可降解纖維材料及其應(yīng)用的研究進(jìn)展

孫詩(shī)錦 于金超 周文龍 彭明超 李 剛

1. 蘇州大學(xué)a.紡織與服裝工程學(xué)院,b.現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,江蘇 蘇州 215123;2. 江蘇恒科新材料有限公司,江蘇 南通 226361;3. 吳江佳力高纖有限公司,江蘇 蘇州 215228

為應(yīng)對(duì)環(huán)境與資源的危機(jī),綠色環(huán)保的可再生資源成為科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。目前,紡織品種類(lèi)繁多且數(shù)量龐大,其中不可降解的纖維材料應(yīng)用廣泛,部分原料還無(wú)法使用可降解纖維替代,這給自然環(huán)境帶來(lái)了很大的壓力。我國(guó)作為紡織大國(guó),廢舊紡織品的再利用率當(dāng)前僅為15%,其中大量廢舊紡織品通過(guò)焚燒處理,這在浪費(fèi)了資源的同時(shí)也污染了環(huán)境[1]?？山到饫w維不僅對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的壓力較小,而且可通過(guò)各種方式降解,可用于服裝、家紡以及生物醫(yī)用等領(lǐng)域[2]。研發(fā)可降解纖維符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的需要,因此,無(wú)論是從政策還是從商業(yè)價(jià)值的角度考慮,開(kāi)發(fā)可降解纖維并實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化,都是我國(guó)實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展的需求所在。本文總結(jié)國(guó)內(nèi)外可降解纖維的降解方式與表征方法,分類(lèi),以及其應(yīng)用,探討可降解纖維今后的發(fā)展方向。

1 降解方式與表征方法

一般而言,纖維的降解方式主要包括生物降解、熱降解、光降解、水解、機(jī)械降解和氧化降解等6種[3]。圖1為可降解纖維的降解示意。

圖1 可降解纖維的降解示意

(1)生物降解。其是通過(guò)細(xì)菌或其他生物將纖維材料降解為二氧化碳、水、甲烷等無(wú)害小分子的。材料生物降解性能的測(cè)試方法主要有土壤掩埋法、好氧堆肥法和活性污泥法等。

土壤掩埋法可根據(jù)GB/T 33616—2017進(jìn)行,并利用試樣降解產(chǎn)生的無(wú)機(jī)碳總質(zhì)量占試樣質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)與試樣中有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比,表征試樣的生物降解率,評(píng)價(jià)其生物降解性能。若纖維材料在90 d的測(cè)試時(shí)間內(nèi)生物降解率超過(guò)60%,則認(rèn)為該材料可生物降解。如Zamir等[4]采用土壤掩埋法,將樣品掩埋在溫度為20～25 ℃、相對(duì)濕度為70%～80%的室外土壤環(huán)境中,一段時(shí)間后取出,用蒸餾水洗滌并在烘箱中以恒定溫度烘干,研究并分析了樣品的生物降解率。

好氧堆肥法可按照GB/T 19277—2003進(jìn)行,其以材料在堆肥容器中實(shí)際釋放的二氧化碳質(zhì)量與該材料產(chǎn)生的二氧化碳理論釋放量之比,表征材料的生物降解率。若材料45 d后的生物降解率超過(guò)70%,則認(rèn)為該材料可生物降解。如Patnaik等[5]使用好氧堆肥法,先將樣品和肥料以1∶6 的質(zhì)量比混合并儲(chǔ)存在玻璃容器中,再將玻璃容器放置在58 ℃的更大的玻璃容器中,利用氫氧化鉀捕獲降解過(guò)程排放的二氧化碳,計(jì)算得到生物降解率,表征樣品的生物降解性能。此外,還可按照GB/T 19811—2005,利用材料的質(zhì)量損失率,即材料從試驗(yàn)開(kāi)始到結(jié)束時(shí)干態(tài)質(zhì)量的減少量與試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的干態(tài)質(zhì)量之比,評(píng)價(jià)材料的降解程度。

