回归自然:纺织纤维的发展回到起点——来源于自然界的新型合成纤维
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回归自然:纺织纤维的发展回到起点——来源于自然界的新
型合成纤维
Maria C.Thiry
【摘要】@@ 最开始时,纺织纤维均来自于自然界:动物皮肤、毛发和羊毛,蚕吐的丝,以及植物如亚麻、棉花和大麻.几个世纪以来,所有的纺织品都来自于植物、动物或昆虫所生产的纤维.从20世纪开始,人们发现可以自己创造纺织纤维.早期的人造纤维仍然来自于自然界--木质纸浆为原料的纤维素--但是到了20世纪30年代、40年代和50年代,人造纤维开始从化学厂内生产,而不是来自于土地里生长的植物.当21世纪开始时,纤维的研究趋势又回到了起点.尽管全合成纤维仍然很受欢迎,但是在很多情况下,人们的注意力再次聚焦在那些源于自然界的人造纤维.
【期刊名称】《中国纤检》
【年(卷),期】2010(000)009
【总页数】4页(P64-67)
【作者】Maria C.Thiry
【作者单位】
【正文语种】中文
AATCC 合作稿件
最开始时,纺织纤维均来自于自然界:动物皮肤、毛发和羊毛,蚕吐的丝,以及植物如亚麻、棉花和大麻。
几个世纪以来,所有的纺织品都来自于植物、动物或昆虫
所生产的纤维。
从20世纪开始,人们发现可以自己创造纺织纤维。
早期的人造纤维仍然来自于自然界——木质纸浆为原料的纤维素——但是到了20世纪30年代、40年代和50年代,人造纤维开始从化学厂内生产,而不是来自于土地里生长的
植物。
当21世纪开始时,纤维的研究趋势又回到了起点。
尽管全合成纤维仍然很受欢迎,但是在很多情况下,人们的注意力再次聚焦在那些源于自然界的人造纤维。
棉纤维的复兴
图1 服装和家纺中棉花市场份额
作为曾经的纤维之王,随着人造纤维应用的扩大和流行,棉的使用量在20世纪
60年代和70年代出现下降。
20世纪60年代~90年代末30年间,服装和家用
纺织品中棉花的市场份额变化,见图1。
棉产品的制造商决定反击。
棉花公司在市场上打响的著名战役就是重新把公众的注意力和忠诚度引导到“回归自然”上来。
棉花公司的Michelle Wallace说:“棉花是一种原始的高技术纤维。
”棉纤维所具有的特性,比如吸湿性、手感好、湿拉力强等都使其具有优势。
各种整理剂的发展又赋予了棉面料很多种其他的特性,如耐磨性、防污性和抗皱性。
此外,基因研究的介入可改善纤维本身的质量——如增加长度和在过去的30年间不断改善的纤维强度。
“在市场竞争中,提供不同类型的产品很重要,”棉花公司的Ira Livingston说,“我们不断寻找能让消费者眼前一亮的灵感,其中的一种途径就
是利用生物基因的研究来提高棉花品质,使这种具有6000多年历史的纤维保持一种崭新的面貌。
”
棉花的复兴唤醒了研究者们寻找天然纤维资源的动力。
作为一种可再生和可生物降解的资源,棉纤维还具有优良的特性,棉花公司的市场营销部门确信市场很容易接受天然纤维织制的织物。
“我们利用30多年的努力将消费者带回到‘自然意识状态’。
”Livingston说道,“这也为其他天然纤维的发展带来了机遇。
”
生物开发
天然纤维是通过植物(纤维素)或动物(蛋白质)所获得的。
康奈尔大学的Anil Netravali认为,自然界还有很多适合用于纺织的植物纤维,而我们还没有注意到。
他的团队正在研究综合利用来自于各种植物的纤维,如亚麻、苎麻、菠萝、黄麻、香蕉、竹子、剑麻、大麻以及洋麻。
还有其他团队致力于推广大豆纤维,即利用大豆工业的废弃品制造纤维。
