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综述玉米纤维及纺织品的生产与应用

作者:顾超英     日期:2007-5-28 10:26:43

       一、概述

       纺织原料在近十年期间，随着科技进步，己被大量开发及应用。其中绿色环保纤维，受到市场特别的欢迎，并为全世界瞩目。早在上世纪就有人在开拓玉米食用之外的功能，时至今日，诞生出玉米纤维，使纺织业增添了一种新的绿色环保纤维，同时也为玉米的开发生产提供了新的途径。

       玉米纤维既有优良的生产制造特性和较为广泛的用途，又属于有利于人类健康的纺织品，玉米纤维将越来越被下游企业以及终端客户所认可。

       二、国内外玉米纤维的发展历史

       玉米纤维的发展历史可追溯到20世纪30年代，有发明报道可追溯到40-50年代，例如玉米纤维早在1948年就有名为“维卡拉”的玉米纤维生产。到1957年，玉米维卡拉纤维正式由美国维吉尼亚一卡里罗来纳化学公司生产制造。之后不久，美国知名Cargill谷物公司研制开发成功“玉米聚乳酸纤维“，并投入大批量生产。20世纪60年代以后，各国科技人员先后对此作了广泛的研究，日本以玉米为原料开发了新型玉米聚乳酸纤维，90年代后期，美国两家大公司联合开发了玉米聚乳酸纤维，它们以玉米为原料，首先建立了生产能力很大的试验工厂，完善了现代化生产高分子玉米纤维的生产工艺开创了玉米纤维的工业化发展阶段，以后钟纺公司、香港的福田实业公司、日本的东丽公司和台湾的远纺公司等先后开发研制了玉米纤维。例如1989年~1998年日本岛津制作所与钟纺公司合作进一步开发玉米乳酸纤维新品种Lactron纤维，又称玉米纤维。并以该纤维制作推出各种服饰。2000年，美国CDP公司与钟纺公司合作，联合生产聚乳酸树脂等新品种，这样，生产聚乳酸纤维成本过高的问题得以解决。

       到了2002年后上海华源股份有限公司开始与美国CDP公司合作，成为国内第一家实现工业化开发玉米聚乳酸产品的化纤企业。而中国应用玉米纤维制作面料随后也已面世。例如，上海华申公司所属上棉十七总厂运用该新型纤维，开发试制成“玉米梭绢“等织物面科。

       三、玉米纤维的合成过程以及加工技术

       1.玉米纤维的合成过程

       .玉米纤维的转化方法是首先把玉米粒粉碎，再过滤出淀粉，加人酶制剂，使其转化成葡萄糖，再加上乳酸菌发酵，从而使其变成一种聚合体的物质，接着再利用一般熔融纺丝法，即可得到纺织业所需要的纤维。

       玉米纤维的制备方法有很多种，最早采用溶液纺丝法加工，由于性能不好，加上成本太高，它的加工方法还停留在试验室阶段，尚未见到有多少相关的商业化生产报道。最近几年来，主要采用熔融纺丝法，即一步法和二步法，它们对工艺的要求相对简单，一步法的工艺流程为：PLA聚乳酸一熔融纺丝一拉伸一热处理一聚乳酸纤维。二步法是以玉米为原料，用发酵法制得乳酸，在蒸发浓缩时发生自酯化，共聚物为二聚物或多聚物，二步法产品有优越的耐热性和耐气候性；一步法是在溶剂存在下进行缩合脱水反应，直接生成高分子量的新工艺，一步法能缩短工艺路线，降低生产成本。目前，利用熔融纺丝法生产聚乳酸玉米纤维的工艺和设备正在不断改进和完善，它已成为玉米聚乳酸纺丝加工的主流。 

       2.玉米纤维纺丝工艺

       玉米纤维由于是纤维级高分子的加工产物，对其原料高分子的分子量有一定的要求。因此高分子量聚丙交酯的聚合工艺仍然在攻关之中，纺丝工艺也在不断的改进之中。聚丙交酯切片纺丝可以通过熔融纺丝，也可以干法纺丝，有的还在利用其它一些纺丝法。

