生物基纖維在非織造材料中的應(yīng)用

生物基纖維在非織造材料中的應(yīng)用

近年來，生物纖維廣泛應(yīng)用于非織造材料中。根據(jù)原料的來源和生產(chǎn)工藝，可分為四種類型。表1顯示了該纖維在非織造材料中的主要應(yīng)用。生物基合成纖維聚乳酸纖維(PLA)醫(yī)用敷料、氣體過濾材料等海洋生物基纖維海藻酸纖維、殼聚糖纖維醫(yī)用敷料1通過水刺、水刺和熱粘合工藝制備的多層非織造材料再生纖維素纖維通過針刺、水刺、熱粘合等方式可以制成非織造材料,用于個人衛(wèi)生護(hù)理、過濾等領(lǐng)域。粘膠纖維具有良好的吸濕性、柔軟性和纏結(jié)性能,用途廣泛,但濕強(qiáng)低,故常與其它纖維混合制作非織造材料。通過水刺工藝,將粘膠纖維與蠶絲纖維混合后加固成衛(wèi)生用品包覆材料,將其與木漿纖維混合可制成可沖散濕巾,與其它化纖混合可制成面膜基布、汽車內(nèi)飾等。此外,也可通過針刺工藝將粘膠纖維制成過濾材料,如將其與殼聚糖一道混合,制備的針刺非織造材料具有抗菌性能,是性能優(yōu)良的敷料材料;將其與麻纖維和PA6納米纖維混合制備的多層非織造材料,較一般過濾材料具有更好的吸油過濾性能。Lyocell纖維具有良好的吸濕透氣性,可以通過水刺、針刺、熔噴等工藝來制備非織造材料,用作過濾材料、面膜基材、生物組織工程材料等。如將Lyocell纖維與粘膠纖維混合通過針刺工藝制備的過濾材料,比純粘膠纖維制備的材料吸附性能更好,比表面積更大。日本專利(專利號JP2014073432-A)公開了一種過濾材料的制備方法,將原纖化Lyocell纖維制成的纖網(wǎng)與直徑為1~8μm的化纖短纖制成的纖網(wǎng)進(jìn)行復(fù)合,通過熱粘合工藝可制成非織造過濾材料;專利US2013269294A1公開了一種通過納米Lyocell纖維、超細(xì)纖維和熱熔纖維制備的多層非織造材料,納米級的Lyocell作為材料的頂層,含量為總克重的40%~80%,超細(xì)短纖作為材料的基層,含量為20%左右,可以選用聚酯纖維、聚丙烯纖維、聚氨酯纖維等,材料的克重為65~113g/m雖然粘膠纖維和Lyocell纖維具有良好的物理性能,制成的水刺非織造材料對人體而言具有很好的舒適性,但其產(chǎn)品的用途比較單一,不夠多樣化。要使其應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛,應(yīng)進(jìn)一步探索其加工方式,使產(chǎn)品更加多樣化。2再生蛋白纖維和針刺材料的復(fù)合化紡絲再生蛋白纖維因為受到機(jī)械性能的限制,所以只能通過水刺、針刺等工藝制備非織造材料,制備的非織造材料具有良好的親膚性和舒適性,與人體相容性較好,可用于衛(wèi)生護(hù)理領(lǐng)域、生物工程領(lǐng)域等。膠原蛋白纖維不僅可以制備水刺非織造材料,還可以通過針刺工藝來制備軟骨組織,因為膠原針刺材料在組成和纖維排列上很好地模擬了軟骨組織。但是膠原針刺材料的力學(xué)性能較低,因此其制成的軟骨組織的機(jī)械性能也處于較低水平。此外,也可以通過靜電紡絲來制備膠原納米纖維,用于制備生物支架材料,其突出優(yōu)點是在加強(qiáng)材料生化性能的同時不會損壞其機(jī)械力學(xué)性能。采用濕法紡絲的方法得到再生蛋白纖維的時間大概需要60h,生產(chǎn)線太長,能源消耗大,且生產(chǎn)過程中需要的化學(xué)試劑很多,對環(huán)境的污染比較大。此外,得到的纖維強(qiáng)力也較低,不利于生產(chǎn)加工,需經(jīng)過后處理才可應(yīng)用于紡織領(lǐng)域。因此,進(jìn)一步研究生產(chǎn)過程更環(huán)保、更節(jié)能的再生蛋白纖維是突破點。