纺织原材料之资源替代是一场持久战

小新

　　只要人类存在一天，纺织服装就是必不可少的民生产业。要维持这一行业的可持续发展，资源问题就必须解决。仅从目前的纺织原料结构来看，棉花和化学纤维分别占据了半壁江山，毛、麻、丝等其他资源占据很小比例。棉价的大起大落及世界棉花种植量的日益萎缩，决定了棉花在原料格局中的比例将逐渐减少;化纤近十年来发展势头强劲且正当其时，但致命的是，90%以上的化纤产品依赖于石油资源。

　　事实上，近几年纺织化纤行业已经明确了支撑行业可持续发展的一条“光明大道”——生物质纤维及生化原料产业。但因为这一产业本身处于初级阶段，真正产生巨大的经济效益和社会效益还需要不短的时间，因此还需要更广泛的力量参与。连续两届在中国生物产业大会上举办的“生物质纤维及生化原料论坛”，为这一产业吹响了冲锋号。尤其是针对如何在30年内初步实现原料替代与过程替代，本届论坛进行了深入而具体的探索。

　　应用纤维素还要破除障碍

　　发展生物质纤维及生化原料的终极目标，是实现原料替代与过程替代。同时，采用传统方法实现纺织化纤产品差别化发展已经走到了尽头，生化技术将为产品差别化带来新的突破。为此，近日在论坛上广泛探讨的“生物质纤维与生化原料科技与产业30年发展路线图(以下简称‘30年路线图’)”初步规划：到2020年纺织化纤行业使用生物质纤维实现原料替代5%，2030年达到10%，2040年将达到20%，届时纺织原料格局将更加多元化，资源瓶颈将得到有效缓解。

　　数据的确具有诱惑力，但支撑这些目标实现的可行途径是什么?业内认为，开发秸秆、竹、麻等速生林材，丰富粘胶纤维等再生纤维素纤维的原料格局是首先要考虑的。30年路线图中具体表示为：再生纤维素纤维行业2020年实现原料(除去现有短绒、木浆以外的原料)替代10%，2030年达到20%，2040年达到40%;

　　纤维素是自然界赋予人类的最丰富的高分子物质，它不仅来源广泛，而且是可再生的资源。据科学家估计，自然界通过光合作用每年可产生几千亿吨的纤维素。然而，只有大约60亿吨的纤维素被人们所使用。纤维素在应用开发中的最大障碍，是天然纤维素具有较高的结晶度，同时分子间和分子内存在大量的氢键，使其不溶于大多数有机溶剂。以麦草、稻草等农作物秸秆纤维为例，其纤维短小、不均匀性突出;纤维含量少，杂细胞多;灰分含量高，硅含量大。

　　从目前常用的植物原料看，棉短绒中的纤维素含量最高，大于95%，而木材中的纤维素含量只有40%～50%，竹、秸秆中纤维素含量更低。如何高效、清洁、经济地从天然资源中分离制备纺织纤维?这个大难题吸引了多方人士的关注。据中国科学院过程工程研究所陈洪章研究员介绍，其所在的课题组在秸秆溶解浆及生化原料的制备方面取得了阶段性成果。他们突破了单一组分利用，以蒸汽爆破为核心技术，实现了秸秆组分分离，充分运用组分分层多级转化技术，实现了秸秆资源的生物量全利用，并对多产品的生态产业链进行试验开发。

　　虽然取得了一些进展，但对自然界资源的利用技术还有待开发。为此，30年路线图将秸秆高效低能耗预处理技术、生物法汉麻综合处理技术、高效低成本纤维素菌和酶生产技术、离子液体新介质应用于纤维素生产高值化产品技术、木质素改性加工技术、木质素熔融纺丝技术、工业酶和生物催化剂、海洋生物质综合利用、生物质纤维高性能化技术、生物质生物量全利用技术集成和生态产业链的建立这10项技术，作为行业共性的技术与基础进行研究，以期有所突破。

