Биополимерные волокна

Биополимерные волокна — это волокна, получаемые из природных полимеров (биополимеров) или синтезируемые из возобновляемого биологического сырья, которые способны к биологическому разложению в естественных условиях. Они относятся к классу биоматериалов и противопоставляются традиционным синтетическим волокнам на основе нефтехимии (полиэстер, полиамид, полипропилен). Основными источниками сырья для биополимерных волокон являются полисахариды (целлюлоза, хитин, крахмал), белки (коллаген, кератин, фиброин шелка) и полиэфиры, продуцируемые микроорганизмами (полигидроксиалканоаты).

Классификация

Биополимерные волокна классифицируют по происхождению, способу получения и способности к разложению.

По происхождению

Природные (натуральные) волокна: образуются в живых организмах без вмешательства человека. Примеры: хлопок (целлюлоза), лен, шерсть (кератин), шелк (фиброин), джут, конопля.
Искусственные волокна (регенерированные): получают химической переработкой природного биополимера. Наиболее распространены вискозные волокна (из целлюлозы), лиоцелл (растворение целлюлозы в N-метилморфолин-N-оксиде), ацетатные волокна, а также волокна из хитозана (продукта деацетилирования хитина).
Синтетические биополимерные волокна: получают химическим синтезом мономеров из возобновляемого сырья (например, молочной кислоты из кукурузы) с последующей полимеризацией. К ним относятся волокна из полилактида (PLA), полигликолевой кислоты (PGA) и полигидроксиалканоатов (PHA).

По способности к биодеградации

Биоразлагаемые: полностью разлагаются микроорганизмами до воды, углекислого газа (или метана) и биомассы в заданных условиях (компостирование, почва, вода). Примеры: PLA, PHA, волокна из хитозана.
Небиоразлагаемые (или медленно разлагаемые): природные волокна (целлюлоза, шерсть) разлагаются в естественной среде, но скорость их разложения может быть значительно ниже, чем у синтетических биополимеров. Некоторые искусственные волокна (например, ацетатные) могут быть устойчивы к биодеградации в зависимости от степени химической модификации.

История

Использование природных биополимерных волокон (льна, хлопка, шерсти) началось за несколько тысячелетий до нашей эры. Первое искусственное биополимерное волокно — нитрошелк (коллодийное волокно) — было получено в 1846 году К. Ф. Шёнбейном, однако оно было пожароопасным. В 1884 году французский химик Илер де Шардонне получил искусственный шелк из нитрата целлюлозы, а в 1891 году началось промышленное производство вискозного волокна (медно-аммиачный способ). В 1920-х годах был освоен выпуск ацетатных волокон.

В 1950-х годах начались исследования полилактида (PLA), однако промышленное производство волокон из него стартовало лишь в конце 1990-х — начале 2000-х годов. В 2000-е годы активно развивались технологии получения лиоцелла (торговая марка Tencel) и волокон из хитозана. В 2010-е годы возрос интерес к полигидроксиалканоатам (PHA) и волокнам из белка паутины (рекомбинантный спидроин).

Получение

Технологии получения искусственных волокон

Растворение биополимера. Природный полимер (целлюлозу, хитозан) растворяют в подходящем растворителе. Для целлюлозы применяют сероуглерод (вискоза), N-метилморфолин-N-оксид (лиоцелл), ионные жидкости.
Формование (прядение). Раствор продавливают через фильеры (капилляры) в осадительную ванну, где полимер коагулирует (отверждается) в виде нитей. Различают мокрое, сухое и сухо-мокрое прядение.
Постобработка. Нити промывают, сушат, вытягивают (для ориентации молекул и повышения прочности), подвергают отделке (замасливание, кручение, текстурирование).

Технологии получения синтетических биополимерных волокон

Синтез полимера. Мономеры (например, молочная кислота, гликолевая кислота) получают ферментацией сахаров (кукуруза, сахарный тростник, свекла) или из растительных масел. Затем проводят поликонденсацию или полимеризацию с раскрытием цикла.
Формование. Расплав полимера (или его раствор) экструдируют через фильеры и охлаждают (или осаждают). Для PLA и PGA чаще используется расплавное прядение.
Постобработка. Аналогично искусственным волокнам.

Свойства и характеристики

Свойства биополимерных волокон варьируются в широких пределах в зависимости от исходного полимера и технологии получения.

