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生物基纤维在非织造材料中的应用

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。

表 1 生物基纤维分类及其非织造材料

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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。

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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。

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。但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损坏其机械力学性能。

采用湿法纺丝得到再生蛋白纤维大概需要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。该专利采用熔融纺丝工艺,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。

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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,则可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。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。

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海藻纤维非织造材料虽用途较多,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。该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也限制了其发展。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,这也成为了其今后其研究的方向。

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点击次数:  更新时间:2017-12-19  【打印此页】  【关闭