生物降解性纤维的制造和利用

    1、前言　
    生物降解性纤维是“以微生物分泌的酵素可以降解的高分子纤维”。首先，由微生物分泌的加水分解酵素切断高分子链，变成低分子量化合物，被吸收到微生物体内。在微生物体内进一步由酵素作用分解成二氧化碳和水，回到自然。
    纤维技术的开发一直以模仿丝和羊毛等天然纤维的功能性进行发展。纤维的利用也不仅是在纤维间积蓄空气进行保暖，保护人体的衣料用途，已经以合成纤维为中心作为工业材料支撑产业。进而，中空纤维的登场，开发了人工透析，最近还被利用为放入人体的人工血管等医疗材料。随着这些用途的开发，合成纤维强度和细度、功能性提高，正凌驾于天然纤维之上。但是，因为不具有天然纤维所具有的“回归自然”功能，成为环境污染和废弃物处理问题的原因。今后，采用素材原料的改性和复合化技术，一方面保持合成纤维具有的功能性，一方面进行环境负荷小的纤维材料开发的社会必要性日益增高。
    生物降解性纤维是有效利用天然纤维或者使用具有生物降解性的高分子材料制造纤维。利用天然纤维的场合，对生物降解性复合材料的补强有效。代替以前的玻璃纤维，利用麻、洋麻、竹子等纤维素系纤维。这种复合材料得到了比使用玻璃纤维时的低密度成型物，为轻量化和低成本化作出了贡献。由生物降解性高分子制造纤维的场合，对手术缝合线等的高度利用有效。手术缝合线利用聚乙二醇酸，在移植后约15周被分解吸收。另外，聚乳酸纤维是在衣料也继续利用的通用材料，正期待于日益增加的多用途。如兵库县立工业技术中心使用聚乳酸纤维/棉＝50：50试做了纺前染色织物和服装。今后，这些生物降解性纤维将随着生物降解性高分子的增产和低价格化而扩展利用范围。
    2、生物降解性纤维的原料　
    生物降解性纤维也从石油等化石资源生产，但从循环型体系构筑的观点看，从可再生天然资源由来生产的引人注目。近年来，由这些天然资源制造的生物降解性高分子已变成被叫做生物基础聚合物。
    主要生物降解性纤维的原材料如表1所示。聚乳酸（PLA）纤维以玉米等含有的淀粉为原料，作为生物基础聚合物在汽车板材等实用化。在美国，14万吨/年的聚乳酸制造装置已在运行，日本国内也有1000吨/年的生产装置在运行。聚羟基丁酸酯（PHB）是由微生物生产的高分子，PHB是微生物准备饥饿状态，积蓄在体内的物质，是我们人们体内也存在的物质。细菌纤维素是特定的醋酸菌分泌纤维素微细原纤维的，细菌纤维素的微细网状结构正作为医疗用分离膜在研究。微生物多糖类是微生物生产的多糖类，正在开发普鲁兰多糖和可得兰多糖。其他，以前的天然高分子材料也具有生物降解性。纤维素是以麻、棉等天然纤维和像粘胶丝那样的再生纤维进行利用。壳聚糖由含在蟹和虾等甲壳和甲虫的外皮等甲壳质生产，采用壳多糖纤维的纺丝研究和纤维素纤维的复合化，正作为抗菌材料进行实用化。丝纤维蛋白很早以来就作为绢丝使用，但人工纺丝困难。近年来采用电场纺丝法使纤维化变成可能。胶原是多含在生物体内的物质，但从其水溶液制造的胶原纤维，正作为美发材料进行实用化。
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    作为从石油资源制造的生物降解性纤维有脂肪族聚酯。聚羟基丁酸酯及其与己二酸酯的共聚物正在产品化。聚己内酯也已经在市场销售，但因为温度低到60℃，一般的纤维还没有利用。但是，因为容易与其他的聚合物混合，正期待向与聚酰胺和聚氨酯等的混合体和共聚物的利用。
    作为其他从石油资源来的生物降解性高分子材料，有聚乙烯醇（PVA）和聚酰胺、聚氨酯等。聚乙烯醇共聚物多数具有生物降解性已经明确。聚酰胺是具有酰胺键的高分子。聚氨基酸是聚酰胺的一种，具有高的生物降解性，但尼龙66这样的聚酰胺为脂肪族，也是生物降解性低。另外，聚氨酯由微生物霉进行分解。其他通用高分子具有生物降解性的有聚碳酸酯和聚醚、聚丙烯酸等。
    3、生物降解性纤维的制造　
    生物降解性纤维的重要因素是素材原料，但关于产品化，使用时的物性和生物分解速度的控制也成为重要因素。原材料的改性和混合技术、共聚物，加上最近不仅是单一素材，而且是以改变物性和纤度控制分解速度的不同材料为芯鞘结构，维持降解性和强度的复合系材料的开发也正在研究。
    近年来，作为新的纺丝方法正在进行电场纺丝法的研究开发，日本纤维学会有“纳米纤维研究会”正在积极地进行研究开发。电场纺丝法与迄今的熔融纺丝和湿法纺丝不同，是使用高电压制造纳米纤维的技术。由于使用这种方法，迄今纤维化困难的材料和立体的毡成型也变成了可能。如使用电场纺丝的胶原纤维，像蛋白质那样的热进行变性的材料也能够容易地纤维化。另外，由电场纺丝法的立体成型聚己内酯纤维，如使纤维集积成指型，可以制做无缝制的立体罩型成型物（聚己内酯毡手指罩）使用这些新纺丝法制得的微细纳米级生物降解性纤维正期待向医疗和护理用品、无缝制内衣等展开。
