蚕丝非织造材料的发展现状与展望

王金星, 白世琪, 杨 一, 陈 军, 张寅江, 刘国金, 朱斐超,6

(1.浙江理工大学 a. 纺织科学与工程学院; b. 浙江省产业纺织材料制备技术与研究重点实验室,杭州 310018; 2.杭州万事利丝绸数码印花有限公司, 杭州 310018; 3.浙江省轻工业品质量检验研究院, 杭州 310018; 4.杭州诺邦无纺股份有限公司, 杭州 311199; 5.绍兴文理学院 纺织服装学院, 浙江 绍兴 312000; 6.绍兴宜可纺织科技有限公司,浙江 绍兴 311800)

蚕丝是一种十分受欢迎的天然蛋白质纤维,单根蚕丝由两根平行的丝素外包丝胶构成,包含18种氨基酸,与人体具有良好的生物相容性[1],且蚕丝光泽细腻、手感柔和,深受人们喜爱,被称为“纤维皇后”。由蚕丝织造而成的丝绸在中国已被使用几千年,有着深厚的历史底蕴。然而,蚕丝的产量与蚕茧的品质有很大关联,据统计,只有20%的蚕茧属于优质蚕茧,可以完全成丝,在传统的丝绸工艺“缫丝——织造——染整”中,二、三等蚕茧不能被充分利用,废丝总量达55%,原料浪费率极高。在常见的蚕丝废丝中,有30%长度小于40 mm,60%在40～80 mm,10%的纤维更长[2],这些纤维并不能用于传统纺织工艺。

非织造材料又被称为非织造布、无纺布,是利用摩擦、抱合和黏合或这些方法的组合将纤维制成的薄片、纤网或絮垫。不同于针织物与机织物等传统纺织工艺得到的织物,非织造材料具有原料来源广、原料利用率高、产品蓬松度好、用途广等优点,在卫生、医疗保健、家居服装、过滤、岩土和水利工程等领域都有应用。蚕丝非织造材料与传统的织造工艺相比具有更低的成本,可实现蚕丝短纤维、废料等有效利用,生产出各种用途的纺织产品,提高蚕丝的附加值[3],目前在美容卫材、医疗防护、生物组织工程等领域均有所应用。通过非织造技术进行蚕丝非织造材料的研发和应用,可为中国蚕丝纺织材料的发展开辟一条新的思路。

本文概述了蚕丝非织造材料的工艺特点,列举了已有蚕丝非织造材料的后整理方法及应用领域,最后对其发展趋势与前景进行了展望。

1 蚕丝非织造材料加工工艺及特点

蚕丝由丝素外包丝胶包覆而成,如图1所示。丝胶中含有的杂质对蚕丝织物产生许多不利影响,如光泽变差、手感硬、染色均匀性降低及染色牢度低等,因此需要对蚕丝进行脱胶处理。目前主要的脱胶方法有:水浴煮沸脱胶、碳酸钠脱胶[4]、高温高压脱胶[5]、蛋白酶脱胶[6]及蒸汽脱胶[7]等。通过对蚕丝的性能进行探究,发现蚕丝具有良好的强力、透气性、疏水性、耐热等非织造布原料所需基本性能,将蚕丝用于非织造材料加工具有可行性[8]。

图1 蚕丝结构示意Fig.1 Diagram of silk structure

非织造材料按成网方法分为干法成网、湿法成网、聚合物挤压成网;按纤网加固方法分为机械加固法、化学黏合法、热黏合法非织造材料。从广义上讲,蚕丝非织造材料是指将蚕丝纤维或蚕丝纤维与其他材料的复合材料通过非织造方法加工得到的材料;但目前蚕丝非织造材料多以水刺加固工艺为主,因此一般所讲蚕丝非织造材料多指天然桑蚕丝经过水刺工艺加工而成。不同工艺生产的蚕丝非织造材料的特点与应用如表1所示。