活性污泥法是用富含微生物的活性污泥來(lái)進(jìn)行生物降解性能測(cè)試的?？筛鶕?jù)GB/T 19276.1—2003,測(cè)定降解過(guò)程中的耗氧量,利用材料的生化需氧量與理論需氧量之比表征材料的生物降解性。當(dāng)活性污泥法測(cè)得材料的生物降解率超過(guò)60% 時(shí),認(rèn)為該材料可生物降解。如景全榮等[6]將50 g聚丙烯(PP)纖維與150 g活性污泥混合并置于一定溫度的培養(yǎng)箱中,再取相同質(zhì)量的活性污泥作為對(duì)照組,計(jì)算得到了PP纖維的生物降解率。

(2)熱降解。其是指紡織品在高溫環(huán)境中,大分子發(fā)生斷裂的一種降解方式。氣氛與催化劑可用來(lái)干預(yù)材料的熱降解過(guò)程,但熱降解無(wú)法使大分子分解為小分子。若沒(méi)有微生物的介入,纖維僅憑熱降解還是會(huì)污染環(huán)境。此外,熱降解需要在高溫環(huán)境中進(jìn)行,能耗較大,這不利于環(huán)境保護(hù)。Lin等[7]將聚乳酸(PLA)樣品分別置于180、190、200、210、220 ℃的樣品池中90 min,然后對(duì)樣品進(jìn)行拉曼光譜分析、動(dòng)力學(xué)分析及流變學(xué)分析,探究了溫度對(duì)PLA樣品熱降解速率的影響。

(3)光降解。當(dāng)纖維的結(jié)構(gòu)中含有光敏基團(tuán)時(shí),纖維會(huì)在光的作用下分解為碳原子較少的同系物。與熱降解一樣,光降解也難以使纖維的大分子分解為小分子,故纖維對(duì)環(huán)境的污染也無(wú)法避免[8]。Nakatani等[9]對(duì)PP膜進(jìn)行了光降解試驗(yàn),即將5 mg的PP膜置于盛有200 mL蒸餾水的燒杯中,利用磁力攪拌器攪拌,并使用25 W的發(fā)光二極管作為可見(jiàn)光源置于距樣品30 cm處,然后對(duì)降解了144 h和288 h的PP膜進(jìn)行質(zhì)量損失率、表面形態(tài)和熱力學(xué)性能的表征,綜合分析了PP膜的降解程度。

(4)水解。其是指纖維中較脆弱的分子鏈在水的作用下發(fā)生斷裂,形成更短的分子鏈,得到低聚物和單體的一種降解方式。水解過(guò)程會(huì)伴隨著物理和化學(xué)的變化,降解時(shí)間取決于化學(xué)鍵的性質(zhì)。Limsukon等[10]將PLA材料裁剪成直徑為2 cm的圓形,并將其存儲(chǔ)于35 mL的小瓶中,通過(guò)定期分析其水解過(guò)程中的結(jié)晶度,表征PLA的降解性能。

(5)機(jī)械降解。即簡(jiǎn)單地通過(guò)機(jī)械外力使纖維磨損、破裂,從而使分子鏈斷裂的一種降解方式。

(6)氧化降解。指纖維在大氣環(huán)境中或炎癥反應(yīng)中因吸收氧氣而發(fā)生的一種降解方式。環(huán)境、抗氧化劑及纖維的物理與化學(xué)性能等因素都會(huì)影響纖維的氧化降解過(guò)程。如Brugmans等[11]使用過(guò)氧化氫與氯化鈷溶液加速了高相對(duì)分子質(zhì)量聚己內(nèi)酯(PCL)支架的氧化降解。

目前,生物降解是最合理的降解方式;光降解、熱降解都無(wú)法使大分子分解為小分子,降解產(chǎn)物仍會(huì)污染環(huán)境;水解可與生物降解協(xié)同,對(duì)生物降解起促進(jìn)作用;機(jī)械降解只是利用機(jī)械外力使材料破裂分解,達(dá)不到生物降解的效果;氧化降解需要在光或熱的催化作用及強(qiáng)氧化劑的條件下進(jìn)行。

總之,未來(lái)有關(guān)纖維光降解和熱降解的研究可聚焦在如何使纖維降解徹底,從而減少降解不徹底對(duì)環(huán)境污染等方面。此外,還可關(guān)注生物降解與水降解的結(jié)合,達(dá)到加速降解的效果。