Keeling’s Krafts的Barb Keeling在她的玩具制造产业内使用大豆纤维作为原料。
她说:“大豆纤维是一种再利用的产品,有很多用途。
大豆纤维有很长的历史,但是直到现在人们才看到了其复兴的迹象。
Henry Ford在20世纪40年代就开始讨论大豆纤维的应用,他甚至还有一套利用大豆纤维机织物制作的衣服和领带。
”西南贸易公司的Jonelle Raffino认为市场会很快接受这种纤维,他的公司力推商品
名为大豆丝的大豆纱。
“消费者需要新颖和精明的想法,而大豆纤维则可以满足许多不同层次消费者的需求——这种纤维相当柔软,并且价格合理,还能唤起人们
的环保意识。
”
当开发出聚乳酸纤维(PLA)并以Ingeo品牌进行市场推广后,Cargill Dow公司的研究方向回到了最基本的内容。
“PLA是过去50年中第一种得到美国联邦贸易委员会注册的纤维,”Cargill Dow公司的Joe Raffo说。
PLA纤维是以乳酸作为基体聚合而成的。
乳酸则来自于发酵的天然糖或淀粉,Ingeo是利用玉米饲料制
造而成的。
Cargill Dow公司正在开发利用玉米秆生产纤维——通常被视为农作物的废弃部分。
其他研究者也在寻求利用大米淀粉来制造PLA的方法。
利用农作物
产品的废弃部分制造PLA纤维是一种令人激动的想法。
按照Nexia Biotech公司Ali Alwattari的观点,“利用废弃生物产品制造纤维具有很大潜力,可以创造大
量可再生的高价值纤维原料,这种方式不会消耗自然资源,并且可以提供多方面、非单一的供应来源。
”
与植物界一样,动物界也有许多未被开发的可用作纤维的蛋白质来源。
其中之一就
是贝类行业的废弃产品——甲壳素。
北卡罗来纳州立大学的Sam Hudson认为,甲壳素被视为地球上数量仅次于纤维素的第二大可再生资源。
贝壳类废弃物经处理后可提取甲壳素,这个过程与对木屑进行处理提取纤维素纤维一样。
“对甲壳素的特性,我们已经研究了很多年,”Hudson解释道,“早在19世纪早期甲壳素就在化学上得到了认定,但是直到最近的10~15年间,人们才开始关注这种物质。
”纤维研究的另一个“热点”是蜘蛛丝。
“蜘蛛在进化过程中演变出一种‘工具’,利用这个工具能生产七种类型的丝,而蜘蛛正是利用这些丝进行织网。
地球上存在37000多种已确定的蜘蛛,所有蜘蛛都能产丝,而这就给纤维研究者们进行生物
研究创造了大量的机会。
”加利福尼亚州立大学-Riverside的Todd Blackledge
指出。
引人瞩目的前景
对研究者们而言,这些新型纤维来源的关注不仅因为它们易于获得或有持续性,还在于纤维的材料特性和应用前景。
甲壳素纤维(由甲壳素形成的纤维)的强度没有棉或尼龙高,且不耐酸——在酸性溶液中会溶解(醋就可以将其转化为凝胶状态)。
而作为一种商业纤维,它在与粘胶纤维的竞争中也没有价格优势。
然而,它却是一种非常好的医用纤维。
Hudson说,“在其众多引人注目的特性中,甲壳素没有致敏性,有良好的生物活性,天然的杀菌性,其表面能抑制细菌的繁殖。
由于具有杀菌的特性,这种材料还能提高除异味的功能。
”不仅如此,甲壳素最独特的性能是止血能力(可以有效停止出血)。
目前甲壳素的用途之一就是用作止血绷带,停止动脉出血。
不仅在医院,军队也对甲壳素的这个作用很感兴趣。
市场化
Raffo认为,PLA的特性能提高其市场化程度。
这种纤维的特殊性能使其在不同的市场中都具有一定的价值。
这种纤维的天然阻燃性使其可用于窗帘布料、办公室镶嵌面板、墙面涂料以及家具装饰材料。
PLA纤维具有与棉一样的芯吸能力,还与