1.1 干法成网蚕丝非织造材料

干法成网是纤维成网方法的一种,纤维经过开松、除杂等前期准备工序后在输网帘上形成纤维网。干法成网是短纤维成网工艺,如果使用的蚕丝原料为长纤维,需要将长蚕丝切断为短纤维,长度一般为38～65 mm。

表1 不同蚕丝非织造材料的制备原理、特点与应用Tab.1 Preparation principle, charatteristics and application of different silk nonwovens

目前对干法成网得到的纤网进行加固的方法主要有机械加固、化学黏合加固,以及热黏合法加固。机械加固包括针刺法和水刺法,是通过外力作用将纤网中的纤维产生缠结从而相互勾连,以提高纤网的强度的方法。在一定程度内,纤网被穿刺密度越大、频率越快,纤维位移大,单位体积中的缠结点就越多,纤网之间连接致密,抱合性好,强度越好。相比针刺法,水刺法产品更为细腻,对纤维损伤较小,适合较贵重原料的生产。化学黏合法则依靠化学黏合剂使纤维间生成黏合点从而加固纤网,然而有的化学黏合剂具有毒性,限制了产品的应用范围。热黏合是将热熔纤维或填料加热熔融后与其他纤维黏合,冷却固化后纤网得到加固。

1.1.1 针刺蚕丝非织造材料

针刺加固是用带有截面为三角形或其他形状钩刺的刺针对纤网反复穿刺,纤维之间发生物理缠结,从而使纤网得到加固,适合加固中厚型面料。针刺工艺有着工艺流程短、生产效率高、设备要求简单、产品应用范围广等优点,得到的非织造布表面平整,有着良好的强力和弹性,在许多领域发挥着重要作用,因此针刺加固法在全球范围内发展迅速[9]。由针刺加固得到的蚕丝非织造材料纯天然,透气保湿好,利于护肤保健;不须脱胶,也不用添加助剂,利于降低生产成本。针刺加固过程安全卫生,不会造成环境污染,制品有着不板结、不发黄、防虫蛀、寿命长的特点[10],可以广泛应用于美容护肤、医疗防护、床上用品和婴幼儿卫生用品等多个领域。Muthu等[11]以精梳落毛与蚕茧废料(50/50)混合开发了一种蚕丝非织造材料,具有与常规隔热材料相媲美的隔热性,实现可再生资源开发利用。Viju等[12]研究了针刺加固蚕丝非织造材料的吸油性能,发现其具有良好的吸油和保油能力,可使用至少5次,且使用后的废弃材料在土壤中100天内即可完全降解,真正实现高效环境治理。

1.1.2 水刺蚕丝非织造材料

水刺与针刺加固工艺原理基本相同,主要区别为水刺加固是通过微细高压水射流对梳理成网后的纤网进行穿刺,对纤维的损伤更小,且水流在托网帘反射后对纤网从不同方向穿插纠缠,加固效果更好,适合生产轻薄、贵重原料的产品。通过水刺加工工艺生产的纯蚕丝非织造材料柔软亲肤,保留了蚕丝的优良性能,一般用来做卫生护理、美容护肤、医用敷料材料等,与人体直接接触,水刺工艺的选择直接影响着消费者的体验。在实际生产时,应根据产品性能选择合适的工艺,水刺加固工艺流程如图2所示。

图2 水刺加固蚕丝非织造材料流程示意Fig.2 Flow chart of hydroentangled silk nonwovens

沈季疆等[13]选用绢纺落棉为原料,优化梳理工艺,在卷绕速度25 m/min、烘干温度105 ℃时,生产获得了40 g/m2的蚕丝水刺非织造材料,机械性能达到FZ/T 64012.2—2001《水刺法非织造布第二部分:卫生用卷材料》标准的要求,能够应用于卫生材料。

将蚕丝非织造材料与其他材料通过水刺工艺进行复合,可以保留蚕丝纤维生物相容性好的优点,也可以减少蚕丝的使用量,降低成本。Sampathkumar[14]设计的多层伤口敷料系统中,将水刺法蚕丝非织造材料作为第二层,由于其纤维缠结高的特点,具有更好的结构稳定性。

