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位置：中華職工學習網 >> 職工學習中心 >> 化工產品生產人員 >> 化學纖維生產人員 >> 正文

標題：生物降解性纖維
日期：2007/6/19 源自:中華職工學習網	【字體：】

1、前言
　　生物降解性纖維是“以微生物分泌的酵素可以降解的高分子纖維”。首先，由微生物分泌的加水分解酵素切斷高分子鏈，變成低分子量化合物，被吸收到微生物體內。在微生物體內進一步由酵素作用分解成二氧化碳和水，回到自然。
　　纖維技術的開發一直以模仿絲和羊毛等天然纖維的功能性進行發展。纖維的利用也不僅是在纖維間積蓄空氣進行保暖，保護人體的衣料用途，已經以合成纖維為中心作為工業材料支撐產業。進而，中空纖維的登場，開發了人工透析，最近還被利用為放入人體的人工血管等醫療材料。隨著這些用途的開發，合成纖維強度和細度、功能性提高，正凌駕于天然纖維之上。但是，因為不具有天然纖維所具有的“回歸自然”功能，成為環境污染和廢棄物處理問題的原因。今后，采用素材原料的改性和復合化技術，一方面保持合成纖維具有的功能性，一方面進行環境負荷小的纖維材料開發的社會必要性日益增高。
　　生物降解性纖維是有效利用天然纖維或者使用具有生物降解性的高分子材料制造纖維。利用天然纖維的場合，對生物降解性復合材料的補強有效。代替以前的玻璃纖維，利用麻、洋麻、竹子等纖維素系纖維。這種復合材料得到了比使用玻璃纖維時的低密度成型物，為輕量化和低成本化作出了貢獻。由生物降解性高分子制造纖維的場合，對手術縫合線等的高度利用有效。手術縫合線利用聚乙二醇酸，在移植后約15周被分解吸收。另外，聚乳酸纖維是在衣料也繼續利用的通用材料，正期待于日益增加的多用途。如兵庫縣立工業技術中心使用聚乳酸纖維／棉＝50：50試做了紡前染色織物和服裝。今后，這些生物降解性纖維將隨著生物降解性高分子的增產和低價格化而擴展利用范圍。
　　2、生物降解性纖維的原料
　　生物降解性纖維也從石油等化石資源生產，但從循環型體系構筑的觀點看，從可再生天然資源由來生產的引人注目。近年來，由這些天然資源制造的生物降解性高分子已變成被叫做生物基礎聚合物。
　　主要生物降解性纖維的原材料如表1所示。聚乳酸（PLA）纖維以玉米等含有的淀粉為原料，作為生物基礎聚合物在汽車板材等實用化。在美國，14萬噸／年的聚乳酸制造裝置已在運行，日本國內也有1000噸／年的生產裝置在運行。聚羥基丁酸酯（PHB）是由微生物生產的高分子，PHB是微生物準備饑餓狀態，積蓄在體內的物質，是我們人們體內也存在的物質。細菌纖維素是特定的醋酸菌分泌纖維素微細原纖維的，細菌纖維素的微細網狀結構正作為醫療用分離膜在研究。微生物多糖類是微生物生產的多糖類，正在開發普魯蘭多糖和可得蘭多糖。其他，以前的天然高分子材料也具有生物降解性。纖維素是以麻、棉等天然纖維和像粘膠絲那樣的再生纖維進行利用。殼聚糖由含在蟹和蝦等甲殼和甲蟲的外皮等甲殼質生產，采用殼多糖纖維的紡絲研究和纖維素纖維的復合化，正作為抗菌材料進行實用化。絲纖維蛋白很早以來就作為絹絲使用，但人工紡絲困難。近年來采用電場紡絲法使纖維化變成可能。膠原是多含在生物體內的物質，但從其水溶液制造的膠原纖維，正作為美發材料進行實用化。
　　表1 主要生物降解性纖維的原料   由來原材料
　　天然資源聚乳酸（PLA）、聚乙二醇（PGA）、聚羥基丁酸酯（PHB）、采用生物生產細菌纖維素、微生物多糖類　殼聚糖、絲纖化蛋白、膠原
