聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚氨酯纤维等，材料的克重为65 ～ 113 g/m2，这种材料可以用于消毒材料、包装袋的制备；专利CN 103161028 A公开了一种面膜基材的制备方法，使用Lyocell纤维与壳聚糖纤维共同制备美容面膜基材，其优点是在去离子水中的吸收量为 6 ～ 40 g，干强为0.1 ～ 4 N/cm，湿强为0.3 ～ 10 N/cm，拉伸率低于30%。

虽然粘胶纤维和Lyocell纤维具有良好的物理性能，制成的水刺非织造材料对人体而言具有很好的舒适性，但其产品的用途比较单一，不够多样化。要使其应用领域更广泛，应进一步探索其加工方式，使产品更加多样化。

2 再生蛋白纤维及其非织造材料

再生蛋白纤维因为受到机械性能的限制，所以只能通过水刺、针刺等工艺制备非织造材料，制备的非织造材料具有良好的亲肤性和舒适性，与人体相容性较好，可用于卫生护理领域、生物工程领域等。

胶原蛋白纤维不仅可以制备水刺非织造材料，还可以通过针刺工艺来制备软骨组织，因为胶原针刺材料在组成和纤维排列上很好地模拟了软骨组织。但是胶原针刺材料的力学性能较低，因此其制成的软骨组织的机械性能也处于较低水平。此外，也可以通过静电纺丝来制备胶原纳米纤维，用于制备生物支架材料，其突出优点是在加强材料生化性能的同时不会损坏其机械力学性能。

采用湿法纺丝的方法得到再生蛋白纤维的时间大概需要60 h，生产线太长，能源消耗大，且生产过程中需要的化学试剂很多，对环境的污染比较大。此外，得到的纤维强力也较低，不利于生产加工，需经过后处理才可应用于纺织领域。因此，进一步研究生产过程更环保、更节能的再生蛋白纤维是突破点。专利US 20130256942 A1中介绍了一种更加节能、环保的生产牛奶蛋白复合纤维的方法，生产的纤维主要用于纺织领域。该专利采用了熔融纺丝工艺。用一种塑化剂将从牛奶中提取出来的蛋白质增塑在一起，温度在室温至140℃之间，然后在一定的压力下挤出成形得到牛奶蛋白复合纤维，塑化剂可以是水、甘油、多糖类物质等。

3 生物基合成纤维及其非织造材料

PLA纤维具有良好的生物相容性和生物降解性，可以采用干法、纺粘法、熔喷法成网，之后通过针刺、热粘合的方法加固形成非织造材料，用于医疗、包装材料、过滤材料、农用材料等领域。

将PLA和亚麻纤维混合，采用气流成网、热轧工艺制备非织造材料，产品不仅具有良好的生物降解性，而且具备一定的物理机械性能，可用于包装材料等。

PLA虽然具有良好的生物相容性和降解性，但不具有抗菌性，这也限制了其应用。如将制备的熔喷PLA材料用卤胺化合物进行抗菌整理，则其材料可用来制作医疗卫生用品、过滤材料等。

PLA具有优良的生物降解性能，因此也可用于农作物的覆盖膜。目前已有研究团队制备出了一种PLA/PHA的复合非织造材料，通过对其进行风化模拟测试，确定此种材料可用作多季节的生物堆肥覆盖材料，是替代传统农业覆盖物的良好选择。

此外，将静电纺制得的PLA纳米纤维分别直接复合在水刺非织造材料和熔喷非织造材料上，制成PLA纳米纤维非织造复合材料，材料的过滤性能将大幅度提高；将熔喷PLA非织造材料进行驻极处理后，材料的过滤性能也可显著提高，但过滤阻力不会发生太大变化。有研究者指出，单一的PLA熔喷非织造过滤材料虽然具有较高的强力，但是灵活性较差，如果使用PLA/PCL复合熔喷非织造材料，则其在保持过滤效果和强力的同时，灵活性也会增强。

PLA非织造材料虽具有良好的生物降解性能和生物相容性，但其生产过程并不是完全绿色的，而且由于受到本身物理性能的限制其非织造材料的应用领域有限，今后可进一步优化PLA纤维的生产工艺，使其更加绿色化；也可以进一步改善PLA的性能，使其制备的材料应用领域更加广阔。

4 海洋生物基纤维及其非织造材料

海洋生物基纤维指纤维原料来自于海洋中的动植物，如藻类，虾、蟹的外壳等。这类纤维一般具有良好的物理化学性能、生物相容性、抗菌性等，可通过针刺工艺制备非织造材料，一般用于医用敷料领域；通过水刺非织造工艺制备的非织造材料，一般用于个人卫生材料，如面膜、纸尿裤等；通过静电纺丝纺成微纳米纤维可用于生物组织工程材料的开发。