2 可降解纖維的分類(lèi)

常見(jiàn)的可降解纖維包括天然纖維、再生纖維和合成纖維。表1總結(jié)了部分可降解纖維的降解方式、降解產(chǎn)物及纖維的優(yōu)缺點(diǎn)[12-15]。

表1 部分可降解纖維的降解方式、降解產(chǎn)物及纖維的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 天然纖維

通常,天然纖維(如棉、毛、絲、麻等)比傳統(tǒng)的合成纖維更容易降解。下文將介紹2種易降解的天然纖維。

2.1.1 牛角瓜纖維

牛角瓜在國(guó)內(nèi)主要分布于四川、云南、廣東、廣西等地。牛角瓜纖維是從牛角瓜果實(shí)中獲得的,也被稱為水晶棉。牛角瓜纖維的主要成分為纖維素,其輕質(zhì)柔軟如羊絨,光澤亮白如蠶絲,高中空度還賦予其纖維制品保暖、隔聲,以及導(dǎo)濕、透氣性好等特性。此外,牛角瓜纖維在250 ℃開(kāi)始熱降解。Zhang等[16]以石墨烯改性的牛角瓜纖維為原料,開(kāi)發(fā)了一種靈敏度可調(diào)節(jié)的透氣應(yīng)變傳感器,研究發(fā)現(xiàn)該傳感器在溫度和濕度變化的情況下仍能保持傳感穩(wěn)定性,適用于監(jiān)測(cè)各種身體動(dòng)作與生命體征。此外,他們還研發(fā)了一種適合量產(chǎn)的高導(dǎo)電牛角瓜紗線[17]。

2.1.2 蠶絲

蠶絲是蠶分泌的黏液凝固所形成的纖維,主要成分為蛋白質(zhì)。由于蠶絲在體內(nèi)外環(huán)境中均可以實(shí)現(xiàn)可控降解,且降解產(chǎn)物能被有機(jī)體吸收或排出體外,所以蠶絲在生物醫(yī)用領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價(jià)值。Wang等[18]以蠶絲為原料研發(fā)了一種具有抗菌抗炎功能的縫合線,研究發(fā)現(xiàn)這種縫合線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、生物相容性良好,并具有持續(xù)的抗菌抗炎功能,在外科領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。Zhao等[19]用絲素蛋白包覆殼聚糖分子和納米銀顆粒形成微球,并將微球搭載至牛角瓜纖維與棉纖維混紡的織物上,研究發(fā)現(xiàn)該織物手感柔軟,吸濕性和抗皺性良好,抗菌性持久。此外,蠶絲還能用于服裝、窗簾、降落傘等產(chǎn)品中。

2.2 再生纖維

再生纖維是以纖維素或蛋白質(zhì)等天然高分子化合物為原料,經(jīng)化學(xué)加工制成高分子濃溶液后,再經(jīng)紡絲和后處理而制得的一類(lèi)紡織纖維。再生纖維一般都可自然降解,符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求,目前已得到快速發(fā)展[20]。

2.2.1 再生纖維素纖維

纖維素纖維的密度、光澤度和手感等物理性能優(yōu)異且原料豐富,故被認(rèn)為是最實(shí)用的可再生材料。再生纖維素纖維以天然纖維素為原料,僅改變其物理結(jié)構(gòu),不改變天然纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)。再生纖維素纖維可通過(guò)生物降解、水解、氧化降解、機(jī)械降解、光降解、熱降解等多種方式降解,降解產(chǎn)物為葡萄糖、二氧化碳和水。圖2顯示了濕法紡絲法再生纖維素纖維的制備與降解。