1.1.3 化学黏合蚕丝非织造材料

黏合剂是指能形成一层薄膜紧密地连接两种物质,使其满足一定物理、化学性能的非金属物质。在非织造布生产领域中,黏合剂的作用在于非织造布的制造或形成织物后的涂层整理。化学黏合法可用于干法成网与湿法成网工艺的加固,化学黏合加固的非织造材料生产成本低、工艺灵活、强度高,但要控制用量,过量使用会使产品产生板结,影响使用。而且部分化学黏合剂有毒性,限制了化学黏合加固非织造材料的应用范围。

常规蚕丝被为人工拉抻[15],拉抻过程中因无法保证所施加力大小相同、均匀、连续。王斫岩等[16]采用甲酸处理蚕丝纤维层,蚕丝纤维间形成的黏合点使纤维层不分离,从而纵向和横向拉伸断裂强度都有明显提升,提高了蚕丝纤维网的力学性能,解决了人工拉抻过程纤维分布不均匀导致的蚕丝被内胎面产生密度不匀的难题。

1.1.4 热黏合蚕丝非织造材料

将热熔纤维或粉末添加到纤网中,加热纤网至部分纤维或粉末熔融,熔体将附近纤维黏连在一起,冷却后熔体固化,得到热黏合非织造材料。热黏合非织造工艺主要有:热风法、热轧法、超声波黏合法。热黏合非织造材料具有生产速度快、无环境污染、能耗低等特点,广泛用于医疗卫生、绝缘、过滤、隔音、减震、包覆、服用、保暖、家具填充及复合增强材料等[17]。

蚕丝有着良好的生物相容性与可加工性,Bae等[18]优化热黏合工艺参数,认为缫丝速度在39.2 m/min、热轧温度在200 ℃为可以进行批量生产最佳条件,Lee等[19]将蚕丝4层蚕丝小样布上下组合热轧得到蚕丝非织造材料,产品具有良好的力学性能和细胞活力,与纯蚕丝网相比,抗拉强度更高,断裂伸长率、孔隙率和膨胀率较低,在伤口敷料、骨再生诱导、化妆品、面膜等领域有着巨大的应用价值。

1.2 湿法成网蚕丝非织造材料

湿法纺丝成网工艺来源于造纸工业,湿法成网非织造材料是将纤维在水中处理为纤维悬浮浆,悬浮浆在成网机构上控去水分成网,再经加固得到的材料。湿法成网得到的蚕丝非织造材料性能优良,目前所用加固方法多为化学黏合剂加固和热黏合加固,对湿法成网蚕丝非织造材料的相关研究较少。骆宇等[20]将聚乙烯醇(PVA)作为蚕丝纤维湿法成网后的黏合剂,研究了聚氧化乙烯(PEO)分散剂质量分数对湿法蚕丝非织造材料性能的影响,结果表明:蚕丝非织造材料有着良好的力学性能和透气、透湿性。此外,有学者利用湿法成网制备蚕丝纸[21-22],性能佳,有纹理感,边角料可回收循环使用,原料利用率高。Wang等[23]通过湿法成网得到蚕丝纤维网并通过热轧法加固,具有良好的透气性、柔软性、油水两亲性和中等强度,可以实现废旧蚕丝的回用,是一种很有前途的包装和清洁材料。

1.3 静电纺丝成网蚕丝非织造材料

静电纺丝方法是将毛细喷头与接收板之间施加高压静电场,纺丝液从喷头中喷出,在静电场中克服自身表面张力和黏弹张力形成Taylor锥;当电场强度超过Vc后,纺丝液滴形成喷射流,在静电场中加速,被拉伸到一定程度发生不稳定弯曲扰动,伴随着溶剂挥发,喷射流在接收器上形成微纳米纤维。静电纺丝得到的纤维形貌良好、纤维直径细、孔隙率高,有良好的过滤性能。但目前蚕丝静电纺丝方向的研究进展依旧处于理论研究与小批量实验室制备阶段,未见产业化方面的报道。蚕丝纤维静电纺丝流程如图3所示。