專利US20130256942A1中介紹了一種更加節(jié)能、環(huán)保的生產(chǎn)牛奶蛋白復(fù)合纖維的方法,生產(chǎn)的纖維主要用于紡織領(lǐng)域。該專利采用了熔融紡絲工藝。用一種塑化劑將從牛奶中提取出來的蛋白質(zhì)增塑在一起,溫度在室溫至140℃之間,然后在一定的壓力下擠出成形得到牛奶蛋白復(fù)合纖維,塑化劑可以是水、甘油、多糖類物質(zhì)等。3生物覆蓋物與pla纖維的復(fù)合材料PLA纖維具有良好的生物相容性和生物降解性,可以采用干法、紡粘法、熔噴法成網(wǎng),之后通過針刺、熱粘合的方法加固形成非織造材料,用于醫(yī)療、包裝材料、過濾材料、農(nóng)用材料等領(lǐng)域。將PLA和亞麻纖維混合,采用氣流成網(wǎng)、熱軋工藝制備非織造材料,產(chǎn)品不僅具有良好的生物降解性,而且具備一定的物理機(jī)械性能,可用于包裝材料等。PLA雖然具有良好的生物相容性和降解性,但不具有抗菌性,這也限制了其應(yīng)用。如將制備的熔噴PLA材料用鹵胺化合物進(jìn)行抗菌整理,則其材料可用來制作醫(yī)療衛(wèi)生用品、過濾材料等。PLA具有優(yōu)良的生物降解性能,因此也可用于農(nóng)作物的覆蓋膜。目前已有研究團(tuán)隊制備出了一種PLA/PHA的復(fù)合非織造材料,通過對其進(jìn)行風(fēng)化模擬測試,確定此種材料可用作多季節(jié)的生物堆肥覆蓋材料,是替代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)覆蓋物的良好選擇。此外,將靜電紡制得的PLA納米纖維分別直接復(fù)合在水刺非織造材料和熔噴非織造材料上,制成PLA納米纖維非織造復(fù)合材料,材料的過濾性能將大幅度提高;將熔噴PLA非織造材料進(jìn)行駐極處理后,材料的過濾性能也可顯著提高,但過濾阻力不會發(fā)生太大變化。有研究者指出,單一的PLA熔噴非織造過濾材料雖然具有較高的強(qiáng)力,但是靈活性較差,如果使用PLA/PCL復(fù)合熔噴非織造材料,則其在保持過濾效果和強(qiáng)力的同時,靈活性也會增強(qiáng)。PLA非織造材料雖具有良好的生物降解性能和生物相容性,但其生產(chǎn)過程并不是完全綠色的,而且由于受到本身物理性能的限制其非織造材料的應(yīng)用領(lǐng)域有限,今后可進(jìn)一步優(yōu)化PLA纖維的生產(chǎn)工藝,使其更加綠色化;也可以進(jìn)一步改善PLA的性能,使其制備的材料應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊。4水刺非織造材料海洋生物基纖維指纖維原料來自于海洋中的動植物,如藻類,蝦、蟹的外殼等。這類纖維一般具有良好的物理化學(xué)性能、生物相容性、抗菌性等,可通過針刺工藝制備非織造材料,一般用于醫(yī)用敷料領(lǐng)域;通過水刺非織造工藝制備的非織造材料,一般用于個人衛(wèi)生材料,如面膜、紙尿褲等;通過靜電紡絲紡成微納米纖維可用于生物組織工程材料的開發(fā)。4.1海藻纖維在生物環(huán)境中的應(yīng)用海藻纖維常采用海藻酸鹽與非海藻酸高聚物(如纖維素)共混紡絲制得,在醫(yī)療領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用。如將殼聚糖作為混凝劑制備的海藻纖維可進(jìn)一步制備成醫(yī)用敷料,不僅提高了敷料的強(qiáng)力,也提高了其吸收性能。專利CN103074777A公開了一種載銀海藻酸鹽敷料的制作方法,即將濃度為1%~8%的海藻酸鈉溶液擠入濃度為1%~4%的氯化鈣溶液中,制得海藻纖維,然后將其浸泡在濃度為0.2~2g/L的二氧化硅溶液中得到具有抗菌性的載銀海藻酸纖維,所制得的敷料具有高效的止血性和傷口愈合性。