　　石油資源（聚酯系）聚丁烯琥珀酸酯（PBS）、聚丁烯琥珀酸酯／己二酸酯（PBSA）、聚己內酯（PCL）
　　石油資源（其他）聚乙烯醇（PVA）、聚酰胺、聚氨酯等
　　作為從石油資源制造的生物降解性纖維有脂肪族聚酯。聚羥基丁酸酯及其與己二酸酯的共聚物正在產品化。聚己內酯也已經在市場銷售，但因為溫度低到60℃，一般的纖維還沒有利用。但是，因為容易與其他的聚合物混合，正期待向與聚酰胺和聚氨酯等的混合體和共聚物的利用。
　　作為其他從石油資源來的生物降解性高分子材料，有聚乙烯醇（PVA）和聚酰胺、聚氨酯等。聚乙烯醇共聚物多數具有生物降解性已經明確。聚酰胺是具有酰胺鍵的高分子。聚氨基酸是聚酰胺的一種，具有高的生物降解性，但尼龍66這樣的聚酰胺為脂肪族，也是生物降解性低。另外，聚氨酯由微生物霉進行分解。其他通用高分子具有生物降解性的有聚碳酸酯和聚醚、聚丙烯酸等。
　　3、生物降解性纖維的制造
　　生物降解性纖維的重要因素是素材原料，但關于產品化，使用時的物性和生物分解速度的控制也成為重要因素。原材料的改性和混合技術、共聚物，加上最近不僅是單一素材，而且是以改變物性和纖度控制分解速度的不同材料為芯鞘結構，維持降解性和強度的復合系材料的開發也正在研究。
　　近年來，作為新的紡絲方法正在進行電場紡絲法的研究開發，日本纖維學會有“納米纖維研究會”正在積極地進行研究開發。電場紡絲法與迄今的熔融紡絲和濕法紡絲不同，是使用高電壓制造納米纖維的技術。由于使用這種方法，迄今纖維化困難的材料和立體的氈成型也變成了可能。如使用電場紡絲的膠原纖維，像蛋白質那樣的熱進行變性的材料也能夠容易地纖維化。另外，由電場紡絲法的立體成型聚己內酯纖維，如使纖維集積成指型，可以制做無縫制的立體罩型成型物（聚己內酯氈手指罩）使用這些新紡絲法制得的微細納米級生物降解性纖維正期待向醫療和護理用品、無縫制內衣等展開。
　　4、生物降解性纖維的利用
　　生物降解性纖維是在自然界生物降解而形態為纖維，正在研究活用它的利用。
　　從防止環境污染的觀點看，關于長絲考慮漁網和釣魚線；非織造布正期待醫療和護理產品等的應用。另外，生物降解性纖維的特征是這些多數在人的體內分解，利用它的藥劑放出研究也正在進行。進而，還正在研究生物降解性纖維的中空纖維機織布作為細胞培養基等醫療材料。
　　從石油由來的通用性高分子使用非石油由來的生物基礎聚合物制造生物降解性纖維進行利用，從社會需求來看是非常需要的。但是，不能認為即使大量消費這些生物降解性纖維也沒關系。雖然產品壽命長，給環境的影響也小，但大量消費，環境附加也大。因此，預測長期利用的使用長壽命的材料，對使用時間短的希望活用生物降解性材料。生物降解性高分子在垃圾袋和農業用膜、包裝劑等利用。最近，以聚合物合金化提高強度的成型物已能夠制造，使用于手機等的殼體。這些如果考慮內部儀器的部件壽命，產品壽命預測為數年左右。也有以殼體長壽命置換內部部件的考慮方法，但由于產品不同而應對困難。關于生物降解性纖維，期待從T血衫等貼身襯衣向像套裝和外套等多樣化的轉移。另外，醫療用、護理用產品，像手術衣和縫紉線樣的用即棄中心產品必須是生物降解性纖維。此外，不僅舍棄生物降解性，還要撲捉功能性，研究利用于藥劑放出。與醫療相關，正研究使含有藥品的降解性高分子在體內分解，一點兒一點兒地向患部投予藥品，作為藥品發送系統的基材利用。
　　5、實用化的課題
