生物基合成纖維和生物可降解纖維的關系

生物基合成纖維和生物可降解纖維是什么關系？

近年來，隨著全球對傳統塑料等難以在自然環境中降解所造成的嚴重環境污染，以及日益嚴峻的微塑料污染問題的關注，開發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，生物基化學纖維主要是指其原料中含有可再生植物生物質或動物生物質成分，而生物可降解纖維既可以來源于生物基，也可以來源于石油基，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？

為了回答這些問題，我們可以把高分子材料或纖維按照原料來源及是否可以生物降解分為4個象限，主要分類如下：

生物降解四個象限

▲石油基、非生物可降解纖維（第III象限）：

傳統石油基化學纖維如滌綸、錦綸、丙綸和氨綸等均處于此象限。這些纖維具有高熔點，高結晶度，分子結構規整，力學性能優良，并且具有較好的耐水解性和抗化學腐蝕性，因此在自然環境中降解非常緩慢。例如，聚烯烴在自然環境中，受到日光照射，可以發生熱氧降解，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纖維由于保留了天然生物質的多糖或蛋白結構，因此其纖維制品具有與天然生物質較為類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生質量損失、力學性能下降，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看，此類纖維是生態友好的纖維材料。

▲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較為復雜的過程，與材料本身的化學結構和性能緊密關聯。有些化學纖維材料盡管具有生物基屬性，但卻由于本身的結晶度高、熱學性能優異，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，用生物法進行生產。進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進行酯交換反應）制得。PTT纖維具有優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。其是我國近年來具有國際領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。其生態優勢在于可有效降低產品的碳足跡，但制品廢棄后難以通過自然環境降解。

(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。呋喃二甲酸可以以淀粉或纖維素等天然生物質為原料，經生物發酵或化學方法制備。PEF纖維與滌綸PET纖維相似，具有較為接近的熔點和玻璃化轉變溫度，盡管有報道稱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。

▲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較為復雜的過程，與材料本身的化學結構和性能緊密關聯。有些化學纖維材料盡管主要來源于石油基，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個月內完全降解，降解產物是水和二氧化碳，完全無毒無害，常被用于可吸收手術縫合線，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，則PGLA則可稱為生物基，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縫合線。

煤制備PGA（聚乙酸醇)生產流程

其它如PBAT和PBST也主要來源于石油基。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，具有良好的斷裂伸長率、延展性、耐熱性和沖擊性能，同時具有優良的生物降解性能。要應用為農用地膜等薄膜材料，纖維應用還處于開發階段。

編寫丨東華大學材料科學與工程學院 王華平教授

           東華大學紡織協同創新中心 烏婧副教授

審稿丨中國紡織科學研究院原副院長、顧問 趙慶章