生物技術與服用新材料研發(fā)

馮憲

（上海市服裝研究所，上海 200336）

生物技術與服用新材料研發(fā)

馮憲

（上海市服裝研究所，上海 200336）

在紡織服裝產(chǎn)業(yè)，利用仿生技術不斷提高服用材料性能，可以生成智能、功能性和超能型三大類材料；而現(xiàn)代生物質(zhì)開發(fā)可以生成再生性強和再利用性兩大類材料，有利于研發(fā)出更多具有新功能、新創(chuàng)意的服用材料，并通過推廣應用更好地實現(xiàn)節(jié)約資源、保護環(huán)境、滿足人民提高生活質(zhì)量和美化生活的需求。

生物技術；服用材料；創(chuàng)新研發(fā)

以生物學為理論基礎和研究依據(jù)的生物技術是一門既古老又新興的綜合性學科。它以生命科學為基礎，結(jié)合運用其他基礎科學的原理，采用先進的科學技術手段，研究生物生存生長方式，并利用微生物、動植物體，按照預先設計對相關物質(zhì)或原料進行改造加工，為人類創(chuàng)造出適應環(huán)境變化、社會發(fā)展所需要的新產(chǎn)品，或?qū)崿F(xiàn)某種針對性強的研發(fā)目標。生物技術研究運用的途徑主要包括釀造技術、發(fā)酵技術和現(xiàn)代生物技術。現(xiàn)代生物技術以仿生工程、基因工程、細胞工程、酶工程為代表，它和古代利用微生物的釀造技術和近代的發(fā)酵技術既有發(fā)展中的聯(lián)系，又有質(zhì)的區(qū)別。古代的釀造技術和近代的發(fā)酵技術只是利用現(xiàn)有的生物或生物機能為人類服務，而現(xiàn)代的生物技術則是按照人們的意愿和需要，創(chuàng)造全新的物質(zhì)類型和機能，或者改進現(xiàn)有的生物類型和生物機能，包括改造人類自身，從而造福于人類。

進入21世紀后，世界生物技術研究與運用呈現(xiàn)出勃發(fā)之勢，對于相關行業(yè)新材料研發(fā)和可持續(xù)發(fā)展起到拓展性作用，紡織服裝產(chǎn)業(yè)也不例外。

1 生物技術在紡織服裝行業(yè)的衍進

生物技術在紡織服裝行業(yè)的衍進可用圖1表現(xiàn)出來。

所謂仿生技術是指利用仿生學原理，通過了解生物的結(jié)構(gòu)和功能，效仿生物特殊本領與功能，而設計研發(fā)出新材料，能解決人類現(xiàn)實生活中碰到的難題或推進技術進步，不斷提高生活質(zhì)量。仿生學是在上個世紀中期才出現(xiàn)的一門新的邊緣科學。“仿生”一詞是由美國科學家JE 斯蒂爾于1960年

發(fā)明的，他將拉丁文bios（意思是“生命方式”）和nlc（詞尾，意思是“具有……的性質(zhì)”）組合在一起，成為一個新詞。在紡織行業(yè)，仿生技術運用可以生成智能、功能性和超能型3大類材料。

圖1 生物技術在紡織服裝行業(yè)的衍進

所謂生物質(zhì)材料是針對煤炭、礦石、石油等化石類資源而言的。全世界現(xiàn)有化石資源貯備有限，且再生性差，總有一天會枯竭。因此，自然界中可再生的生物物質(zhì)又重新被人所重視。在自然環(huán)境中，一些動植物的派生物質(zhì)或廢棄物質(zhì)，乃至某些微生物都是生物質(zhì)材料的來源。利用生物技術可以將一些廢棄或殘留的生物質(zhì)進行分解、改性、改形，再經(jīng)過加工形成另一類新型的實用性強、能滿足人類生活需求的材料。生物質(zhì)材料有傳統(tǒng)和現(xiàn)代之分，在紡織行業(yè)，應該說棉、麻、絲、毛類纖維屬于傳統(tǒng)的生物質(zhì)材料，而牛奶、大豆、玉米、萊賽爾、莫代爾、竹乃至甲殼素等新近研發(fā)的纖維則應歸入現(xiàn)代新型生物質(zhì)材料范疇中。在紡織行業(yè)，現(xiàn)代生物質(zhì)開發(fā)可以生成再生性強和再利用性兩大類材料。