常見(jiàn)的可降解再生纖維素纖維有Lyocell纖維、黏膠纖維及莫代爾纖維等,它們的結(jié)構(gòu)對(duì)比見(jiàn)表2。

Lyocell纖維是一種綠色環(huán)保型可再生纖維,其力學(xué)性能優(yōu)良,結(jié)晶度和取向度較高,熱穩(wěn)定性較好,一直以來(lái)深受科研人員的青睞。資料[21]顯示,Lyocell纖維于20世紀(jì)80年代就已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。阿爾托大學(xué)評(píng)估了回收的纖維素材料的利用率,發(fā)現(xiàn)只要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)念A(yù)處理,回收的廢料可轉(zhuǎn)化為紡織用纖維[22]。然而,Lyocell纖維的紡紗過(guò)程中需用到高純度的紙漿,這不利于Lyocell纖維的產(chǎn)業(yè)化。Jadhav等[23]通過(guò)對(duì)漿料進(jìn)行預(yù)處理,改良了Lyocell纖維的紡紗工藝,并利用低純度的紙漿制造出了Lyocell纖維紗線。該工藝與傳統(tǒng)工藝相比,原材料成本降低了7%～8%,且加工更容易。此外,Lyocell纖維不僅可以生物降解,還可以熱降解,Carrillo等[24]發(fā)現(xiàn)Lyocell纖維在空氣中的熱降解過(guò)程與纖維素類(lèi)似,在250～400 ℃發(fā)生分解與燃燒。

黏膠纖維在我國(guó)產(chǎn)量很高,它是以天然纖維為原料,經(jīng)濕法紡絲工藝制成的。黏膠纖維的發(fā)明早于Lyocell纖維,前者于20世紀(jì)初就已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。2016年,黏膠纖維全球產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到530萬(wàn)t[25],且大概率仍將持續(xù)上升。但黏膠纖維紡絲過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生劇毒的副產(chǎn)物,對(duì)環(huán)境影響巨大,這會(huì)阻礙黏膠纖維的發(fā)展,故目前常用Lyocell纖維代替黏膠纖維。Ye等[26]以黏膠長(zhǎng)絲、黏膠短纖、灰塵、油脂組成的黏膠紡織廢液為原料,制備了含有羧基的球形纖維素納米晶體,從而減少黏膠紡織廢液對(duì)環(huán)境的污染。

莫代爾纖維以歐洲的櫸木為原料,經(jīng)特殊紡絲工藝制成,其整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生任何污染,且纖維使用后可以自然降解。莫代爾纖維力學(xué)性能優(yōu)良、吸濕性好,并具有良好的形態(tài)和尺寸穩(wěn)定性。該纖維最早由奧地利Lenzing公司開(kāi)發(fā)[27],目前已成為常見(jiàn)的內(nèi)衣及貼身服裝用纖維之一。

2.2.2 再生蛋白質(zhì)纖維

再生蛋白質(zhì)纖維以酪素、大豆、花生、牛奶、膠原等天然蛋白質(zhì)為原料,經(jīng)紡絲工藝加工而成。其已于20世紀(jì)30～50年代開(kāi)始了商業(yè)化生產(chǎn),是一種可再生的生物降解型環(huán)保纖維[28]。再生蛋白質(zhì)纖維可通過(guò)生物降解、光降解、氧化降解等多種方式降解,降解產(chǎn)物為氨基酸、氮等小分子物質(zhì)。因?yàn)樵偕鞍踪|(zhì)纖維中蛋白質(zhì)大分子間存在氫鍵,所以當(dāng)濕度較高時(shí),再生蛋白質(zhì)纖維的力學(xué)性能會(huì)變差,加之再生蛋白質(zhì)纖維生產(chǎn)成本較合成纖維的高,這導(dǎo)致再生蛋白質(zhì)纖維在20世紀(jì)50年代末停止了大規(guī)模生產(chǎn)。目前,一般通過(guò)將提純的蛋白與高分子溶液進(jìn)行混合紡絲,以提高纖維的穩(wěn)定性,滿足實(shí)際應(yīng)用的需要[29]。再生蛋白質(zhì)纖維雖然在主流紡織品市場(chǎng)中不占據(jù)優(yōu)勢(shì),但研究人員發(fā)現(xiàn)其在醫(yī)用紡織品領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力[30]。目前最常用的再生蛋白質(zhì)纖維為大豆蛋白纖維和牛奶蛋白纖維。再生蛋白質(zhì)纖維的制備示意見(jiàn)圖3。