       玉米纤维可以通过聚丙交酯的熔融来进行抽丝。比如聚丙交酯的分子量为33万，进行真空干燥使其熔点达到186℃，结晶度为75％，此时进行熔融纺丝，能够获得玉米纤维。其工艺条件是：

       熔融挤出：聚合物在氮气保护下在螺杆中熔融并挤出，卷绕速度为1.8~20m/min。

       牵伸：挤出丝经过160℃的热罗拉，进行双区拉伸。显然这个工艺过程使用的聚丙交酯的分子量较小，给抽丝过程或纺丝工艺带来较多的技术控制难点。还可以利用干法纺丝获得高强度的玉米纤维。利用半稀溶液采用干纺可以获得更好的张力纤维。例如，采用优化的纺丝工艺和牵伸条件，以氯仿、甲苯的混合溶液，得到的玉米纤维的抗张强度达到2.3GPa，杨氏模量达到16GPa的水平。

       一般认为玉米纤维可以利用常规纤维纺丝设备，在工艺上没有太大的特殊要求。然而，由于聚丙交酯切片的分子量不高，纺丝工艺控制就成为关键。因此，有必要一方面需要提高聚丙交酯的分子量，另一方面需要对玉米纤维纺丝工艺作系统研究，尤其注重混合消旋体丙交酯形成的聚丙交酯切片的纺丝工艺研究。

       3.玉米纤维的优点以及特性

       3.1玉米纤维的优点

       化学纤维原材料都是出自石油，它的产品在分解过程中对地球会产生污染，而玉米纤维是由玉米转化后生成的聚乳酸植物纤维，分解性非常好。采用土里理藏法，2-3年内就可以完全分解，采用海水浸泡法，活性河泥法，标准捆包法，其结果也可以完全分解。这种完全的分解性能正是人类追求的无污染的理想的纺织原料。也就是说，玉米纤维与其它再生蛋白质纤维性能相近，其共同的最大特点是在产业用途中具有良好的环保性能；纤维的强度、吸湿性、伸长性以及染色性能都和常用的化学纤维相近。玉米纤维的用途也十分广泛，除可以用来做外衣、内衣和运动服外，更多的用于产业用纺织品。如农业用的防兽网、种植用不织布、渔网、抗生物用卫生用品等。因此，玉米纤维属于生物降解高分子产品，具备了环保型纺织品的特征，具有优良的环保性能，无疑将成为新世纪纤维生产与应用中的主导型产品之一，这种生物降解高分子产品，将广泛用于21世纪纺织服装领域中。

       3.2玉米纤维的特性 

       玉米纤维的特性：具有高结晶性与高配向性，所以它既耐热又耐拉，利用一般熔融纺丝法，即可制成各种长丝及短纤，但因耐酸不耐碱，无法进行碱减量加工，纤维外观透明度好，其制成品特性如下： 

       ⑴最大拉伸强度：590公斤/平方厘米；
       ⑵弯曲强度：730公斤/平方厘米； 
       ⑶弯曲弹性率：30400公斤/厘米；
       ⑷一般单纤支数：1.44D；
       ⑸单纤强力：3.7g/D；
       ⑹伸长率：47％； 
       ⑺缩率：0.3％；
       ⑻T/C：600C；
       ⑼TM熔点：166 oC；
       ⑽耐温度：1300C以内；
       ⑾耐酸碱性：耐酸不耐碱。

       另外，玉米纤维具有与传统的聚酯及尼龙6类似的机械及物理性能，故可作常规纤维使用，详见下表1。
表1      玉米纤维与其他纤维物理性比较
性能
玉米纤维
聚酯纤维
尼龙纤维
比重
1.27
1.38
1.14
拉伸强度（CN/dtex）
4.5~5.0
4.0~5.0
4.0~5.3
伸长率（%）
30
30
40
扬氏模量（KG/mm2
400~600
1200
300
标准回潮率（%）
0.5
0.4
4.5
沸水收缩率（%）
8~15
8~15
8~15
染色性
染色种类
分散性染料
分散性染料
酸性染料
染色温度（℃）
100
100
100

