生物质整理剂在纺织品中的应用

杨宏珊

(1.中国纺织信息中心，北京 100020；2.中联品检(北京)技术集团有限公司，北京 100025)

织物加工过程中借助化学试剂的作用改善织物的外观、手感、尺寸稳定性以及增进或赋予织物某种功能的加工被称为织物整理，使用的化学品称为织物整理剂，如季铵盐类、蛋白质等。织物整理是纺织品生产中一道必要且重要的加工工序，可以使织物获得抗菌、抗褶皱、亲肤、耐用等多种优良特性。在纺织品整理过程中，一般使用各种类型的整理剂对织物进行浸轧、浸渍，喷涂等整理加工。在传统的纺织整理加工中使用的整理剂多为化工产品，有些整理剂使用不当可能会对人体构成潜在的伤害，且生产过程中对环境也可能带来危害。

生物质整理剂因具有可生物降解、对环境友好等特点，受到研究人员的广泛关注。本文介绍了纺织品整理加工中使用的几种生物高分子材料、植物基生物活性材料，分析了其作为绿色可持续生物整理剂使用时的优势和不足，为在碳中和背景下生物质整理剂在纺织品加工生产中的应用提供参考。

1 生物高分子整理剂及其应用

1.1 壳聚糖类

在纺织服装抑菌性整理方面，抑菌抗皱的壳聚糖相对化学整理剂在环保、安全性等要素中优点显著而倍受青睐。壳聚糖是一种氨基多糖生物聚合物，其生物相容性良好，无毒无味，对各种细菌和真菌微生物细胞具有广泛的抗菌活性[1-2]。由于抗菌活性依赖静电作用，所以增加壳聚糖的正电荷密度能够增强其抗菌活性。天然壳聚糖的抑菌性能受到自身浓度、相对分子量和酸碱度的影响，整理效果不理想。Lee等[3]实验发现，对比低聚壳聚糖，高聚壳聚糖抑菌性能更显著。对壳聚糖进行改性或复合化处理，可增加其抑菌性能。胡凤霞等[4]制备壳聚糖/Ag+复合整理剂处理莫代尔织物，其抗菌效果明显优于壳聚糖或银离子单独整理的效果，经过50多次的水洗后抗菌效果未有明显的变化。此外，改性壳聚糖或壳聚糖复合整理剂还可赋予纺织品一些功能，如抗皱和阻燃。在桑蚕丝织物的抑菌和防紫外线整理中，利用壳聚糖—芦荟复合整理剂处理后，复合整理剂协同处理的桑蚕丝的抗紫外线和抑菌效果提高明显[5]。

壳聚糖作为纺织品整理剂的缺点是它对纤维素织物的黏合性较差，需要对纤维素织物进行改性处理以固定纤维素织物内的壳聚糖及其衍生物，才能赋予所处理织物有效功能[6]。另外，对壳聚糖改性和复合处理中会造成成本增加，加入化学物质产生有害气体，如甲醛。这些缺点需要研究解决。

1.2 环糊精

淀粉是一种重要的天然纺织浆料，绿色环保无危害，在纺织品整理工艺中不可或缺。环糊精作为淀粉在酶作用降解的环状低聚糖产物，同样具备良好特性，如生物相容性、生物可降解性、生态友好性和安全性等特点，作为纺织品整理剂天然无害、潜力巨大[7]。目前发现环糊精分为α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精3种，但在生活中人们常常提到的是β-环糊精，β-环糊精的分子空腔适中，生产成本低，在生产使用中最广泛。α-环糊精和γ-环糊精生产成本高，应用受到限制。相对来讲，β-环糊精的溶解度是这3种中最低的，因此，在纺织品整理中需要对其外缘羟基进行化学修饰，增加其在水中的溶解性，以确保处理织物后能持久固定在织物纤维上。环糊精的一个显著特征是能够在其疏水腔内容纳许多有机和无机分子(固体、液体和气体化合物)，形成包埋复合物，这种包埋复合物的理化性质会发生有益的改变，如改善溶解度、稳定性、挥发性，以及控制活性成分的释放[8]使纤维织物功能发生变化。并且环糊精分子可以利用其羟基进行改性处理，增加特殊的性能。