图3 蚕丝蛋白静电纺丝流程示意Fig.3 Flow chart of silk electrospinning

蚕丝纤维可以溶解于溴化锂(LiBr)、硝酸钙(CaNO3)、氯化钙(CaCl)、甲酸等[24],经过前人研究,甲酸最终成为多数方案的选择[25]。许多研究者使用甲酸或甲酸与其他溶液混合后的溶液[26],溶解脱胶后的丝素作为静电纺丝溶液,对蚕丝纤维进行静电纺丝,丝素蛋白溶液在推进器作用下从喷头喷出,经过高压静电场加速、拉伸,形成再生丝素纤维,最终在收集装置上成网,得到静电纺丝成网蚕丝非织造材料。由于蚕丝蛋白优良的生物相容性、热稳定性、压电性及导热性等,经静电纺丝得到的蚕丝非织造材料有着超薄、孔隙率高、表面形貌好等特点,在生物医学应用,如伤口敷料、生物支架、组织工程、药物传递、空气过滤等领域有着极大的应用价值。

Kopp等[27]通过调节静电纺丝工艺参数成功制得蚕丝非织造材料,Bae[28],Kishimoto等[29]研究了静电纺丝蚕丝非织造材料的过程参数,发现静电丝素蛋白溶液的纺丝能力与丝素分子质量、丝素蛋白质量分数、溶液pH值、静电电压、接收距离等有关,且溶液pH值为10～11时,所得到的蚕丝非织造材料可能是对人体最安全的。Min等[30]用甲酸溶解蚕丝制得的纺丝液进行静电纺丝,得到再生蚕丝纤维网,有着光滑的表面形态和良好的生物相容性,纤维具有宽孔径分布、高孔隙率和高表面积体积比的特点,有利于细胞附着、生长和增殖,是很好的生物医用材料。

2 蚕丝非织造材料后整理

非织造的后整理是使用物理或化学方法,提高产品质量、赋予产品功能、提升产品附加值,从而使产品满足特殊使用性能的方法。在实际应用中,不同领域对非织造材料有不同的性能要求,用于卫生用品的非织造材料要求具有抗菌性、亲水性;用于医疗防护的非织造材料要求“三拒一抗”等。蚕丝非织造材料常用亲水整理、抗菌整理、阻燃整理、防紫外整理等后整理方法提高材料的性能或美观性,以满足不同用途产品的使用要求。

2.1 亲水整理

蚕丝纤维脱胶后吸湿性差、静电大、难梳理,难以进行高速生产,因此需要对脱胶后的蚕丝纤维进行亲水处理。许罗力等[31]研究发现,亲水改性后的蚕丝纤维在高速梳理过程中静电已经基本消除,不再产生飞花、绕辊等影响成网质量的现象,而且水刺纤维网均匀度好,成功提高梳理速度,增加产能。

陈晶晶[32]使用TF629型亲水剂对蚕丝/ES复合非织造材料进行亲水整理,整理后的蚕丝/ES复合非织造材料的拉伸性能、弯曲性能、液体穿透时间、反渗量、透气性等性能优异,均能够满足卫生用非织造材料的使用,在卫生用品市场上有着广阔的前景。

2.2 抗菌整理

蚕丝非织造材料在卫生用品、面膜、医疗用品等领域有越来越多的应用,虽然蚕丝纤维有一定的抗菌性能[33],但非织造材料是多孔性材料,易吸附微生物,在使用过程中易滋生和传递致病菌。因此,对蚕丝非织造材料进行抗菌整理十分重要。

目前广泛使用的抗菌剂大致可分为有机抗菌剂、无机抗菌剂和天然抗菌剂三类,优缺点如表2所示。金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和白色念珠菌是三类常见致病菌的典型代表,通常以此三种致病菌为例研究抗菌剂的抗菌效果。向天夏等[34]用四种不同质量分数的癸甲溴铵抗菌剂溶液对蚕丝/黏胶水刺非织造材料进行抗菌整理,发现随着抗菌剂质量分数增大,抑菌效果越来越好,对一次性卫生用品来说,抗菌剂质量分数选择0.2%～0.3%为宜。许莹等[35]发现壳聚糖整理后的蚕丝纤维非织造材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌有着良好的抗菌性。