       玉米纤维埋入土中2~3年后强度会消失，与其它有机废物同埋，几个月内便会分解成二氮化碳和水，可作肥料改良土壤。玉米纤维还具有合成纤维的特性，面料柔软度优于聚酯面科，耐用性能佳，有丝绸般光泽及舒适的肌肤触感和手感，优越的悬垂性、滑爽性和光泽，同时，还拥有良好的水扩散性，与棉纤维混纺，则制成吸湿快干及抗皱的复合面科。

       3.3玉米纤维种类

       3.3.1玉米维卡拉纤维

       玉米维卡拉纤维也叫Vicara纤维，是玉米蛋白质纤维的代表作。它是利用玉米残渣，以70％的异丙醇提取出一种黄色粉状物，一般称之为玉米醇熔蛋白质，将其间球状蛋白分子变成羧酸钠基，结成盐链结，再以湿法纺丝法纺成维卡拉纤维。Vicara纤维的横断面呈圆形，纵断面则为半透明的圆柱状。

       3.3.2玉米聚乳酸纤维

       乳酸有两个光学异构体(对映体)，分别称为L一乳酸和D一乳酸。用乳酸单体制备聚乳酸主要有两种途径：(1)直接缩聚法，需用溶剂和高真空条件脱水；(2)温和条件下脱水生成丙交酯中间体，由丙交酯开环聚合，不用溶剂。 

       玉米聚乳酸纤维是将玉米发酵制得乳酸，经由缩合聚合反应制成聚乳酸，再利用耦合制成具有良好机械物性的较高分子量聚乳酸，再经过关键的化学改质，将其强度、保水性提升，并将其纤维化。利用玉米淀粉加上独特技术生产的聚乳酸，经不断研制后生产出Nature WorKs PAL聚乳酸，现已成为一些纤维生产大公司生产聚乳酸纤维的生产原料。

       3.3.3玉米Terramac纤维

       玉米Terramac纤维是以乳酸环化反应后开环聚合成聚乳酸，再纺成纤维的，是一种商品化相当成功的环保纤维，它的安全性高，燃烧不会产生有毒气体。Terramac产品有纤维、不织布和膜三种。产品的聚合物范围在10g/m2~100g/ m2之内，能纺制细旦长丝，其分解速度由素材的重量、厚度以及外在环境条件下能有效控制。

       四、玉米纤维在纺织业中生产上的问题及应用

       1.玉米纤维在针织生产上的问题

       1.1成丝方面

       聚乳酸纤维因具有高结晶性与高配向性，所以既耐热又耐拉，利用一般熔融纺丝法，即可制成长纤或短纤，长纤一般有光丝及普通，而聚乳酸长丝收缩性大，一般在20-23％，故在生产织物时要考虑，必要时可先进行蒸纱。

       短纤一般以11.2-1.4D为主，由于其伸长率高达47％，在进行纺纱时，必须考虑它对纺纱张力的影响。这其中包括络筒打卷张力，都需要适当降低。否则聚乳酸纤维因对温度较敏感会变硬，各工序解决方法是减速生产，避免由于高速摩擦后带来的不必要的麻烦。

       1.2织造方面

       因伸长率高，针织织造时张力须适当调整。而缩率低，织物设定工时要考虑，否则影响成品规格。聚乳酸纱在做针织布时应注意：

       ⑴生产车间温度应控制在25度以内，湿度60％以上。
       ⑵生产机台必须清理干净，用透明薄膜遮盖，避免废花飞入，形成布面棉结疵点。
       ⑶针织时不作上卷须放布，避免折痕。
       ⑷针织机速不能太快，须控制在20转/分以下，以减少爆孔等疵点。
       ⑸机台纱道各接触点，尽量使用耐磨瓷性导纱装置。
       ⑹如需倒筒翻纱，必需留意飞花。络筒时车速不宜太快。
       ⑺织短纤时设定织物规格，不宜太疏，因玉米纤维纱捻度大，易产生扭结，影响布面。