隨著社會、生產(chǎn)需要和科學技術的發(fā)展，從20世紀50年代以來，人們已經(jīng)認識到生物系統(tǒng)是開辟新技術、新材料的主要途徑之一，并自覺地把生物界作為各種技術思想、設計原理和創(chuàng)造發(fā)明的源泉。人們運用化學、物理學、數(shù)學以及建立技術模型等方式對生物系統(tǒng)開展深入的研究，并通過生物學家和工程師們積極合作，努力將從生物界獲得的知識用來改善原有的或創(chuàng)造新的材料或工程技術、設備。短短幾十年，研究成果已經(jīng)非常可觀。生物技術向縱深發(fā)展開辟了獨特的途徑，也就是向生物界索取創(chuàng)新思路和創(chuàng)新手段，大大開闊了人們利用自然物質(zhì)的眼界，顯示了極強的生命力。

2 仿生技術與服用新材料研發(fā)

當前仿生技術的運用已在紡織服裝領域取得了初步成果，有效地擴展了服用材料的功能。譬如：受到植物果實——松果的啟發(fā)，英國倫敦藝術大學時裝學院與巴斯大學的研究員研制出一種具有排濕調(diào)溫功能的智能衣服面料，這種仿松果衣料取材于羊毛，并分為兩層結(jié)構(gòu)，表面為尖狀吸水層，尖條之間相隔只有二百分之一毫米，根據(jù)人體微環(huán)境的細微變化，這種尖狀物會像松果鱗葉一樣自動開合。當穿著者體溫升高和排汗增加時，感應到水氣的尖狀物會自動打開透氣，容許外面的空氣進入降溫；而當穿著者停止流汗后，服裝內(nèi)外部溫度和濕度平衡后，尖狀物便會閉合，阻止空氣進入。這種仿生服用面料大大增加了穿著舒適度。再如：通過模仿會改變皮膚顏色的南美蜥蜴，美國康涅狄格大學副教授雷格?佐青發(fā)明了一種會根據(jù)環(huán)境條件變化色彩的服用面料，這種面料采用“電致變聚合物”的纖維織成，其化學鍵中的電子可以吸收不同可見波長的光線，并可以依據(jù)所施加的電場改變顏色。用這種布料制成的服裝，不僅具有一定隱身功能，還可以根據(jù)穿著者的心情用微型控制器來調(diào)控服裝的顏色，增加穿著的愉悅感。

圖2 仿荷葉表面結(jié)構(gòu)的拒水、防污面料

另外，紡織科技工作者從荷花葉子“出淤泥而不染”的特點受到啟發(fā)，研發(fā)出“拒水自潔式”服用面料。他們利用納米材料和技術進行處理，令布料表面產(chǎn)生一種類似荷花葉子表面所具有的“拒水、抗污染”的細微矗立的絨毛結(jié)構(gòu)，可以有效地防止水滴、污物粘附，從而達到“干爽、自潔”功能，減少服裝洗滌保養(yǎng)次數(shù)，有利于節(jié)約資源和環(huán)境保護，成為易護理功能型面料的代表。紡織科技工作者還通過分析蜘蛛吐絲成分，研制出強度超高的“蛛絲”纖維，用這種纖維織成布料，既輕盈又堅韌，是很好的防彈衣面料，也成為超能性纖維的代表。通過研究發(fā)現(xiàn)，北極熊的毛呈中空管狀，能夠吸收陽光，而皮膚則有具有一層積蓄貯藏熱量的物質(zhì)，由此產(chǎn)生的“吸熱、貯熱”功效，大大增強了北極熊的自身保

暖功能，于是紡織科技工作者根據(jù)仿生學原理，研發(fā)了一種類似北極熊皮毛的“蓄熱型”保暖服用面料，大大提高冬季服裝持續(xù)保暖的功能。

上述介紹的一些事例表明，利用仿生技術不斷提高服用材料性能，積極擴展?jié)M足人類穿著使用需求的功能，在紡織服裝行業(yè)技術創(chuàng)新研發(fā)方面是大有可為的。

