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公司新聞

生物基纖維在非織造材料中的應用

近年來,生物基纖維在非織造材料中得到日益廣泛的應用,根據原料的來源和生產過程,可將其分為四大類,表 1為該類纖維在非織造材料中的主要應用情況。

表 1 生物基纖維分類及其非織造材料

1 再生纖維素纖維及其非織造材料

再生纖維素纖維通過針刺、水刺、熱粘合等方式可以制成非織造材料,用于個人衛(wèi)生護理、過濾等領域。粘膠纖維具有良好的吸濕性、柔軟性和纏結性能,用途廣泛,但濕強低,故常與其它纖維混合制作非織造材料。通過水刺工藝,將其與木漿纖維混合可制成可沖散濕巾,與其它化纖混合可制成面膜基布、汽車內飾等。此外,也可通過針刺工藝將粘膠纖維制成過濾材料,如將其與殼聚糖一道混合,制備的材料具有抗菌性能,是性能優(yōu)良的敷料材料;將其與麻纖維和PA6納米纖維混合制備的多層非織造材料,較一般過濾材料具有更好的吸油過濾性能。

Lyocell纖維具有良好的吸濕透氣性,可以通過水刺、針刺、熔噴等工藝來制備非織造材料,用作過濾材料、面膜基材、生物組織工程材料等。如將Lyocell纖維與粘膠纖維混合通過針刺工藝制備的過濾材料,比純粘膠纖維制備的材料吸附性能更好,比表面積更大。日本專利(專利號JP 2014073432-A)公開了一種過濾材料的制備方法,將原纖化Lyocell纖維制成的纖網與直徑為 1 ~ 8 μm的化纖短纖制成的纖網進行復合,通過熱粘合工藝可制成非織造過濾材料;專利US 2013269294 A1公開了一種通過納米Lyocell纖維、超細纖維和熱熔纖維制備的多層非織造材料,納米級的Lyocell作為材料的頂層,含量為總克重的40% ~ 80%,超細短纖作為材料的基層,含量為20%左右,可以選用聚酯纖維、聚丙烯纖維、聚氨酯纖維等,材料的克重為65 ~ 113 g/m2,這種材料可以用于消毒材料、包裝袋的制備。

雖然粘膠纖維和Lyocell纖維具有良好的物理性能,制成的水刺非織造材料對人體而言具有很好的舒適性,但其產品的用途比較單一,不夠多樣化。要使其應用領域更廣泛,應進一步探索其加工方式,使產品更加多樣化。

2 再生蛋白纖維及其非織造材料

再生蛋白纖維因為受到機械性能的限制,所以只能通過水刺、針刺等工藝制備非織造材料,制備的材料具有良好的親膚性和舒適性,與人體相容性較好,可用于衛(wèi)生護理領域、生物工程領域等。

膠原蛋白纖維不僅可以制備水刺非織造材料,還可以通過針刺工藝來制備軟骨組織。但膠原針刺材料的力學性能較低,因此其制成的軟骨組織的機械性能也處于較低水平。此外,也可以通過靜電紡絲來制備膠原納米纖維,用于制備生物支架材料,其突出優(yōu)點是在加強材料生化性能的同時不損壞其機械力學性能。

采用濕法紡絲得到再生蛋白纖維大概需要60 h,生產線太長,能源消耗大,且生產過程中需要的化學試劑很多,對環(huán)境的污染比較大。此外,得到的纖維強力也較低,不利于生產加工,需經過后處理才可應用于紡織領域。因此,進一步研究生產過程更環(huán)保、更節(jié)能的再生蛋白纖維是突破點。專利US 20130256942 A1中介紹了一種更加節(jié)能、環(huán)保的生產牛奶蛋白復合纖維的方法。該專利采用熔融紡絲工藝,用一種塑化劑將從牛奶中提取出來的蛋白質增塑在一起,溫度在室溫至140 ℃之間,然后在一定的壓力下擠出成形得到牛奶蛋白復合纖維,塑化劑可以是水、甘油、多糖類物質等。

3 生物基合成纖維及其非織造材料

PLA纖維具有良好的生物相容性和生物降解性,可采用干法、紡粘法、熔噴法成網,之后通過針刺、熱粘合的方法加固形成非織造材料,用于醫(yī)療、包裝材料、過濾材料、農用材料等領域。

將PLA和亞麻纖維混合,采用氣流成網、熱軋工藝制備非織造材料,產品不僅具有良好的生物降解性,而且具備一定的物理機械性能,可用于包裝材料等。PLA雖然具有良好的生物相容性和降解性,但不具有抗菌性,這也限制了其應用。如將制備的熔噴PLA材料用鹵胺化合物進行抗菌整理,則其材料可用來制作醫(yī)療衛(wèi)生用品、過濾材料等。