    4、生物降解性纤维的利用　
    生物降解性纤维是在自然界生物降解而形态为纤维，正在研究活用它的利用。
    从防止环境污染的观点看，关于长丝考虑渔网和钓鱼线；非织造布正期待医疗和护理产品等的应用。另外，生物降解性纤维的特征是这些多数在人的体内分解，利用它的药剂放出研究也正在进行。进而，还正在研究生物降解性纤维的中空纤维机织布作为细胞培养基等医疗材料。
    从石油由来的通用性高分子使用非石油由来的生物基础聚合物制造生物降解性纤维进行利用，从社会需求来看是非常需要的。但是，不能认为即使大量消费这些生物降解性纤维也没关系。虽然产品寿命长，给环境的影响也小，但大量消费，环境附加也大。因此，预测长期利用的使用长寿命的材料，对使用时间短的希望活用生物降解性材料。生物降解性高分子在垃圾袋和农业用膜、包装剂等利用。最近，以聚合物合金化提高强度的成型物已能够制造，使用于手机等的壳体。这些如果考虑内部仪器的部件寿命，产品寿命预测为数年左右。也有以壳体长寿命置换内部部件的考虑方法，但由于产品不同而应对困难。关于生物降解性纤维，期待从T血衫等贴身衬衣向像套装和外套等多样化的转移。另外，医疗用、护理用产品，像手术衣和缝纫线样的用即弃中心产品必须是生物降解性纤维。此外，不仅舍弃生物降解性，还要扑捉功能性，研究利用于药剂放出。与医疗相关，正研究使含有药品的降解性高分子在体内分解，一点儿一点儿地向患部投予药品，作为药品发送系统的基材利用。
    5、实用化的课题　
    生物降解性纤维受耐热性、物性、耐候性的改良实现高功能化，但制造工艺的节能效果提高也很有必要性。最近，安全、放心正成为关键词。以农作物为原料的场合，为了提高效率，考虑利用重组遗传因子技术，但尽管与食品没有关系，也一定成为话题。
    而且，关于生物降解性纤维的使用还要求确认安全性。为了普及生物降解性纤维，不只是看降解的特征，而且安全性也很重要。聚乳酸使用于饭盒用托盘和点心的包装，作为医疗用具也有被承认的产品。在美国，由美国食品医药厅（US－FDA）根据注册申请制度批准。在欧洲联合（EU），对容器包装承认乳酸单体，聚乳酸可以使用。进而，还实施了添加剂和分解溶出物的毒性和致癌性等试验。这样，只有安全性被确认了的材料进行普及。
    生物降解性纤维为了普及还需要原材料价格便宜。现在，对于通用高分子150日元/公斤左右来讲，生物降解性高分子为400～600日元/公斤，预计在2010年以前为200日元/公斤以下，价格将降低一半以上。今后如果考虑到回收再生费用，与通用高分子的价格差还将缩小。现在，回收再生的重要性很高，不仅“从‘摇篮’到‘墓场’”，而且要求考虑“从‘摇篮’到‘摇篮’”的产品开发。
    6、生物降解性纤维的回收再生性　
    不限于生物降解性纤维，废弃物都采用堆肥化或燃烧处理进行最终处理。通用高分子材料也分别进行回收，一方面进行再生，一方面作为锅炉燃料利用。生物降解性高分子材料在堆肥化的场合，由微生物进行分解，总的来说，燃烧热也低，也不损伤锅炉。但是，由于回收再生可以变得生产效率好、资源消费少，也研究回收再生性。在聚乳酸的场合，考虑将聚乳酸产品进行再度溶解，重新成型的方法和完全回到聚乳酸的方法。如果回到聚乳酸，在质量方面与新产品相比也不逊色，完全可以利用。另外，在堆肥化的场合，分解成二氧化碳和水，如果植物利用它生长，则成为微观上在自然界循环再生。
    7、生物降解性纤维的未来　
    为了生物降解性纤维开始实用化、多用途化和需求扩大，许多研究人员在进行研究开发。今后，石油资源将枯竭已经是明确的事实，在考虑这些化石资源的节约和有效利用的基础上，以生物基础聚合物为主原料的生物降解性纤维的开发是重要课题。所谓生态设计就是从设计阶段开始给与环境影响小的产品制造，这已经成为当然的事情，对于所使用的材料将选择环境低负荷的生物降解性纤维。纤维一般为长度是细度的100倍以上，但成为纤维集合体就具有保暖性和缓冲性，也可以成为分离膜。进而，还进行了纳米纤维化的研究，由于纤维直径为纳米级，也期待分子的物理吸附等新的功能性，可能作为各工业领域的基础材料支撑产业。生物降解性纤维如果物性改善和能够控制分解速度，预计将进行通用高分子的换代。据则算，生物降解性高分子材料在20年后将成为3000万吨/年的生产规模，如果考虑日本的塑料总产量为1350万吨/年，这是一个很大的数字。预计生物降解性纤维还将随着聚乳酸的生产扩大，也将进一步扩大利用范围。
    8、结语　
    生物降解性纤维将根据多种技术开发和社会需求的高涨，继续扩展实用范围。解决各种课题，编入循环型社会体系，扩大利用量和用途。明确与非降解性纤维用途的差别化，期待构筑效率好的回收再生系统。但是，认为由于普及容易废弃的材料，即使连续不断地废弃也可以是错误的，我们消费者的意识将被追究。给产品赋予生物降解性的同时，对其包装材料也希望同样利用。