圖3 再生蛋白質(zhì)纖維的制備

大豆蛋白纖維以從食品級(jí)大豆蛋白粉中提取的球蛋白為原料,通過(guò)添加助劑并與高聚物接枝、共聚、共混等制成蛋白質(zhì)紡絲液后,再通過(guò)濕法紡絲工藝制成。大豆是世界上產(chǎn)量最高的作物之一,豐富的原料來(lái)源促進(jìn)了大豆蛋白纖維的研發(fā)和制造。我國(guó)于20世紀(jì)末開(kāi)始研發(fā)大豆蛋白纖維,并于2000年3月正式投產(chǎn)[31]。大豆蛋白根據(jù)蛋白質(zhì)含量的不同可分為脫脂大豆蛋白、濃縮大豆蛋白和分離大豆蛋白3種,且用它們各自制備的大豆蛋白纖維都可生物降解[32]。Wang等[33]在不使用人工合成交聯(lián)劑的前提下,通過(guò)氧化纖維素中的羧基和大豆蛋白中的氨基,制備了一種適用于固定藥物的醫(yī)用紡織品——活性大豆蛋白交聯(lián)棉織物。

牛奶蛋白纖維以從牛乳中提純的乳酪蛋白為原料,經(jīng)與聚丙烯腈進(jìn)行共混、交聯(lián)、接枝制備成紡絲原液后,通過(guò)濕法紡絲工藝制成。由于一些牛奶中存在抗生素等藥物殘留,不能作為食品飲用,且這種牛奶的量巨大,丟棄會(huì)造成大量的浪費(fèi)。因此,有學(xué)者以這種牛奶為原料開(kāi)發(fā)了其他產(chǎn)品,如牛奶蛋白纖維等。早在20世紀(jì)30年代,英國(guó)和意大利就已開(kāi)始研發(fā)牛奶蛋白纖維,我國(guó)直到20世紀(jì)90年代才成功研制出牛奶蛋白纖維。Flores-Nieves等[34]以廢牛奶為原料,利用靜電紡絲法制備了一種具有抗菌性能的牛奶蛋白纖維;Belkhir等[35]將聚丙烯與牛奶中提取的酪蛋白共混制備長(zhǎng)絲,并研制得到了抗菌紡織品。這些都展示了牛奶蛋白纖維在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用潛力,今后還可以考慮利用牛奶蛋白纖維制造繃帶紗布等醫(yī)用紡織品。

2.3 可降解合成纖維

合成纖維由高分子聚合物制成,其于20世紀(jì)50年代開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn),但大多數(shù)合成纖維都難以自然降解,大量合成纖維排入水體和土壤后會(huì)污染環(huán)境。因此,開(kāi)發(fā)具有降解功能的合成纖維十分必要。

聚酯纖維具有優(yōu)良的抗皺和保持性能,以及優(yōu)異的力學(xué)性能,是當(dāng)前合成纖維的第一大品種。聚酯早在19世紀(jì)就已被合成出來(lái),20世紀(jì)50年代美國(guó)就已實(shí)現(xiàn)了聚酯纖維的工業(yè)化生產(chǎn)。研究表明,通過(guò)物理或化學(xué)的方法從廢舊聚酯紡織品中回收的聚酯擁有和原始聚酯類(lèi)似的性能,可以再次作為紡絲原料,但回收聚酯纖維的生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的污染比直接生產(chǎn)聚酯纖維的更嚴(yán)重[36]。因此,開(kāi)發(fā)可降解聚酯纖維比回收聚酯纖維更有意義。目前,常見(jiàn)的可降解聚酯纖維主要有PLA纖維、PCL纖維和PHA纖維等。

PLA纖維以玉米、小麥、甜菜等含淀粉的農(nóng)產(chǎn)品為原料,經(jīng)發(fā)酵生成乳酸后,再經(jīng)縮聚和紡絲制成。熔融紡絲法、干法紡絲法和濕法紡絲法都可以紡制出PLA纖維,但由于熔融紡絲時(shí)可以避免使用有毒溶劑,對(duì)環(huán)境污染較小,故目前生產(chǎn)PLA纖維最常用的方法是熔融紡絲法[37]。PLA纖維的降解方式有生物降解、熱降解、水解、氧化降解等。由于乳酸是手性分子,故對(duì)應(yīng)的PLA分為左旋PLA、右旋PLA、內(nèi)旋PLA和外旋PLA等。Rodchanasuripron等[38]通過(guò)旋轉(zhuǎn)噴射紡絲法制備了一種具有疏水性的PLA纖維。