　　多路径尝试替代粘胶法

　　新工艺的研究，一方面是为了利用自然界更广泛的资源，另一方面也是为了生产过程更加高效、清洁，减少对能源的使用和环境的危害，也就是30年路线图中提到的用生化技术实现“过程替代”。30年路线图初步规划，到2020年行业过程替代平均水平将达5%，2030年实现17%，2040年增长至24%。

　　从19世纪末发明粘胶法生产再生纤维素纤维至今，100多年过去了，各种生产生物质纤维的新技术不断涌现，然而从纤维的产量比例来看，粘胶法依然占据着不可动摇的主导地位。虽然粘胶纤维行业在清洁生产上下了很大功夫，也取得了明显的成绩，但其制浆过程中产生的黑液还不能完全消除对环境的污染。正是为了彻底解决这一问题，业内愈挫愈勇，多年来不间断地探索环保高效的新途径。目前看来，在行业内已经形成一定气候的、环保的生产再生纤维素纤维的途径，一是新溶剂法即Lyocell(莱赛尔)途径，代表企业有上海纺织(控股)集团，中国纺织科学院与新乡化纤;二是离子液法，由山东海龙重点研究;三是最近引起业内高度关注的水体系低温溶解法，由武汉大学张俐娜教授带领的团队研发。

　　采用溶剂法生产纤维素纤维已经在国内研究了若干年，但进展缓慢。即使已经形成了千吨级的产业化规模，但在经济效益、技术成熟度方面还需要更多考量。溶剂法纤维素制备过程都是围绕着如何削弱纤维素分之间的氢键展开的。中国纺织科学研究院顾问赵庆章详细解释了溶剂法的难点：一是该工艺对原料的要求高，没有后期调节的空间;二是溶解过程短，脱水的范围窄且连续;三是纺丝必须采用干喷湿纺的工艺路线，纺丝液具有极高的粘度;四是作为溶剂的NMMO本身有一定的不稳定性，需采取一系列安全措施;五是溶剂回收要满足高回收率和节能的要求，只有当其回收率大于99%时，才有工业化生产的经济价值。目前，国外Lenzing公司仍是唯一具有大规模Lyocell纤维生产能力的公司，2010年其新增产能1万吨，达到14万吨规模。

　　采用7%氢氧化钠(NaOH)/12%尿素水溶液，该溶剂冷却到零下12℃时，能迅速溶解纤维素(其分子量在1.2×105以下)，溶解时间仅需2分钟，达到纤维素历史上最快的溶解速度，这就是由武汉大学张俐娜教授为首研发的水体系低温溶解法。据了解，该途径比粘胶法的成本略低，对生产装备也没有特殊要求。张俐娜由此获得国际纤维素与可再生资源材料领域的最高奖项——安塞姆·佩恩奖。目前，经过与相关企业合作，该路线已取得初步工业化试验成果。在中国工程院相关院士的建议下，张俐娜的团队正与唐山三友兴达化纤展开合作，未来前景值得期待。

　　合成纤维一改传统聚酯形象

　　在生物大家族中，生物质合成纤维量大面广。它既秉承了传统合成纤维的优点，又因包含生物结构而具备可降解、舒适等性能。在30年路线图规划中，生物质合成纤维原料替代的目标是2020年实现5%，2030年达到10%，2040年实现20%;其过程替代的目标是2020年达到5%，2030年达10%，2030年实现15%。目前看来，生物质合成纤维重点包括PTT、PLA、PHBV、PBS纤维等，即平时所指的新型聚酯纤维。

　　今年4月，PTT系列纤维及高附加值面料制造关键技术及产业化科技成果鉴定会在江苏阳光股份有限公司召开。经过多年发展，PTT纤维及产业化应用逐渐成熟。同时，长期制约PTT纤维产业发展的原料PDO(1，3-丙二醇)，在制备生产上也取得了可喜的进步。如江苏盛虹集团不仅拥有3万吨/年的专业化PTT纺丝生产线，还建设了PTT聚合生产线，同时生产原料1，3-丙二醇，形成完整的PTT产业链，打破国外垄断。