生物基合成纖維和生物可降解纖維的關(guān)系

生物基合成纖維和生物可降解纖維是什么關(guān)系？

近年來(lái)，隨著(zhù)全球對傳統塑料等難以在自然環(huán)境中降解所造成的嚴重環(huán)境污染，以及日益嚴峻的微塑料污染問(wèn)題的關(guān)注，開(kāi)發(fā)生物可降解塑料及纖維制品變得尤為重要。特別是各國“禁塑令”的逐漸實(shí)施，一些具有潛在造成微塑料污染的制品將被禁止使用。然而，生物基化學(xué)纖維主要是指其原料中含有可再生植物生物質(zhì)或動(dòng)物生物質(zhì)成分，而生物可降解纖維既可以來(lái)源于生物基，也可以來(lái)源于石油基，因此

生物基合成纖維≠生物可降解纖維

哪些生物基合成纖維同時(shí)也是生物可降解纖維？哪些生物可降解纖維并非生物基合成纖維呢？石油基高分子材料或纖維是否都不能生物降解呢？

為了回答這些問(wèn)題，我們可以把高分子材料或纖維按照原料來(lái)源及是否可以生物降解分為4個(gè)象限，主要分類(lèi)如下：

生物降解四個(gè)象限

▲石油基、非生物可降解纖維（第III象限）：

傳統石油基化學(xué)纖維如滌綸、錦綸、丙綸和氨綸等均處于此象限。這些纖維具有高熔點(diǎn)，高結晶度，分子結構規整，力學(xué)性能優(yōu)良，并且具有較好的耐水解性和抗化學(xué)腐蝕性，因此在自然環(huán)境中降解非常緩慢。例如，聚烯烴在自然環(huán)境中，受到日光照射，可以發(fā)生熱氧降解，但降解速率極低。低密度聚乙烯（LDPE）2.5年內降解轉化為CO2的比例僅為0.35%，因此，我們通常認為這類(lèi)纖維材料為非生物降解纖維。

▲生物基、生物可降解纖維（第I象限）：

所有的生物基原生纖維（天然纖維）以及生物基再生化學(xué)纖維由于保留了天然生物質(zhì)的多糖或蛋白結構，因此其纖維制品具有與天然生物質(zhì)較為類(lèi)似的完全生物可降解性。而生物基合成纖維中如聚乳酸（PLA）和聚己內酯（PCL）等均可在堆肥，以及中性酶降解溶液中發(fā)生質(zhì)量損失、力學(xué)性能下降，以及礦化為二氧化碳和水等小分子，因此具有較好的生物可降解性能。從全生命周期分析來(lái)看，此類(lèi)纖維是生態(tài)友好的纖維材料。

▲生物基但難以生物可降解的纖維（第IV象限）：
高分子材料的生物降解性能是個(gè)較為復雜的過(guò)程，與材料本身的化學(xué)結構和性能緊密關(guān)聯(lián)。有些化學(xué)纖維材料盡管具有生物基屬性，但卻由于本身的結晶度高、熱學(xué)性能優(yōu)異，制約其生物降解性能，屬于難以降解的纖維材料，例如：

(1)生物基PTT（聚對苯二甲酸丙二醇酯）纖維：
生物PTT聚酯所使用的二元醇單體是生物基1,3-丙二醇（PDO）。PDO可以以谷物為原料，用生物法進(jìn)行生產(chǎn)。進(jìn)一步采用直接酯化法（用對苯二甲酸和PDO直接反應）或酯交換法（對苯二甲酸二甲酯與PDO進(jìn)行酯交換反應）制得。PTT纖維具有優(yōu)于其他聚酯纖維的回彈性能、較低的拉伸模量、較高的斷裂伸長(cháng)率；具有較好的染色性能；扛褶皺性和柔軟手感。其是我國近年來(lái)具有國際領(lǐng)先地位的新型生物基纖維品種。然而，生物基PTT聚酯纖維與滌綸較為接近，并不具有生物降解性能。其生態(tài)優(yōu)勢在于可有效降低產(chǎn)品的碳足跡，但制品廢棄后難以通過(guò)自然環(huán)境降解。

(2)PEF（聚呋喃二甲酸乙二醇酯）纖維
與生物基PTT聚酯纖維較為類(lèi)似，PEF聚酯纖維則是利用生物基二元羧基單體，即生物基呋喃-2,5-二甲酸與乙二醇制備而來(lái)。呋喃二甲酸可以以淀粉或纖維素等天然生物質(zhì)為原料，經(jīng)生物發(fā)酵或化學(xué)方法制備。PEF纖維與滌綸PET纖維相似，具有較為接近的熔點(diǎn)和玻璃化轉變溫度，盡管有報道稱(chēng)PEF具有一定的生物降解性，然而其生物降解速率較為緩慢，根據目前的生物可降解堆肥標準，并非生物可降解纖維。

其它生物基纖維材料，如尼龍56和生物基PDT纖維也屬于此類(lèi)。

▲石油基生物可降解高分子材料及纖維（第II象限）：

如前所述，高分子材料的生物降解性能是個(gè)較為復雜的過(guò)程，與材料本身的化學(xué)結構和性能緊密關(guān)聯(lián)。有些化學(xué)纖維材料盡管主要來(lái)源于石油基，但卻由于本身的分子鏈結構較為柔性，酯鍵容易發(fā)生水解，以及微生物或者生物酶降解，因而呈現較好的其生物降解性能，例如：

制備PGA（聚乙酸醇)的重要化合物-草酸二甲酯(DMO)，它是由煤為原料制得，經(jīng)加氫、水解、聚合制得。PGA雖由煤制得，但是其生物降解能力很好，可以在1－3個(gè)月內完全降解，降解產(chǎn)物是水和二氧化碳，完全無(wú)毒無(wú)害，常被用于可吸收手術(shù)縫合線(xiàn)，兼具高生物降解性和生物相容性。而PGLA（聚乙丙交酯）則是由9份乙交酯（PGA）和1份丙交酯（PLA)按照一定比例共聚制得。丙交酯如果為生物法制備而來(lái)，則PGLA則可稱(chēng)為生物基，且生物可降解纖維。PGLA具有較高的拉伸強度，良好的生物相容性和生物可降解性，也常用于可吸收手術(shù)縫合線(xiàn)。

煤制備PGA（聚乙酸醇)生產(chǎn)流程

其它如PBAT和PBST也主要來(lái)源于石油基。PBAT和PBST分別由己二酸丁二醇酯(PBA)、丁二酸丁二醇酯(PBA)與對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)共聚制備，其材料性能兼具PBA和PBT的性質(zhì)，具有良好的斷裂伸長(cháng)率、延展性、耐熱性和沖擊性能，同時(shí)具有優(yōu)良的生物降解性能。要應用為農用地膜等薄膜材料，纖維應用還處于開(kāi)發(fā)階段。

編寫(xiě)丨東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 王華平教授

           東華大學(xué)紡織協(xié)同創(chuàng )新中心 烏婧副教授

審稿丨中國紡織科學(xué)研究院原副院長(cháng)、顧問(wèn) 趙慶章