       2.玉米纤维的应用

       玉米纤维在纺织纤维形态上有单丝、复丝、短纤等，可生产各类织物及非织造布产品。纺织品一般为内衣，运动服。聚乳酸纤维与棉，粘胶等纤维混纺，可生产外套，T恤等，成衣产品有着良好形态，并保持着其性能稳定；在具有光泽的同时还能保持蓬松的手感。和涤纶相比，同样富有疏水性能。之所以它也适宜制作针织内衣。

       另外，玉米纤维除了可以用于服饰和家纺产品外，还更多地用于工业、农业、渔业等产业用品上，玉米纤维的多主要用途归纳为下表2。

 表2        玉米纤维的主要用途
主要用途
主  要  产  品
服装用
外衣、内衣、运动服装等
家用纺织品用
环保台布、窗帘、床上用品等
工业用
强化纸、特殊环保用纸、包装袋、土工布等
农业用
防兽网、育苗袋、土壤补强材料、绳带等
食品用
食品包装袋、过滤网等
卫生医疗用
尿布及卫生用品、手术线、绷带等
渔业用
鱼网、养殖网、海岸网、鱼线等

       在医疗器械领域，玉米纤维用于制作手术缝合线，由于自动降解的特性，免去了病人取出缝合线的二次手术，受到极大的欢迎。此外，玉米纤维还可以用于制作修复骨缺损的器械：骨板、骨螺钉、缺陷填充材料等，用于工程组织（包括骨、血管、神经等）制作支架材料。药物缓释材料是玉米纤维在医疗领域的又一个广泛应用的用途，尤其是缓释蛋白质类和多肽类药物具有特别的优越性。玉米纤维是第三代生物材料的典型代表。玉米纤维在其它一些领域也有广泛的用途，例如编织品、渔网、包装材料等诸多领域。

       五、玉米纤维面料的性能和特点 

       ㈠面料柔软耐用，有丝绸般的光泽，舒适的手感和皮肤接触感觉良好，具有很好的水扩散性，很快吸汗并迅速干燥，特别适合加工高档仿丝绸产品，它有抗菌性、防霉性、无臭及抵抗细菌生长的能力。 

       ㈡玉米纤维加工的面料，悬垂性好，滑爽性佳，富有光泽，具有良好的毛细效应，其织物易将汗水迅速排出，加工的面料有优良的柔软性和优良的形态稳定性，且有蓬松的手感，其良好的导湿性对皮肤不发粘，有助于水分转移，不仅接触皮肤时有干爽感，而且可赋予优良的形态稳定性和抗皱性，它是以人体内含有的乳酸作原料合成的乳酸聚合物，不会刺激皮肤，对人体绝对安全舒适，且对人体健康有益。 

       ㈢玉米纤维与各类丝产品加工的面料有很好的舒适性，重量轻，弹性好，耐穿耐用，排汗速度快，有良好的芯吸性能，吸湿性好，加工的产品柔软，有飘逸感，特别适合加工女装和女性休闲装面料。玉米纤维面料可用分散染料染色，有良好的日晒牢度，面料柔软，颜色和光泽好。 

       ㈣玉米纤维与长丝交织，可以加工各类具有丝感外观的T恤衫、长袜及仿丝绸产品，这些产品具有优良的形态稳定性和蓬松的手感，并且有丝一般的光泽。 

       ㈤玉米纤维目前可与锦纶长丝、粘胶长丝、大豆蛋白丝、竹纤维长丝及蚕丝等复合交织，加工的产品性能独特，服用性能良好。同时具有可生物降解和重复利用，成品废弃后可在自然条件下被微生物分解成水和二氧化碳，随后在阳光的作用下又成为各种植物光合作用的原料，不会对环境造成污染。 

       六、结束语

       玉米纤维是一种可持续发展的新型绿色高分子材料，未来它的用途将越来越广泛，近年来玉米纤维成本过高的问题亦因聚乳酸树脂工厂的投产而得到了根本性的解决。现在，世界各工厂生产的聚乳酸纤维的原料均来自美国GDP等公司，相信玉米纤维这种生物降解高分子产品将在21世纪得到广泛应用。