科普系列 | 一文带你了解生物基化学纤维 （中）

编者按

生物基化学纤维是以生物质为原料或含有生物质来源单体的聚合物所制成的纤维，产品具有生态环保、人体亲和、抑菌舒适、废弃物可生物降解等性能，已广泛应用于贴身内衣、衬衣、袜类、家纺等产品，为了让消费者充分认识生物基纤维的特性，中国化纤协会现推出生物基纤维科普知识系列宣传报道，以飨读者。

1. 生物基化学纤维具有哪些特点？

生物基化学纤维一直被认为是“绿色纤维”、“生态纤维”和“环保纤维”。那么生物基化学纤维具有哪些特点呢？

首先，原料是植物、动物的副产物，具有可再生性，可以实现可持续发展。

其次，生物基化学纤维具有较低的碳足迹：生物基化学纤维所含碳原子全部或者部分来源于生物质。以植物生物质为例，植物在生成的过程中吸收地球大气中的CO₂利用光合作用合成新型含碳天然大分子。其废弃后无论是经过环境中的生物降解作用，亦或是燃烧转为CO₂，从全生命周期来看并不会产生额外的碳排放。因此，生物基化学纤维具有整体减碳排放或者无增碳排放的特点。

再次，大部分生物基化学纤维可呈现优异的生物降解性和生物相容性：根据具体化学结构的不同，一些生物基化学纤维可以在堆肥、自然环境和生物体内发生降解，以及具有较好的生物相容性，可应用于生物医用等领域。

2. 生物基合成纤维和生物可降解纤维是什么关系？

近年来，随着全球对传统塑料等难以在自然环境中降解所造成的严重环境污染，以及日益严峻的微塑料污染问题的关注，开发生物可降解塑料及纤维制品变得尤为重要。特别是各国“禁塑令”的逐渐实施，一些具有潜在造成微塑料污染的制品将被禁止使用。然而，生物基化学纤维主要是指其原料中含有可再生植物生物质或动物生物质成分，而生物可降解纤维既可以来源于生物基，也可以来源于石油基，因此

生物基合成纤维≠生物可降解纤维

哪些生物基合成纤维同时也是生物可降解纤维？

哪些生物可降解纤维并非生物基合成纤维呢？

石油基高分子材料或纤维是否都不能生物降解呢？

为了回答这些问题，我们可以把高分子材料或纤维按照原料来源及是否可以生物降解分为4个象限，主要分类如下：

▲石油基、非生物可降解纤维（第III象限）：

传统石油基化学纤维如涤纶、锦纶、丙纶和氨纶等均处于此象限。这些纤维具有高熔点，高结晶度，分子结构规整，力学性能优良，并且具有较好的耐水解性和抗化学腐蚀性，因此在自然环境中降解非常缓慢。例如，聚烯烃在自然环境中，受到日光照射，可以发生热氧降解，但降解速率极低。低密度聚乙烯（LDPE）2.5年内降解转化为CO2的比例仅为0.35%，因此，我们通常认为这类纤维材料为非生物降解纤维。

▲生物基、生物可降解纤维（第I象限）：

所有的生物基原生纤维（天然纤维）以及生物基再生化学纤维由于保留了天然生物质的多糖或蛋白结构，因此其纤维制品具有与天然生物质较为类似的完全生物可降解性。而生物基合成纤维中如聚乳酸（PLA）和聚己内酯（PCL）等均可在堆肥，以及中性酶降解溶液中发生质量损失、力学性能下降，以及矿化为二氧化碳和水等小分子，因此具有较好的生物可降解性能。从全生命周期分析来看，此类纤维是生态友好的纤维材料。

▲生物基但难以生物可降解的纤维（第IV象限）：

高分子材料的生物降解性能是个较为复杂的过程，与材料本身的化学结构和性能紧密关联。有些化学纤维材料尽管具有生物基属性，但却由于本身的结晶度高、热学性能优异，制约其生物降解性能，属于难以降解的纤维材料，例如：

(1)生物基PTT（聚对苯二甲酸丙二醇酯）纤维：

生物PTT聚酯所使用的二元醇单体是生物基1,3-丙二醇（PDO）。PDO可以以谷物为原料，用生物法进行生产。进一步采用直接酯化法（用对苯二甲酸和PDO直接反应）或酯交换法（对苯二甲酸二甲酯与PDO进行酯交换反应）制得。PTT纤维具有优于其他聚酯纤维的回弹性能、较低的拉伸模量、较高的断裂伸长率；具有较好的染色性能；扛褶皱性和柔软手感。其是我国近年来具有国际领先地位的新型生物基纤维品种。然而，生物基PTT聚酯纤维与涤纶较为接近，并不具有生物降解性能。其生态优势在于可有效降低产品的碳足迹，但制品废弃后难以通过自然环境降解。

(2)PEF（聚呋喃二甲酸乙二醇酯）纤维

与生物基PTT聚酯纤维较为类似，PEF聚酯纤维则是利用生物基二元羧基单体，即生物基呋喃-2,5-二甲酸与乙二醇制备而来。呋喃二甲酸可以以淀粉或纤维素等天然生物质为原料，经生物发酵或化学方法制备。PEF纤维与涤纶PET纤维相似，具有较为接近的熔点和玻璃化转变温度，尽管有报道称PEF具有一定的生物降解性，然而其生物降解速率较为缓慢，根据目前的生物可降解堆肥标准，并非生物可降解纤维。

其它生物基纤维材料，如尼龙56和生物基PDT纤维也属于此类。

▲石油基生物可降解高分子材料及纤维（第II象限）：

如前所述，高分子材料的生物降解性能是个较为复杂的过程，与材料本身的化学结构和性能紧密关联。有些化学纤维材料尽管主要来源于石油基，但却由于本身的分子链结构较为柔性，酯键容易发生水解，以及微生物或者生物酶降解，因而呈现较好的其生物降解性能，例如：

制备PGA（聚乙酸醇)的重要化合物-草酸二甲酯(DMO)，它是由煤为原料制得，经加氢、水解、聚合制得。PGA虽由煤制得，但是其生物降解能力很好，可以在1－3个月内完全降解，降解产物是水和二氧化碳，完全无毒无害，常被用于可吸收手术缝合线，兼具高生物降解性和生物相容性。而PGLA（聚乙丙交酯）则是由9份乙交酯（PGA）和1份丙交酯（PLA)按照一定比例共聚制得。丙交酯如果为生物法制备而来，则PGLA则可称为生物基，且生物可降解纤维。PGLA具有较高的拉伸强度，良好的生物相容性和生物可降解性，也常用于可吸收手术缝合线。

其它如PBAT和PBST也主要来源于石油基。PBAT和PBST分别由己二酸丁二醇酯(PBA)、丁二酸丁二醇酯(PBA)与对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)共聚制备，其材料性能兼具PBA和PBT的性质，具有良好的断裂伸长率、延展性、耐热性和冲击性能，同时具有优良的生物降解性能。要应用为农用地膜等薄膜材料，纤维应用还处于开发阶段。

编写丨东华大学材料科学与工程学院 王华平教授

           东华大学纺织协同创新中心 乌婧副教授

审稿丨中国纺织科学研究院原副院长、顾问 赵庆章