生物技術(shù)與服用新材料研發(fā)

馮憲

（上海市服裝研究所，上海 200336）

生物技術(shù)與服用新材料研發(fā)

馮憲

（上海市服裝研究所，上海 200336）

在紡織服裝產(chǎn)業(yè)，利用仿生技術(shù)不斷提高服用材料性能，可以生成智能、功能性和超能型三大類材料；而現(xiàn)代生物質(zhì)開發(fā)可以生成再生性強(qiáng)和再利用性兩大類材料，有利于研發(fā)出更多具有新功能、新創(chuàng)意的服用材料，并通過推廣應(yīng)用更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、滿足人民提高生活質(zhì)量和美化生活的需求。

生物技術(shù)；服用材料；創(chuàng)新研發(fā)

以生物學(xué)為理論基礎(chǔ)和研究依據(jù)的生物技術(shù)是一門既古老又新興的綜合性學(xué)科。它以生命科學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合運(yùn)用其他基礎(chǔ)科學(xué)的原理，采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段，研究生物生存生長方式，并利用微生物、動(dòng)植物體，按照預(yù)先設(shè)計(jì)對相關(guān)物質(zhì)或原料進(jìn)行改造加工，為人類創(chuàng)造出適應(yīng)環(huán)境變化、社會(huì)發(fā)展所需要的新產(chǎn)品，或?qū)崿F(xiàn)某種針對性強(qiáng)的研發(fā)目標(biāo)。生物技術(shù)研究運(yùn)用的途徑主要包括釀造技術(shù)、發(fā)酵技術(shù)和現(xiàn)代生物技術(shù)。現(xiàn)代生物技術(shù)以仿生工程、基因工程、細(xì)胞工程、酶工程為代表，它和古代利用微生物的釀造技術(shù)和近代的發(fā)酵技術(shù)既有發(fā)展中的聯(lián)系，又有質(zhì)的區(qū)別。古代的釀造技術(shù)和近代的發(fā)酵技術(shù)只是利用現(xiàn)有的生物或生物機(jī)能為人類服務(wù)，而現(xiàn)代的生物技術(shù)則是按照人們的意愿和需要，創(chuàng)造全新的物質(zhì)類型和機(jī)能，或者改進(jìn)現(xiàn)有的生物類型和生物機(jī)能，包括改造人類自身，從而造福于人類。

進(jìn)入21世紀(jì)后，世界生物技術(shù)研究與運(yùn)用呈現(xiàn)出勃發(fā)之勢，對于相關(guān)行業(yè)新材料研發(fā)和可持續(xù)發(fā)展起到拓展性作用，紡織服裝產(chǎn)業(yè)也不例外。

1 生物技術(shù)在紡織服裝行業(yè)的衍進(jìn)

生物技術(shù)在紡織服裝行業(yè)的衍進(jìn)可用圖1表現(xiàn)出來。

所謂仿生技術(shù)是指利用仿生學(xué)原理，通過了解生物的結(jié)構(gòu)和功能，效仿生物特殊本領(lǐng)與功能，而設(shè)計(jì)研發(fā)出新材料，能解決人類現(xiàn)實(shí)生活中碰到的難題或推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，不斷提高生活質(zhì)量。仿生學(xué)是在上個(gè)世紀(jì)中期才出現(xiàn)的一門新的邊緣科學(xué)?！胺律币辉~是由美國科學(xué)家JE 斯蒂爾于1960年

發(fā)明的，他將拉丁文bios（意思是“生命方式”）和nlc（詞尾，意思是“具有……的性質(zhì)”）組合在一起，成為一個(gè)新詞。在紡織行業(yè)，仿生技術(shù)運(yùn)用可以生成智能、功能性和超能型3大類材料。

圖1 生物技術(shù)在紡織服裝行業(yè)的衍進(jìn)

所謂生物質(zhì)材料是針對煤炭、礦石、石油等化石類資源而言的。全世界現(xiàn)有化石資源貯備有限，且再生性差，總有一天會(huì)枯竭。因此，自然界中可再生的生物物質(zhì)又重新被人所重視。在自然環(huán)境中，一些動(dòng)植物的派生物質(zhì)或廢棄物質(zhì)，乃至某些微生物都是生物質(zhì)材料的來源。利用生物技術(shù)可以將一些廢棄或殘留的生物質(zhì)進(jìn)行分解、改性、改形，再經(jīng)過加工形成另一類新型的實(shí)用性強(qiáng)、能滿足人類生活需求的材料。生物質(zhì)材料有傳統(tǒng)和現(xiàn)代之分，在紡織行業(yè)，應(yīng)該說棉、麻、絲、毛類纖維屬于傳統(tǒng)的生物質(zhì)材料，而牛奶、大豆、玉米、萊賽爾、莫代爾、竹乃至甲殼素等新近研發(fā)的纖維則應(yīng)歸入現(xiàn)代新型生物質(zhì)材料范疇中。在紡織行業(yè)，現(xiàn)代生物質(zhì)開發(fā)可以生成再生性強(qiáng)和再利用性兩大類材料。

