生物基纤维：从天然到合成的加工、制造及应用

生物基纤维：从天然到合成的加工、制造及应用

生物基纤维作为一种可持续发展的新型材料，近年来受到了越来越多的关注。从天然纤维到生物基合成纤维，这种材料在纺织、医疗、建筑等多个领域都展现出了广泛的应用前景。本文将为您详细介绍生物基纤维的分类、加工制造过程、可持续发展产业链以及应用前景等多个方面。

近日，东华大学材料科学与工程学院朱美芳院士团队在Cell Press旗下子刊《Matter》上发表了题为“Biobased fibers from natural to synthetic: Processing, manufacturing, and application”的综述文章，该文全面梳理了从天然纤维到生物基合成纤维的加工技术演进历程，系统总结了生物基纤维制备的最新进展，并就该领域的研究挑战与发展机遇进行了探讨。综述从生物质提取、纤维加工成型、性能增强和最终应用等多个视角总结介绍生物基纤维研究进展，旨在强调通过跨学科交叉来加速生物基纤维的利用与发展。该综述的第一作者为东华大学材料科学与工程学院博士研究生刘赋瑶、潘亮和刘伊帆，通讯作者为朱丽萍副研究员、周哲副研究员和朱美芳教授。

图1 生物基纤维的分类和加工制造

如图1所示，生物基纤维主要包括生物基天然纤维、生物基再生纤维和生物基合成纤维。生物基天然纤维直接来源于植物和动物，包括棉花、麻、毛、丝绸等，其生产和使用历史悠久，近年来，研究人员利用基因工程和表面改性策略，通过引入外源基因、控制基因表达、物理-化学处理等方式，不断培育和开发出性能优异的新型天然纤维，为天然纤维的多元化应用提供了新思路。生物基再生纤维来源于可再生生物质资源，通过一系列提取和溶解工艺从植物、动物或微生物中分离出天然大分子，如纤维素、木质素、蛋白质和多糖等，再将提取纯化后的这些生物质原料通过各种多样化的加工方法转化为再生纤维，包括湿法纺丝、干法纺丝、静电纺丝、浮动催化化学气相沉积、微流控纺丝和界面拉伸纺丝等，各种高性能、多功能的新型可再生纤维材料被不断开发和应用。

图2 生物基合成纤维的全流程制备过程

图2展示了生物基合成纤维从生物基单体原料到最终生物基纤维产品的全产业链可控加工流程。具体来说，通过生物发酵或化学合成途径，可从各种可再生生物质资源（农作物及其副产物、微生物等）获得PHA和PLA等生物基聚合物，采用熔融纺丝、湿法纺丝等成熟工艺加工成综合性能优异的生物基合成纤维。近年来，不少研究聚焦于阐述聚合物加工过程中“结构-过程-性能”的内在关系，为生物基合成纤维的性能调控、工艺优化和高性能化设计提供了理论指导，推动了生物基合成纤维的产业化和绿色可持续发展。

图3 生物基纤维的可持续发展产业链

因生物基纤维具有可持续性、可降解性和低污染等优点，其在功能纺织品、医疗健康、复合材料和智能可穿戴等领域展现出广泛的应用前景。目前，棉纤维、莱赛尔纤维、聚乳酸纤维等已应用于服装、家纺，并可通过混纺、表面改性等方法赋予其抗菌、阻燃、调温等多种功能。在再生医学领域，丝素蛋白、藻酸盐、壳聚糖等可制成纤维支架用于组织再生和精准药物输送。生物基纤维还可与传感器结合制成智能织物。天然纤维复合材料还可替代玻璃纤维应用于汽车和建筑等领域。新型纤维加工技术的融合发展使得生物基纤维的整体设计和制造成为可能，并促使生物基纤维从最初的保暖、防护等简单功能，向多功能和智能化方向发展，为生物医学、电子、能源和智能材料等领域的前沿应用提供可持续的平台。目前，生物基纤维的种类日益丰富，部分生物基纤维已实现规模化生产，但同时也面临原料来源复杂和成本高、性能不足以替代石油基纤维、标准体系不完善等挑战，需进一步探索生物基纤维加工新原理、新方法和新技术，提升其质量和性能，建立完善相关标准，不断拓展其应用领域，推动生物基纤维高质量可持续发展（图3）。

本文原文来自东华大学材料科学与工程学院