圖3 設計靈感來自飛鼠的滑翔翼服裝

3 生物質(zhì)技術與服用新材料研發(fā)

在再生性強方面，或許竹纖維及面料最具代表性。研究結(jié)果表明，竹子是地球上生長速度最快的植物，生長過程中不需化肥和農(nóng)藥，耗水量也不多，可以防止水土流失，并且能夠抵抗洪水和干旱。在相同空間內(nèi)，竹子能比普通樹木、植物多制造30%的氧氣，因而有助于減緩全球氣候變暖。因此，竹纖維是一種更為“低碳”紡織原材料。竹纖維具有良好的透氣性、瞬間吸水性、較強的耐磨性和良好的染色性等特性，同時又具有天然抗菌、抑菌、除螨、防臭和抗紫外線等功能，經(jīng)過適當?shù)募庸ぬ幚恚窭w維比棉纖維更柔軟，與真絲和羊絨的質(zhì)地相似。專家指出，竹纖維是一種真正意義上的天然再生性強的綠色纖維，目前已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)研發(fā)、推廣。竹纖維的形成有兩種途徑：一種是“竹原纖維”，它是采用物理、化學相結(jié)合的方法制取。制取過程為：竹材→制竹片→蒸竹片→壓碎分解→生物酶脫膠→梳理纖維→紡織用纖維；另一種是“竹粘膠纖維”，它包括竹漿纖維和竹炭纖維兩類。竹漿纖維是將竹片打成漿，然后將漿制成漿粕，再通過濕法紡絲制成，其制作加工過程基本與其他粘膠相似，但采用這種方法加工，竹子的天然特性會遭到破壞，纖維的除臭、抗菌、防紫外線功能明顯下降。竹炭纖維是選用納米級竹炭微粉，經(jīng)過特殊工藝加入粘膠紡絲液中，再經(jīng)過近似于常規(guī)紡絲工藝紡出的纖維產(chǎn)品。

圖4 依次為竹原纖維、竹漿纖維、竹炭纖維

在再利用性材料方面，目前以萊賽爾纖維及面料最為突出，堪稱為21世紀的第一綠色纖維。萊賽爾（Lyocell）纖維，俗稱“天絲”，它以針葉樹種的樹皮為原料，這種天然植物在自然界中取之不盡用之不竭。生產(chǎn)過程無需進行化學反應，所用溶劑無毒，且回收率高達99.7%，節(jié)能、環(huán)保，且可循環(huán)利用。作為一種全新的紡織服裝面料，萊賽爾纖維于20世紀90年代中期在歐洲問世，被譽為近半個世紀以來人造纖維史上最具價值的產(chǎn)品。它不僅具有天然纖維棉花所具有的舒適性、手感好、易染色等特點，還同時具有滌綸的“強度”、毛織物的“豪華美感”和真絲獨特的“滑爽觸感”及“柔軟垂墜”等特點。無論在干或濕的狀態(tài)下，萊賽爾纖維均極具韌性，在濕的狀態(tài)下，它是第一種濕強力遠勝于棉纖維的纖維素纖維。另外，由于萊賽爾纖維采用百分之百純天然原料，加上助劑可回收式環(huán)保、清潔的制造流程，形成了傳統(tǒng)粘膠纖維生產(chǎn)所不具備的環(huán)保優(yōu)點，讓人們的穿衣方式更加體現(xiàn)保護自然環(huán)境和以自身健康安全為本，完全符合現(xiàn)代綠色環(huán)保消費需求。萊賽爾纖維的另一大特點是可以純紡，也可與棉、毛、絲、麻、化纖、羊絨等其他纖維混紡交織，適用于各類紡織機織、針織紗線與織物的研發(fā)。此外，利用生物