PLA具有優(yōu)良的生物降解性能,因此也可用于農作物的覆蓋膜。目前已有研究團隊制備出了一種PLA/PHA的復合非織造材料,通過對其進行風化模擬測試,確定此種材料可用作多季節(jié)的生物堆肥覆蓋材料,是替代傳統(tǒng)農業(yè)覆蓋物的良好選擇。

此外,將靜電紡制得的PLA納米纖維分別直接復合在水刺非織造材料和熔噴非織造材料上,制成PLA納米纖維非織造復合材料,材料的過濾性能將大幅度提高;將熔噴PLA非織造材料進行駐極處理后,材料的過濾性能也可顯著提高,但過濾阻力不會發(fā)生太大變化。有研究者指出,單一的PLA熔噴非織造過濾材料雖然具有較高的強力,但是靈活性較差,如果使用PLA/PCL復合熔噴非織造材料,則可在保持過濾效果和強力的同時,靈活性也會增強。

PLA非織造材料雖具有良好的生物降解性能和生物相容性,但其生產過程并不是完全綠色的,而且由于受到本身物理性能的限制其非織造材料的應用領域有限,今后可進一步優(yōu)化PLA纖維的生產工藝,使其更加綠色化;也可進一步改善PLA的性能,使其制備的材料應用領域更加廣闊。

4 海洋生物基纖維及其非織造材料

海洋生物基纖維指纖維原料來自于海洋中的動植物,如藻類,蝦、蟹的外殼等。這類纖維一般具有良好的物理化學性能、生物相容性、抗菌性等,可通過針刺工藝制備非織造材料,一般用于醫(yī)用敷料領域;通過水刺非織造工藝制備的非織造材料,一般用于個人衛(wèi)生材料,如面膜、紙尿褲等;通過靜電紡絲紡成微納米纖維可用于生物組織工程材料的開發(fā)。

4.1 海藻酸纖維

海藻纖維常采用海藻酸鹽與非海藻酸高聚物(如纖維素)共混紡絲制得,在醫(yī)療領域具有很好的應用。如將殼聚糖作為混凝劑制備的海藻纖維可進一步制備成醫(yī)用敷料,不僅提高了敷料的強力,也提高了其吸收性能。除了制作敷料,海藻纖維還可作為口罩、組織工程復合支架等的材料。

海藻纖維非織造材料雖用途較多,但由于海藻酸鹽水溶液太粘稠,即使是在凝膠濃度以下,聚合物鏈的缺陷以及分子間的斥力也會阻礙纖維鏈的形成,使海藻纖維的加工有一定的困難。已有文獻提出了一種新型的紡絲方法,用微流控的方法可以持續(xù)生產出具有溝槽的海藻酸長絲,該方法成本低,操作簡單,生產的纖維同樣具有良好的生物相容性,可以用于細胞支架材料的制備。

4.2 殼聚糖纖維

殼聚糖纖維具有良好的抗菌性、可降解性和生物相容性,一般采用針刺工藝制成非織造材料,可用于生物組織、過濾材料中。

殼聚糖纖維可以促進纖維原細胞的快速增殖、膠原蛋白的合成及血管化,因此采用針刺工藝制備的殼聚糖材料主要用于醫(yī)用敷料領域,且其成本較低、生產速度較快。該纖維還可以用于制備過濾材料,采用濕法成網工藝制備的過濾介質具有較好的過濾效果,可用于替代廢水廢油的過濾材料。通過靜電紡制得的殼聚糖纖維由于具有良好的吸附性能,可進一步制成非織造材料,具有優(yōu)良的過濾效果。如將靜電紡制得的納米殼聚糖/PEO纖維與PP紡粘材料相復合,制得的材料可用于液體或空氣過濾。

殼聚糖纖維雖具有多種良好的性能,但制備過程中仍存在一些技術瓶頸,如脫乙酰度提高困難,制備高純度的殼聚糖受限;殼聚糖纖維水溶性不好,短期內難以實現快速抑菌;混合、開松、梳理成網困難,制備纖網受限等。如能解決這些問題,其應用領域可進一步拓寬。目前已有團隊研究改善其水溶性的方法,且制備出的琥珀酰殼聚糖是一種水溶性殼聚糖,性能更佳,具有良好的水溶性,可用于制備泡沫敷料等。

海洋生物基纖維雖然原料來源廣泛,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點也限制了其發(fā)展。如海藻酸纖維的水凝膠性能太好,導致纖維制備有一定難度;殼聚糖纖維抑菌性優(yōu)良,因此大多只能用于制備醫(yī)療產品。此外,適合的工藝方法也較單一,產品的適用領域也較窄,這也成為了其今后其研究的方向。

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