涤纶一样具有快干功能,这就使其适合服用。
低气味残留和UV穿透性(阳光无法使其降解)使其更适合用作服装、地毯、家具以及窗帘面料。
这种纤维耐用性好,被誉为“长期的投资”,在不影响价格的前提下,人们愿意关注环保,性能也是最重要的。
性能
良好的性能是蜘蛛丝纤维令人关注的原因。
研究者们对它的特性印象深刻。
怀俄明大学的Randy Lewis说,“蜘蛛丝的抗张强度与Kevlar一样高,并且与尼龙有相同的弹性。
没有哪种人造纤维能综合具有这些特性。
”
“蜘蛛丝现在已经成为一个热点研究领域,因为蜘蛛进化的纺丝腺可以吐出七种类型的丝。
其中一些类型的蛛丝是高抗张强度的相对硬质纤维,其抗张强度接近于我们所制造的最好的人造纤维。
而其他类型的蜘蛛丝则具有与橡胶一样的高弹性和延伸性,这种类型蛛丝的动能吸收能力超过任何已知的天然或人造纤维,这是蜘蛛丝真正与众不同的地方。
”Blackledge说。
这种特性在医疗与军事中都已得到应用。
Blackledge说:“蜘蛛丝已经应用到军
事领域,作为一种防弹衣的材料,它可以在不破损的情况下吸收大量的动能。
蛛丝纤维也用于高性能绳索上(例如航空母舰上用于拦阻飞机的巨缆)。
”某些蜘蛛丝还具有超收缩性(在受潮时,纤维会变短、变紧),这是独一无二的,并且意味着蜘蛛丝可以用于高性能的运动服,这种运动服将比通常穿的运动装更合身;或用于急救绷带,像自动止血带一样能让伤者快速止血。
潜力
Lewis认为,蛛丝纤维的应用还包括人造韧带和肌腱。
克莱姆森大学的Michael Ellison建议纤维可以用于组织培养的支架,帮助细胞生长,或制造人造血管。
其
他的应用也是可能的——比如汽车安全气囊(利用蜘蛛丝可以吸收能量的特性),
或服装(蜘蛛丝可以更好地吸收染料)。
制造成本可能是限制纤维发展的唯一原因。
理解了蜘蛛丝研究者的目标后,蛛丝纤维的应用潜力将变得更加无限。
“我们正在研究蜘蛛丝和其他天然材料,以试图确定组成聚合物的蛋白质,”Ellison解释说,“人造聚合物具有较简单的结构。
而天然蛋白质聚合物的结构则复杂得多,这使我们难以驾驭。
”蜘蛛可以吐出不同种类的丝,每种丝都具有不同的特性。
“在性能上,所有类型的蜘蛛丝各不相同,但是最终都是从相同的遗传基因中演化而来的,”Blackledge说。
这就意味着如果我们知道具有独特特性的丝蛋白质基的DNA基因图谱是怎样排列的,那么我们就可以利用生物工程技术,复制蜘蛛丝基因,从而使纤维具有所需要的特性。
目前,研究者们正关注如何通过生物工程技术将蜘蛛丝基因转换为一种“表达方法”——简而言之,就是一种可以制造出理想蛋白质的传递系统。
Ellison将酵母
作为他的表达方法。
Lewis说:“我们也可以利用细菌和植物来制造蛋白质。
我们的团队目前正在研究苜蓿,因为苜蓿通常能生产高含量蛋白质。
”Nexia Biotech 公司已经开发出了一种生物高聚物原料,具有与蜘蛛的聚合物相同的生物化学成分,并且正在研究将这种生物聚合物转化为纤维的方法。
Nexia的合成蜘蛛丝蛋白的表达系统是转基因山羊,蛋白质是从山羊奶中分离出来的。
设计
材料特性
蜘蛛丝蛋白生物工程技术所带来的机遇和暗示是深远的。
经过生物工程技术处理的天然材料不同于传统的纤维,因为生物工程技术是根据应用的需要对材料的一些特性进行控制。
生物工程技术可以控制纤维的外观。
Alwattari说,“可以按照设计的直径制造人
造纤维——这样单丝直径的变化范围比现有的产品增大。
”因为生物合成蛋白质
聚合物是专门设计的,这样制造商也可以对该产品的降解速度进行设计。
绿色生产