　　生物降解性纖維受耐熱性、物性、耐候性的改良實現高功能化，但制造工藝的節能效果提高也很有必要性。最近，安全、放心正成為關鍵詞。以農作物為原料的場合，為了提高效率，考慮利用重組遺傳因子技術，但盡管與食品沒有關系，也一定成為話題。
　　而且，關于生物降解性纖維的使用還要求確認安全性。為了普及生物降解性纖維，不只是看降解的特征，而且安全性也很重要。聚乳酸使用于飯盒用托盤和點心的包裝，作為醫療用具也有被承認的產品。在美國，由美國食品醫藥廳（US－FDA）根據注冊申請制度批準。在歐洲聯合（EU），對容器包裝承認乳酸單體，聚乳酸可以使用。進而，還實施了添加劑和分解溶出物的毒性和致癌性等試驗。這樣，只有安全性被確認了的材料進行普及。
　　生物降解性纖維為了普及還需要原材料價格便宜。現在，對于通用高分子150日元／公斤左右來講，生物降解性高分子為400～600日元／公斤，預計在2010年以前為200日元／公斤以下，價格將降低一半以上。今后如果考慮到回收再生費用，與通用高分子的價格差還將縮小。現在，回收再生的重要性很高，不僅“從‘搖籃’到‘墓場’”，而且要求考慮“從‘搖籃’到‘搖籃’”的產品開發。　　
　　6、生物降解性纖維的回收再生性
　　不限于生物降解性纖維，廢棄物都采用堆肥化或燃燒處理進行最終處理。通用高分子材料也分別進行回收，一方面進行再生，一方面作為鍋爐燃料利用。生物降解性高分子材料在堆肥化的場合，由微生物進行分解，總的來說，燃燒熱也低，也不損傷鍋爐。但是，由于回收再生可以變得生產效率好、資源消費少，也研究回收再生性。在聚乳酸的場合，考慮將聚乳酸產品進行再度溶解，重新成型的方法和完全回到聚乳酸的方法。如果回到聚乳酸，在質量方面與新產品相比也不遜色，完全可以利用。另外，在堆肥化的場合，分解成二氧化碳和水，如果植物利用它生長，則成為微觀上在自然界循環再生。
　　7、生物降解性纖維的未來
　　為了生物降解性纖維開始實用化、多用途化和需求擴大，許多研究人員在進行研究開發。今后，石油資源將枯竭已經是明確的事實，在考慮這些化石資源的節約和有效利用的基礎上，以生物基礎聚合物為主原料的生物降解性纖維的開發是重要課題。所謂生態設計就是從設計階段開始給與環境影響小的產品制造，這已經成為當然的事情，對于所使用的材料將選擇環境低負荷的生物降解性纖維。纖維一般為長度是細度的100倍以上，但成為纖維集合體就具有保暖性和緩沖性，也可以成為分離膜。進而，還進行了納米纖維化的研究，由于纖維直徑為納米級，也期待分子的物理吸附等新的功能性，可能作為各工業領域的基礎材料支撐產業。生物降解性纖維如果物性改善和能夠控制分解速度，預計將進行通用高分子的換代。據則算，生物降解性高分子材料在20年后將成為3000萬噸／年的生產規模，如果考慮日本的塑料總產量為1350萬噸／年，這是一個很大的數字。預計生物降解性纖維還將隨著聚乳酸的生產擴大，也將進一步擴大利用范圍。　　
　　8、結語
　　生物降解性纖維將根據多種技術開發和社會需求的高漲，繼續擴展實用范圍。解決各種課題，編入循環型社會體系，擴大利用量和用途。明確與非降解性纖維用途的差別化，期待構筑效率好的回收再生系統。但是，認為由于普及容易廢棄的料，即使連續不斷地廢棄也可以是錯誤的，我們消費者的意識將被追究。給產品賦予生物降解性的同時，對其包裝材料也希望同樣利用。

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