环糊精在织物整理中可以实现的功能主要有以下几方面[9-10]：提高化学合成纤维的吸湿性；吸收各种刺激性较大的异味，如烟味、腥味、人体汗液异味等；提升医用材料的吸附作用，吸附人体内毒素和外源性毒素(β-环糊精本身无毒且无生理副作用)；包覆一些特殊功能性助剂，赋予织物特殊的功能；使用β-环糊精将药剂整合在纤维或织物中，在使用纺织品时药剂的特性会从织物上缓慢释放出来，可以用于生产具有长期保健功能的纺织品；利用环糊精良好的包覆性能，按照个性化喜好来选择某些香料或香精，使服装在穿着的时候缓慢释放，保持织物持久留香。

随着技术的不断改进，环糊精作为整理剂应用领域更为广泛。β-环糊精已广泛应用于纤维素织物的功能整理、除味抗菌整理、医用保健纺织品、防紫外线纺织品及服装香味整理等。如通过β-环糊精或衍生物对含纤维素织物进行预改性，再用抗菌剂进行后处理或将抗菌剂预加载到β-环糊精空腔中用所得复合物对织物进行处理，可以在含纤维素织物中利用β-环糊精来提高其抗菌活性[11]。银离子、三氯生、奥替尼啶双盐酸盐、抗生素、纳米银颗粒以及一些具有生物活性成分(如百里香酚)等已被用作客体分子与环糊精结合作为纤维素织物的抗菌整理剂[12]。此外，用一氯三嗪与β-环糊精形成的复合物，采用碱性分散染色法对棉/涤纶织物同时进行分散染色和防紫外线整理发现，染色后的混纺织物样品颜色深度有所提高，抗紫外线性能显著增强[13]。

1.3 海藻酸钠

海藻酸钠是从海藻中提取的天然多糖，因其无毒，生物相容性、降解性和生物吸收性较好而具有广泛的应用，主要应用于伤口处理、各种杀生物剂的控制释放和封装、抗菌离子(银离子、锌离子、铜离子等)的生物吸附以及抗菌整理等方面[14]。在纺织品生产、染色中有大量的使用。海藻酸钠在棉织物的抗菌整理中，作为稳定剂用于负载纳米银粒子和纳米铜粒子[15]。涂有抗菌成分的海藻酸钠微胶囊的棉织物显示出显著和持久的抗菌活性，处理后的棉织物可抵抗测试病原体[16]；使用壳聚糖和海藻酸钠逐层沉淀工艺对棉基材进行抗菌处理，经处理的棉织物表现出优异的耐洗性和抗菌性，证明了壳聚糖/海藻酸钠结合层对棉表面的良好黏附性[17]。

在印染方面，刘素素等[18]在提高涂料染色色浆稳定性时，通过调节浸轧过程中海藻酸钠的用量及温度等参数，使得染色牢度显著提升。在具有良好应用效果的同时，海藻酸钠在实际应用中的质量稳定性还需要进一步提升。

1.4 木质素

木本植物的木质组织中存在大量的木质素。木质素是一种比较丰富的生物质资源，为相对价廉、易改性天然材料，主要用途是可以形成交织的网格形细胞壁。在木本植物中，木质素的占比比较高，可达25%。