PLA纖維在微生物的作用下可自然降解,是一種符合可持續(xù)化發(fā)展的合成纖維,是未來(lái)最有可能代替聚酯的一種可降解纖維。與PP纖維的低降解速率相比,PLA纖維的生物降解性好。此外,PLA纖維還具有生物相容性,以及優(yōu)異的物理和力學(xué)性能,用途廣泛,適用于醫(yī)療、包裝及家居等領(lǐng)域。PLA纖維的降解過(guò)程是先被水解然后被微生物降解,其是一種無(wú)毒材料,可以被人體吸收[39]。

PCL纖維以ε-己內(nèi)酯經(jīng)開(kāi)環(huán)聚合生成的聚己內(nèi)酯為原料,經(jīng)紡絲工藝制得。該纖維降解方式有生物降解、熱降解、水解和氧化降解等。目前,PCL纖維產(chǎn)品集中在縫合線、繃帶等領(lǐng)域。研究表明,PCL是一種降解非常緩慢的材料,其作為醫(yī)用材料植入體內(nèi)后需2～3年才能完全降解[40]。有學(xué)者在地中海發(fā)現(xiàn)了PCL微塑料,這說(shuō)明PCL在自然環(huán)境中降解較困難[41]。Chang等[42]利用草酸與聚己內(nèi)酯制備了一種能快速降解的聚己內(nèi)酯,并用其制備載藥微球。研究發(fā)現(xiàn),用這種聚己內(nèi)酯制備的載藥微球在人體內(nèi)只需2個(gè)月就能完全降解,說(shuō)明可以通過(guò)改性來(lái)改善聚己內(nèi)酯的生物降解性能,解決聚己內(nèi)酯降解緩慢的缺陷。

PHA纖維是一類(lèi)由微生物發(fā)酵獲得的天然高分子材料,具有優(yōu)良的生物相容性,可以完全生物降解,還可以熱降解和水解,是一種綠色環(huán)保的高分子材料[43],尤其適用于醫(yī)療領(lǐng)域。但PHA纖維也存在生產(chǎn)成本高、熱穩(wěn)定性差等不足,可通過(guò)與其他高分子材料共混來(lái)改善其相關(guān)性能。

此外,可光降解纖維也是目前的一個(gè)熱門(mén)課題。例如,聚丙烯纖維就是一種可光降解纖維,它以丙烯聚合得到的常規(guī)聚丙烯為原料紡制而成。聚丙烯纖維力學(xué)性能好,質(zhì)量小,且保暖、絕緣。1957年,意大利首先實(shí)現(xiàn)了聚丙烯纖維的工業(yè)化生產(chǎn)。普通聚丙烯纖維及其織物在使用過(guò)程中因受溫度和光照的作用而發(fā)生不可控的緩慢降解,且織物碎片會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。通過(guò)添加降解助劑再經(jīng)熔噴工藝制成的聚丙烯纖維,其降解性能雖有提高,但降解過(guò)程仍較為緩慢。雖然此類(lèi)纖維可在光照作用下發(fā)生降解,但其難以徹底降解為小分子,故降解產(chǎn)物仍會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。因此,今后有關(guān)可光降解纖維的研發(fā)可聚焦于如何使纖維降解得更加徹底,以得到對(duì)環(huán)境無(wú)害的降解產(chǎn)物方面。

3 可降解纖維的應(yīng)用

可降解纖維除了應(yīng)用于紡織領(lǐng)域外,還能應(yīng)用于生物醫(yī)用領(lǐng)域以及其他工業(yè)領(lǐng)域。表3總結(jié)了可降解纖維在紡織領(lǐng)域、生物醫(yī)用領(lǐng)域及其他工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[44-49]。