隨著社會(huì)、生產(chǎn)需要和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從20世紀(jì)50年代以來，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到生物系統(tǒng)是開辟新技術(shù)、新材料的主要途徑之一，并自覺地把生物界作為各種技術(shù)思想、設(shè)計(jì)原理和創(chuàng)造發(fā)明的源泉。人們運(yùn)用化學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)以及建立技術(shù)模型等方式對生物系統(tǒng)開展深入的研究，并通過生物學(xué)家和工程師們積極合作，努力將從生物界獲得的知識(shí)用來改善原有的或創(chuàng)造新的材料或工程技術(shù)、設(shè)備。短短幾十年，研究成果已經(jīng)非常可觀。生物技術(shù)向縱深發(fā)展開辟了獨(dú)特的途徑，也就是向生物界索取創(chuàng)新思路和創(chuàng)新手段，大大開闊了人們利用自然物質(zhì)的眼界，顯示了極強(qiáng)的生命力。

2 仿生技術(shù)與服用新材料研發(fā)

當(dāng)前仿生技術(shù)的運(yùn)用已在紡織服裝領(lǐng)域取得了初步成果，有效地?cái)U(kuò)展了服用材料的功能。譬如：受到植物果實(shí)——松果的啟發(fā)，英國倫敦藝術(shù)大學(xué)時(shí)裝學(xué)院與巴斯大學(xué)的研究員研制出一種具有排濕調(diào)溫功能的智能衣服面料，這種仿松果衣料取材于羊毛，并分為兩層結(jié)構(gòu)，表面為尖狀吸水層，尖條之間相隔只有二百分之一毫米，根據(jù)人體微環(huán)境的細(xì)微變化，這種尖狀物會(huì)像松果鱗葉一樣自動(dòng)開合。當(dāng)穿著者體溫升高和排汗增加時(shí)，感應(yīng)到水氣的尖狀物會(huì)自動(dòng)打開透氣，容許外面的空氣進(jìn)入降溫；而當(dāng)穿著者停止流汗后，服裝內(nèi)外部溫度和濕度平衡后，尖狀物便會(huì)閉合，阻止空氣進(jìn)入。這種仿生服用面料大大增加了穿著舒適度。再如：通過模仿會(huì)改變皮膚顏色的南美蜥蜴，美國康涅狄格大學(xué)副教授雷格?佐青發(fā)明了一種會(huì)根據(jù)環(huán)境條件變化色彩的服用面料，這種面料采用“電致變聚合物”的纖維織成，其化學(xué)鍵中的電子可以吸收不同可見波長的光線，并可以依據(jù)所施加的電場改變顏色。用這種布料制成的服裝，不僅具有一定隱身功能，還可以根據(jù)穿著者的心情用微型控制器來調(diào)控服裝的顏色，增加穿著的愉悅感。

圖2 仿荷葉表面結(jié)構(gòu)的拒水、防污面料

另外，紡織科技工作者從荷花葉子“出淤泥而不染”的特點(diǎn)受到啟發(fā)，研發(fā)出“拒水自潔式”服用面料。他們利用納米材料和技術(shù)進(jìn)行處理，令布料表面產(chǎn)生一種類似荷花葉子表面所具有的“拒水、抗污染”的細(xì)微矗立的絨毛結(jié)構(gòu)，可以有效地防止水滴、污物粘附，從而達(dá)到“干爽、自潔”功能，減少服裝洗滌保養(yǎng)次數(shù)，有利于節(jié)約資源和環(huán)境保護(hù)，成為易護(hù)理功能型面料的代表。紡織科技工作者還通過分析蜘蛛吐絲成分，研制出強(qiáng)度超高的“蛛絲”纖維，用這種纖維織成布料，既輕盈又堅(jiān)韌，是很好的防彈衣面料，也成為超能性纖維的代表。通過研究發(fā)現(xiàn)，北極熊的毛呈中空管狀，能夠吸收陽光，而皮膚則有具有一層積蓄貯藏?zé)崃康奈镔|(zhì)，由此產(chǎn)生的“吸熱、貯熱”功效，大大增強(qiáng)了北極熊的自身保

暖功能，于是紡織科技工作者根據(jù)仿生學(xué)原理，研發(fā)了一種類似北極熊皮毛的“蓄熱型”保暖服用面料，大大提高冬季服裝持續(xù)保暖的功能。

上述介紹的一些事例表明，利用仿生技術(shù)不斷提高服用材料性能，積極擴(kuò)展?jié)M足人類穿著使用需求的功能，在紡織服裝行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)方面是大有可為的。

圖3 設(shè)計(jì)靈感來自飛鼠的滑翔翼服裝

3 生物質(zhì)技術(shù)與服用新材料研發(fā)

在再生性強(qiáng)方面，或許竹纖維及面料最具代表性。研究結(jié)果表明，竹子是地球上生長速度最快的植物，生長過程中不需化肥和農(nóng)藥，耗水量也不多，可以防止水土流失，并且能夠抵抗洪水和干旱。在相同空間內(nèi)，竹子能比普通樹木、植物多制造30%的氧氣，因而有助于減緩全球氣候變暖。因此，竹纖維是一種更為“低碳”紡織原材料。竹纖維具有良好的透氣性、瞬間吸水性、較強(qiáng)的耐磨性和良好的染色性等特性，同時(shí)又具有天然抗菌、抑菌、除螨、防臭和抗紫外線等功能，經(jīng)過適當(dāng)?shù)募庸ぬ幚?，竹纖維比棉纖維更柔軟，與真絲和羊絨的質(zhì)地相似。專家指出，竹纖維是一種真正意義上的天然再生性強(qiáng)的綠色纖維，目前已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)研發(fā)、推廣。竹纖維的形成有兩種途徑：一種是“竹原纖維”，它是采用物理、化學(xué)相結(jié)合的方法制取。制取過程為：竹材→制竹片→蒸竹片→壓碎分解→生物酶脫膠→梳理纖維→紡織用纖維；另一種是“竹粘膠纖維”，它包括竹漿纖維和竹炭纖維兩類。竹漿纖維是將竹片打成漿，然后將漿制成漿粕，再通過濕法紡絲制成，其制作加工過程基本與其他粘膠相似，但采用這種方法加工，竹子的天然特性會(huì)遭到破壞，纖維的除臭、抗菌、防紫外線功能明顯下降。竹炭纖維是選用納米級竹炭微粉，經(jīng)過特殊工藝加入粘膠紡絲液中，再經(jīng)過近似于常規(guī)紡絲工藝紡出的纖維產(chǎn)品。

圖4 依次為竹原纖維、竹漿纖維、竹炭纖維

在再利用性材料方面，目前以萊賽爾纖維及面料最為突出，堪稱為21世紀(jì)的第一綠色纖維。萊賽爾（Lyocell）纖維，俗稱“天絲”，它以針葉樹種的樹皮為原料，這種天然植物在自然界中取之不盡用之不竭。生產(chǎn)過程無需進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，所用溶劑無毒，且回收率高達(dá)99.7%，節(jié)能、環(huán)保，且可循環(huán)利用。作為一種全新的紡織服裝面料，萊賽爾纖維于20世紀(jì)90年代中期在歐洲問世，被譽(yù)為近半個(gè)世紀(jì)以來人造纖維史上最具價(jià)值的產(chǎn)品。它不僅具有天然纖維棉花所具有的舒適性、手感好、易染色等特點(diǎn)，還同時(shí)具有滌綸的“強(qiáng)度”、毛織物的“豪華美感”和真絲獨(dú)特的“滑爽觸感”及“柔軟垂墜”等特點(diǎn)。無論在干或濕的狀態(tài)下，萊賽爾纖維均極具韌性，在濕的狀態(tài)下，它是第一種濕強(qiáng)力遠(yuǎn)勝于棉纖維的纖維素纖維。另外，由于萊賽爾纖維采用百分之百純天然原料，加上助劑可回收式環(huán)保、清潔的制造流程，形成了傳統(tǒng)粘膠纖維生產(chǎn)所不具備的環(huán)保優(yōu)點(diǎn)，讓人們的穿衣方式更加體現(xiàn)保護(hù)自然環(huán)境和以自身健康安全為本，完全符合現(xiàn)代綠色環(huán)保消費(fèi)需求。萊賽爾纖維的另一大特點(diǎn)是可以純紡，也可與棉、毛、絲、麻、化纖、羊絨等其他纖維混紡交織，適用于各類紡織機(jī)織、針織紗線與織物的研發(fā)。此外，利用生物