和对蜘蛛丝蛋白质结构进行研究从而设计蛋白质纤维一样,研究者们正在研究蜘蛛是如何制造蜘蛛丝的。
“在环境温度下,蜘蛛无需碱性或酸性化学品就能产丝。
”Blackledge说。
研究者们将探索模拟产丝的方法,按照Ellison的观点,“合成聚合物是使用一种‘强力’方法来制造纤维的。
这种方法投入大量的能量,并且产生大量的废弃物。
我们正在研究蜘蛛是如何使其丝管内的蛋白质液从喷丝头出来的时候变为纤维的。
蜘蛛通过去除蛋白质中的水分,使蜘蛛丝从喷丝头处出来时就完全成型。
蜘蛛的吐丝方法是一种比目前的制造方式更加具有连续性的技术。
我们正在研究这种自然的制造方法,以便使我们的产丝方法更加连续。
我们将有可能消除很多诸如工业废水、过度能源消耗的问题。
”
未来
探索
按照Lewis的观点,高分子材料化学在探索新型纤维上的作用正在不断下降。
当前的发展显示,高分子发现新纤维材料的速度已经大不如前了,而生物基因学家却可以取得高分子化学家从来不敢想象的成就。
Ellison说,研究者们才刚刚开始进行蜘蛛丝材料特性的详细研究。
其他值得探索的特性包括蜘蛛丝对湿度变化和大气压力的敏感性,以及在液体内的超收缩能力。
蜘蛛丝也具有压电特性。
我们能利用这些特性设计一种源自于蜘蛛丝蛋白质的传感器或激发器。
Ellison指出研究者们目前还在研究其他天然纤维的蛋白质。
他们重新研究了传统的丝纤维来源——蚕。
开始关注与研究蚕的基因。
他们还研究贝类。
Ellison说:“用一种有特殊结构的线做辅助装置。
”线的结构相同而机械性能不同,黏附在有机体上的线要易于弯曲;附着在固定点,如岩石上的要硬且不能弯曲。
竞争力
尽管新型“天然”合成纤维具有引人注目的特性,但是它们肯定会面临来自其他同类传统合成纤维的竞争。
“石油提取的人造纤维将不会退出历史舞台,”Hudson 说,“商业人造纤维的生产价格低廉,具有很好的性能。
随着时间的推移,会产生环境危害的溶剂型人造纤维如粘胶等可能会受到更多的法律压力。
而热塑型材料比如聚丙烯、聚酯和尼龙将会在很长的时间内存在,因为它们的生产效率高,并且不会产生很大的环境危害。
”然而,Hudson也同意,未来的新型纤维来源分为两种:生物技术和废弃物的再利用。
价格与性能
Alwattari说,可再生将是新型纤维的一个主要议题。
同时,性能也同样至关重要。
“新纤维的优势会很大。
当纤维材料的附加值超越纺织品(例如,复合、药物传输系统等)的时候,规模/成本主导的创新形式将有机会转换为以性能为主导的创新
形式——这将为消费者解决之前未解决的问题。
对于纤维的未来,经过专门的设
计和加工的材料会根据不断的变化和使用状态如材料的运输、检测等做出回应。
”他也提到成本将是一个主要问题,“简单的市场原理证明,那些改性的材料,如价格更低或者重量更轻的产品,将会取代那些性价比低的产品。
”
Raffo将新型纤维看做一项增值的项目,“传统人造纤维的价格与石油的价格密切相关。
类似棉花这样的传统天然纤维都是商品。
通过利用PLA这样的天然合成纤维,其价格将会随着需求的增加而下降。
制造商们将看到一个利润丰厚的前景。
”机遇
通过回归自然所呈现在纤维业面前的机遇是巨大的。
新型天然纤维具有一些新的和引人瞩目的材料特性,这些特性使其应用领域超越了“传统纺织”,成为一种高性能材料。
它们提供给纺织产业链内的产品增加附加值的机会,带来了可持续性和环保等方面的优势。
Raffino说:“我看到了纺织业重新改革所取得的巨大成功。
消费者需要柔软、奢华且环保的纤维,而我们能够提供这种产品。
作为一个产业,我
们自有我们的价值。
”。