Механические свойства: Прочность на разрыв у вискозных волокон составляет 20–40 сН/текс, у лиоцелла — до 50 сН/текс, у PLA — 30–50 сН/текс. Удлинение при разрыве — от 5% (лен) до 40% (шерсть). Модуль упругости — от 1 ГПа (шерсть) до 30 ГПа (лен).
Термические свойства: Температура плавления PLA — около 170–180°C, PGA — 220–230°C. Целлюлозные волокна не плавятся, а разлагаются при нагреве выше 300°C. Шерсть и шелк устойчивы до 150°C.
Гигроскопичность: Целлюлозные волокна (хлопок, вискоза) обладают высокой гигроскопичностью (впитывают до 10–12% влаги). PLA и PHA — гидрофобны (менее 1% влагопоглощения).
Биоразлагаемость: PLA разлагается в промышленных компостерах при температуре 60°C и влажности за 3–6 месяцев. PHA разлагается в почве и морской воде за 1–2 года. Целлюлозные волокна разлагаются в почве за 1–3 месяца.
Совместимость с тканями: Некоторые биополимеры (хитозан, коллаген, PLA) биосовместимы и используются в медицине.

Применение

Текстильная промышленность

Одежда и ткани: Вискоза, лиоцелл, ацетат, PLA используются для производства платьев, блуз, спортивной одежды, подкладки. Хлопок и лен — основа повседневной одежды.
Нетканые материалы: Из PLA, PHA, хитозана изготавливают одноразовые салфетки, маски, подгузники, гигиенические прокладки.

Медицина

Хирургические нити: PGA и PLA применяются для создания рассасывающихся швов (например, Vicryl, Dexon). Они разлагаются в организме через 60–90 дней.
Имплантаты и скаффолды: Из PLA, PHA, хитозана изготавливают каркасы для тканевой инженерии (восстановление костей, хрящей, сосудов).
Раневые покрытия: Хитозановые волокна обладают антибактериальными свойствами и используются в повязках для лечения ожогов и ран.

Упаковка

Биоразлагаемая упаковка: Из PLA и PHA производят пленки, контейнеры, пакеты, одноразовую посуду. Такая упаковка разлагается в компосте.
Сельское хозяйство: Мульчирующие пленки из PLA и PHA, которые разлагаются в почве после сбора урожая.

Другие области

Автомобилестроение: Композиты на основе льна, джута, конопли используются для внутренней отделки салонов (панели, двери).
Строительство: Армирующие волокна из льна и конопли в композитных материалах.
Фильтрация: Хитозановые и целлюлозные волокна применяются для фильтрации воды и воздуха.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Возобновляемость сырья: Использование растительного и микробного сырья вместо нефти.
Биоразлагаемость: Снижение нагрузки на окружающую среду (свалки, микропластик).
Биосовместимость: Возможность применения в медицине.
Низкая токсичность: Отсутствие вредных выделений при производстве и утилизации (для некоторых видов).
Хорошие гигиенические свойства: Высокая гигроскопичность, воздухопроницаемость (целлюлозные волокна).

Недостатки

Более высокая стоимость: Производство PLA и PHA пока дороже, чем полиэстера или полипропилена.
Ограниченная термостойкость: PLA размягчается при 60°C, что ограничивает его применение.
Более низкая механическая прочность: По сравнению с арамидными или углеродными волокнами.
Зависимость от сельского хозяйства: Конкуренция с пищевыми культурами (кукуруза, сахарный тростник).
Необходимость специальных условий для разложения: PLA разлагается только в промышленных компостерах, а не в почве или воде.

Перспективы развития

Основные направления исследований включают:

Разработку новых биополимеров с улучшенными свойствами (например, сополимеры PLA и PHA, нанокомпозиты).
Использование непищевого сырья (целлюлоза из древесины, отходы сельского хозяйства, водоросли).
Создание «умных» биополимерных волокон с антимикробными, самоочищающимися или терморегулирующими свойствами.
Развитие технологий переработки и утилизации (компостирование, химический рециклинг).
Применение в 3D-печати (филаменты из PLA, PHA).

Источники

Биополимеры и биоматериалы: учебное пособие / Под ред. А. Л. Иорданского. — М.: Научный мир, 2018.
Textile Fibers: A Handbook for Engineers and Technologists / Ed. by J. W. S. Hearle. — Woodhead Publishing, 2012.
Poly(Lactic Acid): Synthesis, Structures, Properties, Processing, and Applications / Ed. by R. Auras, L.-T. Lim, S. E. M. Selke, H. Tsuji. — Wiley, 2010.
Химия и технология полимерных волокон / Под ред. К. Е. Перепелкина. — М.: Химия, 1985.
Biopolymers: New Materials for Sustainable Films and Coatings / Ed. by D. Plackett. — Wiley, 2011.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →