3D生態(tài)超纖皮及功能性皮革研發(fā)與應用前瞻

張哲

目前，我國環(huán)保整治力度加強，未來天然皮革生產將面臨更大的環(huán)境因素挑戰(zhàn)。由于天然皮革加工造成的環(huán)境污染問題日漸突出，越來越多的國家和地區(qū)逐漸限制天然皮革的非清潔加工與銷售。作為替代天然皮革的新材料——超纖皮革已經量產10年且已成熟化、產業(yè)化。用超纖皮革部分替代天然皮革，已經是很多箱包皮具、鞋類服裝、車船游艇、飛機生產企業(yè)內飾升級降本的不二選擇，同時也是未來替代真皮的方向選擇。

一、生態(tài)超纖維皮革及功能性皮革發(fā)展必要性

據統(tǒng)計，為了滿足人類生活需要，在地球上需要飼養(yǎng)600億頭動物來滿足人們對肉、奶、蛋和皮革的需求。當今地球人口70多億，預計到2100年前后，全球人口將突破100億，屆時我們對肉類動物的需求量將會達到千億頭。然而，動物可不僅僅是原材料，他們也是生物，他們的生長需要消耗大量的土地、純凈水、青草、飼料，并制造大量溫室氣體。

據科學家研究，動物養(yǎng)殖業(yè)是全球最大的溫室氣體排放源，科學家認為，二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氟氯碳化物、水蒸氣等溫室氣體，吸收太陽輻射，增加了地球的溫度，造成全球變暖。

2006年11月29日，聯(lián)合國糧農組織報告指出：畜牧業(yè)是造成嚴重環(huán)境危機前3名最主要的元兇之一。全球畜牧業(yè)排放的氣體和主要影響主要包括：畜牧業(yè)排放二氧化碳的量約占全球排放量的9%，在大氣中會持續(xù)百年以上；畜牧業(yè)產生的甲烷氣體占全球排放量的37%，甲烷氣體的溫室效應是二氧化碳的72倍；畜牧業(yè)產生的氧化亞氮占全球排放量的65%，氧化亞氮溫室效應是二氧化碳的296倍。1只牛在消化過程中由打嗝和排氣在1天內排出的甲烷氣體達200L。研究發(fā)現(xiàn)，每生產1kg肉類，就會排放出36.4kg的二氧化碳。另外，飼養(yǎng)和運輸1kg牛、羊、豬肉和皮革所消耗的能源，可以使1個100W的燈泡連續(xù)點亮3個星期?！?/p>

因此，急需要有新的材料代替天然皮革以減少環(huán)境污染和溫室氣體的排放。國際上，生態(tài)超纖皮革由于理化性能超過天然皮革而被廣泛作為天然皮革的替代品。超纖皮革經過10年的快速發(fā)展期，目前已經替代了大部分真皮產品，但想要完全替代真皮還需要在技術上有進一步突破，尤其是成形性、真皮感、透氣透濕及降低有揮發(fā)性有機化合物（TVOC）的產生需要進一步提高。

二、超纖皮革和功能皮革的種類

通過長達15年的大量實驗，研究人員確定了研究方向為生態(tài)超纖皮、納米皮、3D超纖皮、蛋白皮、3D打印牛皮等方面，這些材料能夠更好地替代真皮，達到天然皮革效果。目前，研究人員在這些領域已經取得了一定進展，下面逐一進行介紹。

1.3D生態(tài)超纖皮

生態(tài)超纖皮革是目前世界上工業(yè)化生產中最像真皮的人工合成皮革，采用與真皮膠原纖維細度一樣的海島型超細纖維構成基本骨架材料，采用3D立體的非織布加工工藝制造成基本網狀結構，再填充與氨基酸的氨基結構類似的聚氨酯樹脂而成。這種材料不僅理化性能超過真皮，而且生態(tài)環(huán)保，綜合成本也僅僅是真皮的1/2，所以生態(tài)超纖皮革這10年來被廣泛使用（見圖1）。

3D生態(tài)超纖皮革研究改善了基材樹脂配方，采用軋紋工藝生產是比較理想的結構方式。由于配方改變，超纖層狀結構接近真皮，再使用與真皮一樣的軋花紋理工藝，紋理達到完全仿真效果。采用3D技術生產一次成型，做出的產品不僅逼真動感，有很好的視覺沖擊力，表面幾乎與真皮沒有任何區(qū)別，且性能超過真皮數倍。3D生態(tài)超纖皮革用于汽車座椅和家具沙發(fā)，僅僅是耐磨使用上，真皮可以使用3年，3D超纖皮可以使用8年以上。

2.蛋白皮

蛋白皮作為環(huán)保型皮革，主要分為超纖蛋白皮與膠原蛋白皮2種。這2種材料都引入了蛋白質成分，基本的蛋白質含量都在25%以上，而采用藍濕皮原料制作的膠原蛋白皮，其蛋白質成分可以達到70%以上。

傳統(tǒng)汽車內飾、箱包、沙發(fā)、鞋材以真皮、織物或是聚氯乙烯（PVC）人造革為主。真皮彈性佳、透氣性好但價格昂貴、利用率低且生產過程中對環(huán)境污染嚴重；織物易臟易破損，缺乏檔次；PVC不透氣、手感僵硬、低溫易裂且氣味嚴重。環(huán)保、加工方便、價格合理且有著天然皮革手感的材料，成為市場的一個空白點。福建華陽超纖有限公司開發(fā)出的蛋白高仿真超纖合成革（簡稱“蛋白皮”），目前已經通過專家鑒定。蛋白皮外觀結構都酷似天然皮革，但是質量是真皮的2/3，成本是頭層皮的1/2，物理理化性能超過天然皮革近1倍。