表2 蚕丝非织造材料用三类抗菌剂特点Tab.2 Characteristics of three types of antibacterial agents

2.3 阻燃整理

绝大多数纺织品很容易被明火点燃并蔓延,成为火灾中造成人民伤亡和财产损失的主要物品,蚕丝纤维的极限氧指数(LOI)约为24%,属于可燃物,因此对蚕丝纤维及其织物进行阻燃整理很有必要。关晋平[36]采用含磷单体甲基丙烯酰氧乙基二甲基磷酸酯(DMMEP)对蚕丝进行接枝共聚阻燃改性,改性后的蚕丝织物极限氧指数达30%左右,具有良好的阻燃效果。王紫颖等[37]用自制的乙烯基磷氮类阻燃剂(PN)接枝蚕丝织物,能安全通过垂直燃烧测试,有较好的阻燃耐久性。

2.4 防紫外线整理

过度的紫外线照射会使纺织品褪色、强力下降,蚕丝纤维虽有一定的紫外线防护能力,但较长时间紫外线作用后会泛黄,影响美观与使用,所以仍需要改性处理。Zhou等[38]使用含纳米二氧化钛(TiO2)和氧化石墨烯(GO)的桑叶喂食5龄蚕幼虫,得到的蚕丝结构和形貌都没有改变,紫外线保护因子(UPF)值显著提高,获得的蚕丝弥补了天然蚕丝抗日照性差的问题,可直接作为加工纺织产品的原料。Zhang等[39]将板栗叶的提取物对柞蚕丝染色,紫外线防护因子大幅提高,极大提高柞蚕丝的紫外防护性能。Wang等[40]制备了细菌纤维素/蚕丝非织造材料/丝胶的三明治膜,具有良好的生物相容性和抗氧化性,三种材料相互作用,增大了蚕丝非织造材料的强力,也使得材料具有较强的紫外屏蔽性能,在医疗保健和护肤用品中有着潜在应用价值。将改性后具有防紫外性能的蚕丝用于非织造材料,在服装、医用防护材料、卫生材料等领域具有重要意义。

2.5 芳香整理

近年来,科学研究发现一些芳香剂具有镇静、杀菌、保健的功能,催生出香疗法这一新型保健方法。因此,对蚕丝非织造材料进行芳香整理,使产品具有清新的香味,对应用于面膜、衬布、蚕丝被等产品的蚕丝非织造材料来说可以达到防病、保健、振奋精神的目的。β-环糊精(β-CDs)香味释放持久,能够应用于保健、抗菌、驱虫等多个领域,是目前制备多功能芳香纺织品的首选材料[41]。王春梅等[42]制备的磺化、羧甲基化β-CDs衍生物可以以离子键直接与丝织物结合,贮香效果好、时间持久。

2.6 其他后整理

除了以上常见的后整理类型外,蚕丝非织造材料还有一些新型的功能性后整理,如蓄热调温整理,将蓄热微胶囊整理到织物表面,随着外界环境温度的变化吸收热量或释放热量,可以明显提高织物的保温性。使用改性相变微胶囊、有机单体类分散介质和引发剂组成的混合物涂覆于纺织基材的表面,有良好的结合牢度和稳定性,在军事、服装、床上用品和医疗用品等领域内有着巨大的应用前景。

对蚕丝非织造材料进行防污性后整理可以防止油垢或污垢的附着,减少洗涤次数,使纺织品保持美观、色泽和手感,可大幅延长蚕丝非织造材料的使用寿命。

蚕丝纤维导电性差,加工过程纤维与纤维、纤维与设备之间摩擦会使纤维表面积聚电荷,从而产生静电,影响生产,在生产过程中加入抗静电剂、表面活性剂、油剂和硅酮剂等,能减少静电的产生,使加工过程安全高效[43]。