表3 可降解纖維的應(yīng)用

從表3可以看出,可降解合成纖維在生物醫(yī)用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。最初,紡織品是以縫合線和繃帶的形式應(yīng)用于生物醫(yī)用領(lǐng)域的。公元前3000年,古埃及人就開(kāi)始用亞麻來(lái)縫合傷口。目前,若要將醫(yī)用紡織材料作為醫(yī)療器械應(yīng)用于臨床,須確?；颊呤褂貌牧纤@得的益處大于使用材料帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。醫(yī)用紡織材料可以分為外科用植入性紡織品、外科用非植入性紡織品、人造器官和保健衛(wèi)生產(chǎn)品4類(lèi)[50]。

(1)外科用植入性紡織品:對(duì)于縫合線、人造血管、人造支架等外科用植入性紡織品,首先必須具有優(yōu)異的生物相容性,避免被人體免疫系統(tǒng)排斥;其次還需具有多孔性,因?yàn)椴牧系目紫堵视欣诮M織的形成和被包容;最后應(yīng)具有與組織愈合速度相匹配的生物降解性,以及滿足臨床應(yīng)用需要的力學(xué)性能。目前,可降解材料應(yīng)用于外科用植入性紡織品取得了不小的進(jìn)展。Liu等[51]實(shí)現(xiàn)了可降解PLA縫合線與載藥微球的結(jié)合,其將載藥微球置于縫合線的間隙之中,不僅實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的藥物緩釋效果,而且保持了PLA縫合線的強(qiáng)度和柔韌度。該團(tuán)隊(duì)還利用碳納米管改變PLA縫合線的降解速度,證明了可降解PLA縫合線的降解速度是可控的[52]。此外,聚己內(nèi)酯、PLA等生物可降解材料也已實(shí)現(xiàn)在血管移植物領(lǐng)域的臨床應(yīng)用[53]。

(2)外科用非植入性紡織品:可降解纖維也可用于繃帶、紗布等外科用非植入性紡織品中。雖然外科用非植入性紡織品能否降解對(duì)使用效果影響不大,但開(kāi)發(fā)可降解的外科用非植入性紡織品有利于環(huán)境保護(hù),因此開(kāi)發(fā)可降解外科用非植入性紡織品的前提是建立在其使用效果與不可降解外科用非植入性紡織品幾乎一致的基礎(chǔ)上的。He等[54]使用黏膠纖維與殼聚糖纖維制備了一種可降解紗布,止血效果良好。

(3)人造器官:可降解纖維也可應(yīng)用于人工腎臟、人工心肺等人造器官中,如聚丙烯纖維可用于制造平板式人工腎的夾板。

(4)保健衛(wèi)生產(chǎn)品:就口罩、手術(shù)服等保健衛(wèi)生產(chǎn)品而言,可降解性與可回收性也非常重要,尤其是在新冠疫情的大環(huán)境下,口罩的大量使用對(duì)環(huán)境造成了極大的負(fù)擔(dān),開(kāi)發(fā)可降解、可再生的保健衛(wèi)生產(chǎn)品顯得尤為重要。Zou等[55]使用可降解的殼聚糖纖維制備了一種環(huán)保型口罩,有助于解決大量廢棄口罩對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

紡織纖維中,絕大多數(shù)化學(xué)纖維是不可降解的,但當(dāng)今化纖產(chǎn)量居高不下,因此開(kāi)發(fā)可降解纖維對(duì)于可持續(xù)發(fā)展與循環(huán)經(jīng)濟(jì)都十分重要。目前,大多數(shù)可降解纖維存在產(chǎn)量低、生產(chǎn)成本高及力學(xué)性能差等問(wèn)題,故可降解纖維仍不能完全代替不可降解纖維。未來(lái),可降解纖維的研究應(yīng)集中在優(yōu)化可降解纖維性能、降低可降解纖維生產(chǎn)成本等方面,盡早實(shí)現(xiàn)可降解纖維的產(chǎn)業(yè)化,解決資源浪費(fèi)及環(huán)境污染問(wèn)題。

此外,可降解纖維在生物醫(yī)用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,PCL、PLA、PHA等纖維都可用于研發(fā)植入性醫(yī)用紡織品,因此其降解產(chǎn)物應(yīng)無(wú)毒且對(duì)人體無(wú)害。總之,實(shí)現(xiàn)可降解纖維降解產(chǎn)物的無(wú)害化也將成為未來(lái)研究的熱點(diǎn)。