在安全有效的纺织整理分散剂方面，木质素磺酸盐类是最为有效的分散剂。木质素磺酸盐属于阴离子表面活性剂，由于其平均分子质量和磺化度的不同，其最终用途也有很大的不同。木质素磺酸钠盐等分散剂来源于天然的松木中，在许多行业已逐渐取代传统的萘磺酸盐类分散剂，广泛用于纺织染料的加工，如美德维实伟克公司的木质素磺酸铵盐BorresperseAM-320，较其他磺酸盐对提高酸性染料的冷水溶解度更为有效，被广泛应用于金属络合酸性染料和弱酸性染料的后整理加工中，主要生产高品质的酸性印花染料。美德维实伟克公司的REAX 85A助剂在纺织助剂行业是多用途的染色分散剂，用于分散染料对涤纶和醋酸纤维的染色，能有效防止染料在高温染色条件下产生凝聚，提高匀染性能，尤其适用于筒子染色机、卷染机、溢流染色机等低浴比染色条件[19]。董爱学等[20]通过实验将溶菌酶接枝到富含木质素的不同织物中赋予其抑菌性能，结果显示麻织物经漆酶催化可实现溶菌酶的固定化，麻纤维木质素含量越高，溶菌酶接枝越多，整理后的棉/亚麻织物和黄麻织物抑菌率显著提升，且通过接枝法固定溶菌酶的麻织物较吸附固定法具有更好的耐水洗稳定性和抗菌效果。全球造纸产生的木质素副产物量十分大，工业木质素能够有效利用的量很微少，处理不合理不仅造成资源的巨大浪费，还将带来对环境的破坏，因此，促进木质素资源作为纺织整理剂意义重大。

1.5 蛋白质

在各种纺织品整理剂中，蛋白质是一种重要的类型，包括丝胶、丝素等。丝胶蛋白是蚕丝的主要成分之一，具有良好的生物活性，已成为组织工程领域备受青睐的新兴生物材料。近年来研究人员已制备了多种丝胶蛋白水凝胶并用于组织损伤修复，然而由于这些水凝胶力学性能差而使其应用受到很大的限制[21]。丝胶作为纺织品整理剂可用于纺织品的阻燃、防紫外线、抗静电、防皱、抗菌整理和提高舒适性等方面，丝胶蛋白可以与其他高分子交联、共聚或共混，开发一种具有优良性能的新型生物可降解纤维，在绿色纺织发展过程中前景广阔。丝胶蛋白作为蚕丝的主要组分，通常在缫丝行业中被当做废料而丢弃，但由于丝胶蛋白特定的化学组成和结构，让它展示出良好的成胶性、生物相容性、较低的免疫原性和独特的天然荧光特性等性能，近年来逐渐受到广泛关注[22]。

在羊绒织物的后整理过程中，为了使其具有抗菌等保健功能，对羊绒织物进行低温等离子体预处理及蛋白功能整理，2种类型的丝胶蛋白和胶原蛋白，通过氮丙啶交联剂季戊四醇—三(3—氮丙啶基)丙酸酯(PTAP)架桥获得了改性羊绒。蛋白功能剂整理羊绒织物中发现，偏高的温度有利于氮丙啶基交联，交联剂质量浓度为6 g/L时接枝效果最佳,但丝胶蛋白的接枝率低于胶原蛋白接枝率。羊绒整理后的亲水性、染色性与等离子体处理后的变化不大，卷曲性发生下降，扫描电子显微镜显示表面鳞片缝隙及刻蚀沟痕被蛋白功能剂掩盖。另外，用丝胶蛋白处理的羊绒织物抗菌能力强于用胶原蛋白处理的，胶原蛋白处理的羊绒织物抗氧化能力大于丝胶蛋白处理的[23]。

1.6 其他生物聚合物

多种类型的生物聚合物在纺织品功能整理中都能够满足需要的功能和效果，同时有些生物聚合物还有潜在应用前景。如从生丝中提取丝胶蛋白并将纳米二氧化钛添加到其水溶液中可用来处理棉织物，能够赋予织物良好的抗菌活性，并且在经过20次洗涤之后，织物的抗菌活性没有明显下降[24]。利用果胶负载姜黄素及芦荟提取物被用作抗菌整理剂处理棉织物，可生产伤口护理材料[25]。使用乳清蛋白浸轧处理织物，能在织物表面形成被膜，从而隔绝氧气，赋予织物一定程度的阻燃性[26]。通过超声波处理将具有纳米结构的木质素填充在亚麻织物上，被纳米木质素覆盖的亚麻织物呈现出阻隔紫外线、抗菌、抗静电等特性[27]。由此可见，越来越多的生物质材料被应用于织物整理，因其成本、性能和环境友好等方面的优势，这些生物质材料将有望逐渐取代传统的合成聚合物，在未来织物整理中会逐渐得到重视与应用。