3 蚕丝非织造材料的应用

蚕丝非织造材料具有生产效率高、生物相容性好、透气透湿优良等特点,与人体直接接触无不良反应,与此同时,蚕丝的多孔结构使得蚕丝非织造材料有着良好的吸音隔音、保暖隔热功能。基于以上诸多特性,蚕丝非织造材料可用于美容卫材、医疗防护、组织工程、保暖等领域。但蚕丝产量受桑叶影响,制约着蚕丝材料的发展。嵊州陌桑高科股份有限公司在2017年宣告正式攻克人工饲料工厂化养蚕技术这个世界性难题,实现了全龄人工饲料工厂化养蚕[44],大幅提高了蚕丝的产量。由非织造材料进行生产蚕丝制品,生产方式多、生产效率高,突破了传统蚕丝制品方式的适用范围,具有广泛的应用前景。蚕丝非织造材料应用领域如图4所示。

图4 蚕丝非织造材料应用领域示意Fig.4 Application field diagram of silk nonwovens

3.1 美容卫材领域

通过水刺工艺制成的天然蚕丝非织造材料含有丰富的与人体相似的氨基酸、可溶性蛋白和极性亲水基因,能够平衡皮肤水分,加快皮肤新陈代谢、减缓皮肤衰老、消除黑斑,从而达到护肤养颜的效果,被称为“人体第二肌肤”,适合应用在如面膜、乳贴、卫生巾、纸尿裤等美容卫生用品上。

蚕丝纤维的优点在蚕丝面膜上可以得到很好的体现,因此近年来蚕丝面膜得到消费者更多的青睐。不过市场上的“蚕丝纤维”多为铜氨纤维,其手感柔软、通透性好,具有生物可降解性,成为蚕丝纤维的替代材料,但并没有蚕丝纤维的效用[45]。寻找合适的工艺实现批量化生产蚕丝面膜很有意义,高宁萧等[46]通过静电纺丝得到的复合纤维面膜与市售面膜相比不滴液、贴合面部、孔隙率高透气性良好,价格也更低。

随着时代的发展,卫生用品也涵盖了更多的种类,目前主要有产妇卫生垫、婴儿纸尿裤、成人失禁用品、卫生巾、乳贴等,且它们的主要结构相似,都包括包覆层、储液层、隔离层三个主要结构。唐模秋等[47]用蚕丝/竹纤维制造一种新型的卫生用品面层材料,兼具天然性、环保性和安全性,有很大的潜在应用价值。王娅[48]设计了一种蚕丝/ES复合非织造材料,由此材料制成的卫生用品与皮肤接触时更干爽,使用时会更舒适,有很好的应用前景。

3.2 医疗防护领域

许多研究表明丝胶蛋白是导致蚕丝纤维生物相容性差及引起过敏问题的主要原因,去除丝胶后蚕丝与其他常用生物材料的生物反应程度接近。脱胶后的蚕丝纤维具有良好的降解性、可加工性、生物相容性,而且无毒、无抗原性,降解后的氨基酸可以很好地被人体吸收,适用于各种医疗防护材料[49]。

非织造医用纺织品分为两个种类,一种是与伤口直接接触的纱布、绷带、敷料等。皮肤愈合需要亮氨酸和组氨酸的供给,这些氨基酸在蚕丝中大量存在,因此,皮肤可以直接吸收蚕丝纱布用于促进皮肤组织的再生。Wang等[50]通过静电纺丝制备一种抗黏连的蚕丝非织造伤口敷料,能够避免黏连,在止血时防止伤口二次感染。Wongkrongsak等[51]制备的增强蚕丝非织造材料,对皮肤无毒,促进皮肤细胞增殖再生,可以用于伤口敷料。另一种是过滤有害物质,防止细菌穿透的口罩、手术衣、防护服、医用过滤布等医用纺织品。蚕丝非织造医用材料穿着柔软性舒适性良好,能有效抵挡细菌侵入,储藏简便[52]。Lang等[53],Jokisch等[54]制备的蚕丝非织造过滤材料,有着极高的过滤效率,在空气过滤、医疗防护领域有着极大的应用价值。