技術(shù)，從類似于蝦蟹外殼、麥秸稈、香蕉皮、咖啡渣等各種生物廢棄物中提取紡織纖維和材料，也屬于再利用性材料開發(fā)范疇。

4 生物技術(shù)未來在紡織行業(yè)中的研究應(yīng)用

2013年9月12日，美國國會(huì)圖書館舉辦了一次有關(guān)如何確保人類文明持久性的研討會(huì)。在這次會(huì)議上，數(shù)位美國國內(nèi)頂尖學(xué)者和未來學(xué)家預(yù)言了未來世紀(jì)可能出現(xiàn)的五大科學(xué)幻想，其中就包括仿生世界——生物學(xué)進(jìn)一步復(fù)興。從紡織服裝行業(yè)自身的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新需要出發(fā)，我們應(yīng)當(dāng)對此加以關(guān)注，因?yàn)榉脚d未艾的生物技術(shù)可能會(huì)對行業(yè)今后技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展有密切的關(guān)聯(lián)。

未來，生物化學(xué)品及生物質(zhì)紡織品應(yīng)當(dāng)成為紡織服裝行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新應(yīng)用研究發(fā)展的方向和重要內(nèi)容。所謂生物化學(xué)品是指依靠生物物質(zhì)，采用物理及化學(xué)方式演化而成的環(huán)境友好、無害及可持續(xù)發(fā)展的化工產(chǎn)品，在紡織服裝生產(chǎn)領(lǐng)域多用于印染、整理和深加工方面；而生物質(zhì)紡織品則是指通過采用動(dòng)植物再生強(qiáng)特點(diǎn)或廢棄物質(zhì)乃至有益菌種研發(fā)的綠色紡織品。它們均在安全、環(huán)境友好及可持續(xù)發(fā)展方面具有比較突出的優(yōu)勢。

圖5 顯微鏡下萊賽爾纖維的橫截面和縱截面圖

圖6 英國科學(xué)家發(fā)明的新生物質(zhì)服裝（面料系用茶葉水+微生物生成）

無論是生物化學(xué)品，還是生物紡織品的研發(fā)，都離不開生物技術(shù)運(yùn)用。因?yàn)槿绻脛?dòng)植物，乃至微生物等各種生物物質(zhì)，就必須了解其生存條件需求，認(rèn)識(shí)其生長、運(yùn)動(dòng)規(guī)律，掌握其構(gòu)造、特點(diǎn)，尋求其可利用的長處，以及培育、加工、處理的可行性方式與手段。所以，生物技術(shù)在生物化學(xué)品及生物質(zhì)紡織品的研發(fā)和成果化推進(jìn)過程中，將是必不可少的，具有重要應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)，需要認(rèn)真把握。毫不夸張地說，生物技術(shù)在紡織服裝行業(yè)的推廣運(yùn)用，關(guān)乎到整個(gè)行業(yè)的綠色、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展，其重點(diǎn)研究方向已經(jīng)成為世界性紡織科技的前沿問題。

5 結(jié)語

綜上所述，服用新材料多樣化的開發(fā)，主要還是依賴于科技進(jìn)步與創(chuàng)新，而注重類似仿生學(xué)、生物質(zhì)技術(shù)等前沿科技研發(fā)方式，就能夠激發(fā)創(chuàng)新思維，增添創(chuàng)新手段，爭取研發(fā)出更多新功能、新創(chuàng)意的服用材料，并通過推廣應(yīng)用，更好地滿足人民提高生活質(zhì)量和美化生活的需求。

在利用生物技術(shù)方面，紡織服裝行業(yè)已經(jīng)有所收獲，未來還須不斷探索和深入研究。要通過把握“生物技術(shù)運(yùn)用普及”的發(fā)展趨勢，重視基礎(chǔ)性研究，重視民用推廣，要加強(qiáng)與生命科學(xué)、計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、信息工程以及物理、化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科的聯(lián)手，并注重產(chǎn)學(xué)研用等方面的交流與溝通。以此而論，紡織服裝行業(yè)在繼續(xù)利用生物技術(shù)方面，一定還會(huì)有新的更大的突破。

[1]湯璐，薛永萍，蔡萌.生物技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展[J].合作經(jīng)濟(jì)與科技，2009（2）.

[2]趙永霞.陳余.生物技術(shù)在紡織行業(yè)中的應(yīng)用[J].紡織導(dǎo)報(bào)，2011（11）.

[3]馮憲.仿生學(xué)與服用面料的功能拓展[C].上海紡織工程學(xué)會(huì)服裝專委會(huì)技術(shù)交流會(huì)，2014.

（責(zé)任編輯：田犇）

The Research and Development of Biotechnology and New Clothing Materials

FENG Xian
(Shanghai Clothing Institute,Shanghai 200336,China)

TS102

B

1674-2346（2015）02-0010-05

2015－02－03

馮憲，男，高級工程師。研究方向：紡織材料

10.3969/j.issn.1674-2346.2015.02.003