4.1 海藻酸纤维

海藻纤维常采用海藻酸盐与非海藻酸高聚物（如纤维素）共混纺丝制得，在医疗领域具有很好的应用。如将壳聚糖作为混凝剂制备的海藻纤维可进一步制备成医用敷料，不仅提高了敷料的强力，也提高了其吸收性能。专利CN 103074777 A公开了一种载银海藻酸盐敷料的制作方法，即将浓度为1% ～ 8%的海藻酸钠溶液挤入浓度为1% ～4%的氯化钙溶液中，制得海藻纤维，然后将其浸泡在浓度为 0.2 ～ 2 g/L的二氧化硅溶液中得到具有抗菌性的载银海藻酸纤维，所制得的敷料具有高效的止血性和伤口愈合性。

除了制作敷料，海藻纤维还可作为口罩、组织工程复合支架等的材料。专利CN 203226301 U中公布了一种过滤口罩的制备方法，将海藻纤维和甲壳素纤维混合铺网，经针刺非织造工艺制成的产品具有抑菌、吸湿透湿、舒适健康的保健作用，制成的非织造布能吸附空气中的重金属和粒径在2.5 μm以上的细小颗粒；专利US 20090087469 A1中公布了一种海藻支架的制备方法，通过静电纺丝纺出海藻酸长丝，纤维直径为50 ～ 500 nm，其制备的支架厚度为0.05 ～ 5 mm，在生物环境下具有稳定的性质。

海藻纤维非织造材料用途虽较多，但由于海藻酸盐水溶液太粘稠，即使是在凝胶浓度以下，聚合物链的缺陷以及分子间的斥力也会阻碍纤维链的形成，使海藻纤维的加工有一定的困难。已有文献提出了一种新型的纺丝方法，用微流控的方法可以持续生产出具有沟槽的海藻酸长丝，该方法成本低，操作简单，生产的纤维同样具有良好的生物相容性，可以用于细胞支架材料的制备。

4.2 壳聚糖纤维

壳聚糖纤维具有良好的抗菌性、可降解性和生物相容性，一般采用针刺工艺制成非织造材料，可用于生物组织、过滤材料中。

壳聚糖纤维可以促进纤维原细胞的快速增殖、胶原蛋白的合成及血管化，因此采用针刺工艺制备的壳聚糖材料主要用于医用敷料领域，且其成本较低、生产速度较快。专利CN 202069768 U公开了一种酰化壳聚糖纤维类自粘贴伤口敷料的制备方法。该敷料采用壳聚糖纤维制成的非织造材料作为基材层，产品具有高吸湿性和高湿强度，同时具有止血、抗菌、促愈的作用，特别适合慢性伤口的治疗。

专利CN 103191463 A公开了一种壳聚糖纤维/生物活性玻璃三维有序多孔支架的制备方法，该材料具有良好的生物活性、生物相容性、生物降解性等特点；机械强度较高，力学性能良好，可满足为骨修复部位提供受力支撑的要求。专利RD 603032 A公开了一种含有天然纤维的壳聚糖非织造材料，这种材料更柔软，可广泛应用于湿巾、面膜等材料中。

壳聚糖纤维还可以用于制备过滤材料，采用湿法成网工艺制备的过滤介质具有较好的过滤效果，可用于替代废水废油的过滤材料。通过静电纺制得的壳聚糖纤维由于具有良好的吸附性能，可进一步制成非织造材料，具有优良的过滤效果。如将静电纺制得的纳米壳聚糖/PEO纤维与PP纺粘材料相复合，制得的材料可用于液体或空气过滤。

壳聚糖纤维虽具有多种良好的性能，但制备过程中仍存在一些技术瓶颈，如脱乙酰度提高困难，制备高纯度的壳聚糖受限；壳聚糖纤维水溶性不好，短期内难以实现快速抑菌；混合、开松、梳理成网困难，制备纤网受限等。如能解决这些问题，其应用领域可进一步拓宽。目前已有团队研究改善其水溶性的方法，且制备出的琥珀酰壳聚糖是一种水溶性壳聚糖，性能更佳，具有良好的水溶性，可用于制备泡沫敷料等。

海洋生物基纤维因为性能相近因而可制成复合纤维。如将海藻酸与壳聚糖溶解后相互混合，通过静电纺丝可得到具有皮芯结构的双组分纤维，其中海藻纤维为芯层，壳聚糖纤维为皮层。这样可以避免海藻纤维在形成过程中由于Ca2+的析出而导致纤维结构的破坏。

海洋生物基纤维虽然原料来源广泛，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点限制了其发展。如海藻酸纤维的水凝胶性能太好，导致纤维制备有一定难度；壳聚糖纤维抑菌性优良，因此大多只能用于制备医疗产品。此外，适合的工艺方法也较单一，产品的适用领域也较窄。这些缺陷也成为今后其研究的方向。

5 结语

生物基纤维的原料来源于自然界，是未来纺织材料行业的发展重点。其加工涉及领域较广，生产难度较大，需多学科交叉，共同开发，性能更加优良、更适合产业用的纤维是发展趋势。目前，大多数生物基纤维非织造材料的加工方式较单一，应用领域有待拓展，这与纤维材料本身的性能及加工方式等有很大的关联性，因此，多学科、跨领域的研究合作，对于拓展生物基非织造材料的市场很有必要。

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