科普系列 | 一文带你了解生物基化学纤维 （下）
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. 生物基化学纤维是如何加工的？
传统生物基原生纤维，也就是天然纤维的代表为棉纤维和桑蚕丝。我国生产棉纤维和桑蚕丝纺织品的历史已经延续了几千年。“绫罗绸缎”用以形容蚕丝纤维纺织品的精美及高档品质，古代更是权贵和财富的象征。棉纤维和桑蚕丝的生产主要以棉花和蚕丝为原料，主要经过多种物理手段制备而成。我国在解放初期民间还广泛使用的手工“弹棉花”，就是将棉籽与棉纤维进行物理分类，并进一步加工为纤维制品的过程。
那么，现今的生物基化学纤维是如何由生物质加工、制备而来呢？
1.1 生物基再生纤维的加工过程
以再生纤维素纤维为例，其加工过程可大体分为纤维素原料预处理加工和纤维成型加工两道工序：
纤维素原料预处理加工：来自于原料中的纤维素不能直接利用，需要经过提纯处理才可以用于制备纤维，提纯处理的目的是将原料中的木质素、半纤维素等物质去除，然后将其制成浆粕(制浆过程)。常用的处理方式有化学处理，大多是采用酸碱水解的方式进行处理，但是这种处理方式对于环境的危害较大，已经逐渐开发了多种新型处理方式，如生物处理(利用真菌和细菌去除木质素、角质以及其他物质)、酶处理、物理处理(利用机械力、高能辐射、微波处理)、蒸汽爆破等。
最开始制作纤维所需要的纤维素主要来自于棉花、木材，但是受到我国耕地面积和林业资源的限制，原料来源开始向我国其他的可再生资源转移，比如竹、麻、香蕉、甘蔗等，尤其是一些农副产品，比如甘蔗渣、农作物秸秆、椰子壳等，利用这些农副产品作为纤维的原料可以实现变废为宝，降低产品成本，为扩大产量提供了广阔的可能。
纤维成型加工：对纤维原料进行预处理之后，接下来就是纤维成型加工，已经实现工业化的纺丝技术是溶液纺丝，其中最为典型的是粘胶法和直接溶剂法。
粘胶法是最广泛采用的纤维素纤维生产方法，先将纤维素用强碱处理生成碱纤维素，再与二硫化碳反应得到纤维素磺酸钠，再将该衍生物溶于强碱中制成粘胶（纺丝液），纺丝溶液从喷头的细孔中压入由硫酸、硫酸钠和少量硫酸锌所组成的凝固浴中凝固、再生，经过拉伸等加工后得到人造纤维。生产过程包含复杂的化学反应，工艺流程长，生产效率低，并生产CS2、H2S等废气、含酸、碱、Zn2+的废水、含CaO、Al2O3、MgO、Fe2O3等的污泥，消耗大量水、电、煤等能源。
直接溶剂法的代表是以N-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）为代表的新溶剂体系的开发。NMMO法生产工艺是一种不经过化学反应而制得纤维素纤维的过程，首先将浆粕与含结晶水的NMMO充分混合、溶胀，然后减压除去大部分结晶水，溶解，形成一稳定、透明、粘稠的纺丝原液，经过滤、脱泡后纺丝。具有工艺流程短、污染小、溶解性能好等优点。NMMO法生产的再生纤维素纤维称为“Lyocell纤维”（莱赛尔），它被誉为21世纪的绿色纤维。
由上述内容可看出，溶剂法可以省略一系列化学处理的过程，缩短了生产流程，减少了污染。目前国内外研究人员正致力于其他溶剂体系的开发。
其他溶剂有离子液体和低温碱/尿素体系等，其中低温碱/尿素体系是由我国自主研发的纤维素溶解体系。
纤维素纤维清洁化加工工艺的研究还包括纤维素酯的熔融纺丝法，即通过生物质原料的衍生化制备纤维原料，然后再进行熔融纺丝。然而由于天然生物质原料化学结构复杂，包含多个羟基官能团，容易发生高温降解，其工艺虽已有报道，但尚未形成商品。
1.2 生物基合成纤维的加工过程
生物基合成纤维的加工过程与传统涤纶、锦纶等纤维的制备工艺较为类似，均主要通过熔融聚合制备切片，后经熔融纺丝工艺制备纤维。随着工艺的进一步发展，也可以开发熔体直纺丝工艺。
以聚乳酸为例，聚乳酸的单体是乳酸，或者经乳酸二聚环化制备的丙交酯，可以玉米、马铃薯、甜菜等作物为原料经生物发酵获得。这些农作物在我国的产量很大，因此聚乳酸纤维在我国的发展潜力很大。聚乳酸切片的生产多采用两步法，先将乳酸缩聚制成低聚物，然后在催化剂的作用下制成丙交酯，再在真空中蒸馏提纯后进行催化开环缩聚制得聚乳酸。进一步利用切片，通过熔融纺丝工艺，即可制得多种规格的聚乳酸纤维用于下游市场应用。生物基合成纤维的加工过程与传统涤纶、锦纶等纤维的制备工艺较为类似，均通过聚合制备切片，后经熔融纺丝工艺制备纤维。随着工艺的进一步发展，也可以开发熔体直纺丝工艺。
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