技術，從類似于蝦蟹外殼、麥秸稈、香蕉皮、咖啡渣等各種生物廢棄物中提取紡織纖維和材料，也屬于再利用性材料開發(fā)范疇。

4 生物技術未來在紡織行業(yè)中的研究應用

2013年9月12日，美國國會圖書館舉辦了一次有關如何確保人類文明持久性的研討會。在這次會議上，數(shù)位美國國內(nèi)頂尖學者和未來學家預言了未來世紀可能出現(xiàn)的五大科學幻想，其中就包括仿生世界——生物學進一步復興。從紡織服裝行業(yè)自身的技術進步和創(chuàng)新需要出發(fā)，我們應當對此加以關注，因為方興未艾的生物技術可能會對行業(yè)今后技術創(chuàng)新發(fā)展有密切的關聯(lián)。

未來，生物化學品及生物質(zhì)紡織品應當成為紡織服裝行業(yè)技術創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新應用研究發(fā)展的方向和重要內(nèi)容。所謂生物化學品是指依靠生物物質(zhì)，采用物理及化學方式演化而成的環(huán)境友好、無害及可持續(xù)發(fā)展的化工產(chǎn)品，在紡織服裝生產(chǎn)領域多用于印染、整理和深加工方面；而生物質(zhì)紡織品則是指通過采用動植物再生強特點或廢棄物質(zhì)乃至有益菌種研發(fā)的綠色紡織品。它們均在安全、環(huán)境友好及可持續(xù)發(fā)展方面具有比較突出的優(yōu)勢。

圖5 顯微鏡下萊賽爾纖維的橫截面和縱截面圖

圖6 英國科學家發(fā)明的新生物質(zhì)服裝（面料系用茶葉水+微生物生成）

無論是生物化學品，還是生物紡織品的研發(fā)，都離不開生物技術運用。因為如果要利用動植物，乃至微生物等各種生物物質(zhì)，就必須了解其生存條件需求，認識其生長、運動規(guī)律，掌握其構(gòu)造、特點，尋求其可利用的長處，以及培育、加工、處理的可行性方式與手段。所以，生物技術在生物化學品及生物質(zhì)紡織品的研發(fā)和成果化推進過程中，將是必不可少的，具有重要應用價值的技術，需要認真把握。毫不夸張地說，生物技術在紡織服裝行業(yè)的推廣運用，關乎到整個行業(yè)的綠色、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展，其重點研究方向已經(jīng)成為世界性紡織科技的前沿問題。

5 結(jié)語

綜上所述，服用新材料多樣化的開發(fā)，主要還是依賴于科技進步與創(chuàng)新，而注重類似仿生學、生物質(zhì)技術等前沿科技研發(fā)方式，就能夠激發(fā)創(chuàng)新思維，增添創(chuàng)新手段，爭取研發(fā)出更多新功能、新創(chuàng)意的服用材料，并通過推廣應用，更好地滿足人民提高生活質(zhì)量和美化生活的需求。

在利用生物技術方面，紡織服裝行業(yè)已經(jīng)有所收獲，未來還須不斷探索和深入研究。要通過把握“生物技術運用普及”的發(fā)展趨勢，重視基礎性研究，重視民用推廣，要加強與生命科學、計算機設計、信息工程以及物理、化學、生物學等學科的聯(lián)手，并注重產(chǎn)學研用等方面的交流與溝通。以此而論，紡織服裝行業(yè)在繼續(xù)利用生物技術方面，一定還會有新的更大的突破。

[1]湯璐，薛永萍，蔡萌.生物技術創(chuàng)新與發(fā)展[J].合作經(jīng)濟與科技，2009（2）.

[2]趙永霞.陳余.生物技術在紡織行業(yè)中的應用[J].紡織導報，2011（11）.

[3]馮憲.仿生學與服用面料的功能拓展[C].上海紡織工程學會服裝專委會技術交流會，2014.

（責任編輯：田犇）

The Research and Development of Biotechnology and New Clothing Materials

FENG Xian
(Shanghai Clothing Institute,Shanghai 200336,China)

TS102

B

1674-2346（2015）02-0010-05

2015－02－03

馮憲，男，高級工程師。研究方向：紡織材料

10.3969/j.issn.1674-2346.2015.02.003