3.3 生物组织工程材料

蚕丝纤维有着细胞黏附性、高生物相容性、低免疫原性、热稳定性,便于消毒、化学改性和生物可降解的特性,能满足多种生物材料的要求,几百年前就一直被用于生物医学领域,主要用于伤口的包扎。蚕丝用作手术缝合线时,如果去除丝胶,机体对丝蛋白纤维的生物反应与大多数其他常用生物材料相当。并且,蚕丝会在体内发生水解,一段时间后被缓慢吸收[49]。

蚕丝非织造材料与人体内的生物相容性极好,能够帮助细胞快速生长和增殖,促进组织修复[55],可以应用于组织工程材料[56-57]。张锋[58]构建了一种蚕丝蛋白基支架,植入大鼠体内无不良反应,可引导神经再生,应用于神经修复方向。HU等[59]则在3D水刺蚕丝蛋白非织造材料(3D silk fibroin nonwovens, 3D-SFnws)培养基上,培养非致瘤性成人皮肤成纤维细胞(human dermal fibroblasts, HDFs),在3D-SFnws上HDFs有着良好的代谢活性,可以用于皮肤伤口的血管修复。

3.4 保暖材料

蚕丝纤维生物相容性、透气透湿性好,富含氨基酸,长期与人体接触可以使皮肤细腻光滑,作为保暖材料有着广泛的应用,如被罩、絮垫、服装里衬等。早在1998年,浙江省计经委就制定了“真丝非织造絮垫”的项目,其以蚕丝短纤维为原料,经过针刺工艺加工,印染后整理而成。除此之外,利用针刺工艺和热风黏合固结工艺加固得到的丝绵复合絮片,具有较好的压缩恢复性能、透气性能和一定的强力,可用于保暖服装的生产[60]。

3.5 智能电子器件

蚕丝有着高介电常数、生物相容性、机械稳定性、可调降解性等性能,还有着在高透明度、丰富的功能化位点、纳米级加工性等特点,能够用于生物存储、柔性传感器、光学器件等智能电子器件。

以静电纺丝得到的蚕丝蛋白纤维薄膜,作为传感器的结构支撑层和功能传感层设计的一种可穿戴全纤维多功能传感器(AFMS)[61],能够保留蚕丝优异的生物相容性,同时还能使传感器具有良好的透气性、柔性及多孔结构,具有优异的机械可靠性和传感稳定性,使AFMS在智能传感领域(如智能服装)具有巨大潜力。Gogurlan等[62]制备一种自供电智能纺织品,可用于可穿戴智能服装技术、医疗保健等,在加热治疗、电生理信号监测、能量收集和触觉传感方面具有潜在的应用前景。He等[63]制备的导电碳纳米管改性蚕丝非织造材料适用于可穿戴电子器件,在下一代可穿戴电子设备的先进柔性智能电子皮肤和人机界面方面具有巨大的应用潜力。

3.6 其他应用

蚕丝含有丰富的蚕丝蛋白,有着良好的生物相容性和生物降解性,在许多领域都有应用,除了上述的应用领域外,还可应用在如农业、食品、光学等其他领域。

采用亚麻和蚕丝纤维的纺织下脚料制备的麻/丝非织造布农用地膜,具有很好的保湿和保温作用,可完全自然降解,并且降解后可以提高土壤含氮量,有利于农作物的生长,有良好的应用前景[64-65]。

将蚕丝非织造材料制作种子包衣将种子封装在土壤中,减弱非生物应激源并为种子生长发育提供营养物质和肥料,可以促进种子发芽,提高作物产量。

丝素蛋白与人体生物相容性好,又可生物降解使得丝素蛋白可食用,且具有出色的机械性能,可以根据这些特点制备可食用涂料,保持食物新鲜。

蚕丝的光学透明性好、粗糙度低、机械耐久性好,能在纳米级条件下加工,因此,蚕丝非织造材料可被用于纳米级光学器件的制作,如生产光子晶体、光学衍射器件、光制动器等[66]。