目前現(xiàn)有的PVC產品因為不環(huán)保在歐盟已經被限制使用。真皮由于含有重金屬，生產對環(huán)境污染嚴重且價格昂貴，尤其是真皮過低的利用率又造成了邊廢料的大量增加，形成2次污染。找到1種能夠達到真皮性能且環(huán)保無污染的皮革材料來替代真皮已成急切需求。蛋白皮正是針對這些問題研究開發(fā)的新產品，它的批量應用將解決此問題。

超纖蛋白皮是具備天然皮革的親膚感、觸感，而且理化性能更優(yōu)異的1種健康綠色的超纖材料，在座椅上應用。這種材料在生產制造過程中引入蛋白質，制造的超細纖維/聚氨酯/蛋白質復合新材料，其全技術體系擁有自主的知識產權，已申報專利。

蛋白皮產品最大程度地實現(xiàn)了仿造真皮。蛋白皮產品不僅生產環(huán)保且物性更超越真皮，解決了皮革透氣透濕和親膚性及真皮材料后處理對環(huán)境的污染問題。

3.3D打印牛皮

日前，李嘉誠旗下的維港投資已經為美國紐約科技公司ModernMeadow完成1000萬美元的A股首輪融資，用于該公司培植研發(fā)3D打印人造皮技術。如今所謂“3D打印”的人造牛皮，并不是從普通打印機跑出來的，該技術能“無中生有”地造動物皮，“造皮術”已經比較成熟，很快將進行產業(yè)化。

這項技術原理來源于克隆技術與3D打印技術的融合?？茖W家首先通過1個簡單的無痛過程，從牛、羊等動物身上取下幾個細胞，然后在細胞培養(yǎng)基中將細胞分離和復制，使得細胞從幾百萬個細胞變成幾十億個。將細胞和膠原蛋白延展鋪開成片狀，再將薄片一層層疊放，最后，通過1次短暫、無化學成分的加工，就可以做出安全性可靠的皮革（見圖2）。目前這項技術完成實驗室過程，下一步將走向中試與進一步產業(yè)化。

三、國內生態(tài)超纖維和功能皮革材料的研究現(xiàn)狀

我國自1979年引進第1條日本藕狀革超纖生產線后，經過近16年的消化吸收，1998年取得了技術上的突破，2001年才得以工業(yè)化。超纖皮革做為替代真皮的最佳材料，在國內市場經過了快速發(fā)展期：2003-2004年產生了中國第1批超纖投資潮，新增企業(yè)近8家；隨著真皮整治加強，以及超纖技術的不斷進步與成熟，2010-2011年又形成了超纖的第2波投資潮，新增企業(yè)近10家；截至2014年年中，超纖皮革產能已經從2001年最初的年產200萬m2擴展到1億m2，15年增長了50倍，年復合增長率達到100%以上?？梢姵w皮革是朝陽產品，未來發(fā)展依然值得期待，目前仍以2位數的增長速度遞增。

然而，由于技術的成熟以及新廠家的加入，新老工廠沒有更好地進行深入研發(fā)，絕大部分工廠都在做低水平的重復擴張，使產品毛利率急劇下降。尤其有幾家超纖企業(yè)上市后，動輒開足生產線擴大產能，更加劇了競爭態(tài)勢，使得超纖產品毛利率從最初的60%降低到目前的10%～15%。這些上市后的企業(yè)沒有進行大量的新品研發(fā)，只注重短期效益的低水平擴張，導致了工廠銷售量大幅的增加、企業(yè)利潤反而下降的不好局面。2014年初，各公司發(fā)現(xiàn)了這個弊端，也正在逐漸開始進行新品種研發(fā)，尤其以仿真皮作為研發(fā)的主要方向，因為超纖皮革的發(fā)展就是以替代真皮為最終目的。

近年來，科研院所和大學一直沒有停止過對超纖功能性皮革的研發(fā)，陜西科技大學、東華大學、北京服裝學院、四川大學等都在這方面進行了嘗試。隨著國外進行3D打印真皮試驗的成功，國內在近期內也會加快這方面的研究，目前3D超纖制造座椅已經產業(yè)化。生態(tài)超纖皮革的應用也已經逐步展開，在沙發(fā)家具及汽車內飾后市場等方面也非常成熟，已經得到了普遍應用；尤其水性生態(tài)超纖材料、無溶劑超纖材料已經通過中試驗證，工業(yè)化生產指日可待。

在蛋白皮的研發(fā)原理上，國內多采用在基材、面層或綜合添加蛋白質成分的方法，還有采用與真皮蛋白纖維混合針刺、水刺或機織復合加入等多種工藝方法。未來隨著技術的逐漸成熟，蛋白皮定能更進一步推廣應用。

四、結語

隨著我國環(huán)保政策的收緊，真皮的生產成本會逐漸增加，不具備環(huán)保條件的工廠會相繼關停并轉，而生態(tài)超纖皮的的市場空間將會進一步打開。尤其是蛋白皮、3D打印皮、3D生態(tài)超纖皮革、納米皮革的發(fā)展空間將更加廣闊。相信在不遠的將來，在人們健康得到有效保證的前提下，真皮飾品將逐漸被完全替代。