除了制作敷料,海藻纖維還可作為口罩、組織工程復(fù)合支架等的材料。專利CN203226301U中公布了一種過濾口罩的制備方法,將海藻纖維和甲殼素纖維混合鋪網(wǎng),經(jīng)針刺非織造工藝制成的產(chǎn)品具有抑菌、吸濕透濕、舒適健康的保健作用,制成的非織造布能吸附空氣中的重金屬和粒徑在2.5μm以上的細(xì)小顆粒;專利US20090087469A1中公布了一種海藻支架的制備方法,通過靜電紡絲紡出海藻酸長絲,纖維直徑為50~500nm,其制備的支架厚度為0.05~5mm,在生物環(huán)境下具有穩(wěn)定的性質(zhì)。海藻纖維非織造材料用途雖較多,但由于海藻酸鹽水溶液太粘稠,即使是在凝膠濃度以下,聚合物鏈的缺陷以及分子間的斥力也會阻礙纖維鏈的形成,使海藻纖維的加工有一定的困難。已有文獻(xiàn)提出了一種新型的紡絲方法,用微流控的方法可以持續(xù)生產(chǎn)出具有溝槽的海藻酸長絲,該方法成本低,操作簡單,生產(chǎn)的纖維同樣具有良好的生物相容性,可以用于細(xì)胞支架材料的制備。4.2殼聚糖纖維的制備方法殼聚糖纖維具有良好的抗菌性、可降解性和生物相容性,一般采用針刺工藝制成非織造材料,可用于生物組織、過濾材料中。殼聚糖纖維可以促進(jìn)纖維原細(xì)胞的快速增殖、膠原蛋白的合成及血管化,因此采用針刺工藝制備的殼聚糖材料主要用于醫(yī)用敷料領(lǐng)域,且其成本較低、生產(chǎn)速度較快。專利CN202069768U公開了一種酰化殼聚糖纖維類自粘貼傷口敷料的制備方法。該敷料采用殼聚糖纖維制成的非織造材料作為基材層,產(chǎn)品具有高吸濕性和高濕強(qiáng)度,同時具有止血、抗菌、促愈的作用,特別適合慢性傷口的治療。專利CN103191463A公開了一種殼聚糖纖維/生物活性玻璃三維有序多孔支架的制備方法,該材料具有良好的生物活性、生物相容性、生物降解性等特點;機(jī)械強(qiáng)度較高,力學(xué)性能良好,可滿足為骨修復(fù)部位提供受力支撐的要求。專利RD603032A公開了一種含有天然纖維的殼聚糖非織造材料,這種材料更柔軟,可廣泛應(yīng)用于濕巾、面膜等材料中。殼聚糖纖維還可以用于制備過濾材料,采用濕法成網(wǎng)工藝制備的過濾介質(zhì)具有較好的過濾效果,可用于替代廢水廢油的過濾材料。通過靜電紡制得的殼聚糖纖維由于具有良好的吸附性能,可進(jìn)一步制成非織造材料,具有優(yōu)良的過濾效果。如將靜電紡制得的納米殼聚糖/PEO纖維與PP紡粘材料相復(fù)合,制得的材料可用于液體或空氣過濾。殼聚糖纖維雖具有多種良好的性能,但制備過程中仍存在一些技術(shù)瓶頸,如脫乙酰度提高困難,制備高純度的殼聚糖受限;殼聚糖纖維水溶性不好,短期內(nèi)難以實現(xiàn)快速抑菌;混合、開松、梳理成網(wǎng)困難,制備纖網(wǎng)受限等。如能解決這些問題,其應(yīng)用領(lǐng)域可進(jìn)一步拓寬。目前已有團(tuán)隊研究改善其水溶性的方法,且制備出的琥珀酰殼聚糖是一種水溶性殼聚糖,性能更佳,具有良好的水溶性,可用于制備泡沫敷料等。海洋生物基纖維因為性能相近因而可制成復(fù)合纖維。如將海藻酸與殼聚糖溶解后相互混合,通過靜電紡絲可得到具有皮芯結(jié)構(gòu)的雙組分纖維,其中海藻纖維為芯層,殼聚糖纖維為皮層。這樣可以避免海藻纖維在形成過程中由于Ca海洋生物基纖維雖然原料來源廣泛,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點限制了其發(fā)展。如海藻酸纖維的水凝膠性能太好,導(dǎo)致纖維制備有一定難度;殼聚糖纖維抑菌性優(yōu)良,因此大多只能用于制備醫(yī)療產(chǎn)品。此外,適合的工藝方法也較單一,產(chǎn)品的適