4 蚕丝非织造材料发展方向

蚕丝非织造材料在以上诸多领域体现出优势和特点的同时,其耐磨性差、易褶皱等问题也亟需解决,与此同时,对蚕丝的多功能化和高性能化改性也有利于拓宽蚕丝非织造材料的应用领域。总体而言,随着纺织科技的进一步发展及多学科的进一步交叉衍生,笔者认为蚕丝非织造材料在材料及工艺复合化、多功能化、高性能化及标准化等方面具有较大的研究和发展前景。

4.1 材料复合化

为了进一步提高蚕丝非织造材料的物理机械性能和舒适性等,可采用蚕丝纤维与其他纤维材料进行复合,以提高其整体使用价值,拓宽其应用范围。普通蚕丝面料手感柔软、透气透湿性能好,但耐磨性差、易皱,可采用桑蚕丝、聚乳酸纤维和甲壳素纤维混纺进行改善,也可以与涤纶混纺改善手感。根据不同纤维的优缺点对某项性能进行改善已经成为常用方法,蚕丝非织造材料持续发展离不开与其他材料进行复合。

4.2 多功能化

随着社会的发展、生活质量的不断提升,对材料的功能性要求日趋提高,各种功能高分子材料被开发并得到广泛应用。蚕丝非织造材料也应该具备多种功能,满足特定领域的使用要求,如在医疗卫生领域,生物医用材料不仅基本性能如机械强度、抗疲劳性、耐磨损性等要满足使用要求,还要无毒无害、不影响其他组织和器官的正常功能,不能对宿主引起危害等。在家居行业,除了满足家居用品必要的舒适性外,还应做出阻燃的要求。保暖材料在满足保温性能时,进行蓄热调温整理,可以满足材料在不同环境下的使用要求,增加材料的附加价值。

4.3 高性能化

蚕丝非织造材料的高性能化主要体现在材料的制备工艺升级、改善及创新,蚕丝内部结构的优化,从而使材料的某项性能或者整体性能指标提高。在应用于医疗防护、美容卫材时,要求材料可靠且稳定,因此,蚕丝纤维应该有足够的强度,可以将蚕丝纤维挠曲改性,原位矿化[67],增加纤维强力和耐磨性。

4.4 标准化

目前,与蚕丝非织造材料相近的标准,仅可见国家标准GB/T 24252—2019 《蚕丝被》、地方标准DB50/T 358—2010《保胶桑蚕丝被》、行业标准T/ZFB 0044—2023《循环再利用蚕丝针刺非织造布》,未见特别相关的蚕丝非织造材料标准。浙江省纺织工程学会起草了《面膜用桑蚕丝水刺非织造布》(T/ZFB 00XX—2023),要求满足FZ/T 64012—2013 《卫生用水刺法非织造布》的性能,有利于面膜用桑蚕丝水刺法非织造布的规范化生产。除此之外,蚕丝非织造材料用于婴幼儿及儿童产品、卫生用品、绷带、服装等,均须满足相应的强制标准要求。

5 结 语

蚕丝非织造材料是蚕丝纤维通过非织造加工工艺得到的材料,与传统的蚕丝织物相比,具有生产成本低、生产效率高、应用范围广的优点,可以通过干法、湿法、静电纺丝法成网等非织造加工方法实现,目前在美容卫材、医用防护、生物组织工程、保暖材料、智能电子器件等领域均有应用。但目前中国在高端蚕丝非织造产品如智能可穿戴设备、柔性传感器、植入式医疗器械、生物支架等领域,与国外相比仍有较大差距。因此,中国研究者一方面应继续推动产品向高质量发展,尽快达到世界先进水平;另一方面向多功能发展,促进中国蚕丝非织造材料在各个领域的进一步发展和应用。