2 植物基生物活性材料及其应用

2.1 植物提取物

植物提取物可作为天然功能性纺织品整理剂。采用天然抗菌剂处理过的织物对测试的病原体表现出良好的抗菌活性。已有多项研究结果[28]表明，芦荟处理后的棉织物具有良好的抗菌效果。与单独处理的棉织物相比，芦荟和印度苦楝复合处理的棉织物在清洗时具有更好的耐久性。采用圣罗勒叶甲醇提取物直接处理的棉织物显示出良好的抗菌活性，与之相比，通过微囊化或树脂交联后的圣罗勒叶提取物处理的棉织物具有更高的抗菌活性，所以，采用植物提取物对纺织品进行整理是理想的应用，这些提取物可以直接从植物体中获取，并在不同的化学方法处理后使其利用率达到最大化。

2.2 精 油

精油由多种芳香族化合物组成，通常精油是从植物的花、叶、根、种子、果实、树皮、树脂、木心等部位通过水蒸气蒸馏法、冷压榨法、脂吸法或溶剂萃取法提炼萃取的挥发性芳香物质。精油可杀虫灭菌、使织物留香，具有消除疲劳、抵抗压力、舒缓情绪等芳香疗效和保健功能，香味医疗卫生用纺织品可提高其产品附加值，具有广泛的应用价值。如丁香、薰衣草、迷迭香和肉桂已通过不同的技术应用于纤维素织物，以提供持久的抗菌及芳香整理。刁水华等[29]采用香茅精油微胶囊整理锦纶织物探究其驱蚊性，然后将盖有整理后织物的手置于蚊虫环境中评估其驱蚊效果，最终得出：与单纯喷洒精油乙醇溶液的织物相比,香茅精油微胶囊整理的织物具有更高和更持久的驱蚊性。植物精油对纺织品的整理随着技术的进步应用越来越广泛。

2.3 天然染料

天然着色剂的研究和应用在纺织工业中的应用受到越来越广泛的关注。一些天然染料，如石榴、茜草、紫草、菘蓝、桉树叶等已成功地应用于纤维素织物的染色和功能性整理中。然而，天然染料在色牢度、耐洗性和耐久性等方面有严重的不足。天然染料分子结构各不相同,染色方法也不相同。目前已采用生物媒染剂、预化学修饰(如预阳离子化或β-环糊精预处理后染色)、酶处理、等离子体预活化、紫外线辐照或超声波处理等方法克服其缺点[30]。天然着色剂具有赋予纤维素织物多种功能的潜力，如抗菌性、除臭和驱虫性能[31]，对开发生态环保纤维素织物具有极其重要的作用，未来天然染料的缺陷将缩小，成为纺织面料染色整理的首选染料,其抗菌性范围和持久性将是未来研究的重点方向。

3 结束语

随着生态环境保护逐渐得到重视，传统整理工艺面临环境污染、危害健康等问题的挑战，绿色生态整理剂的使用是纺织整理的大势所趋。生物质整理剂是一种值得关注的生态友好型和可再生材料，在纺织品功能整理中具有广泛的应用(如抗菌、防紫外线、阻燃、防虫驱蚊等)，是一种极具发展潜力的生态纺织整理剂。既能满足不断增长的消费者需求，又能实现可持续性发展的愿望。

生物质材料的发展重点是要加强技术创新，进一步降低成本，建立完善的产业体系，以增强生物材料与石油材料产品的竞争力。一方面，要构建以突破关键生物基单体廉价制备技术为前提的生物质材料创新链；另一方面，要实现以应用示范带动成套可转移技术链和可复制推广的产业链的构建。为此，需推动生物质整理剂的创新发展，大幅提高其经济竞争力与规模化应用水平，使生物质整理剂作为纺织生产整理中的主要整理剂，取代化工合成整理剂造成的环境危害，为纺织产业可持续绿色发展创造新的动力。