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十年间实现产业化并打开新市场,海藻纤维为何能在青岛结硕果?
http://www.groxz.com 2020-09-30 08:55:25 中国纺织报

  近期,中国化纤科技大会(青岛大学2020)暨第26届中国国际化纤会议在山东青岛举办,承办单位中包括“青岛大学生物多糖纤维成形与生态纺织国家重点实验室”。在会议期间,“海藻纤维”成为高频出现的词汇。种种信息汇集,让业界把关注的目光再次投向青岛当地的海藻纤维这一特色产业。

  那么,海藻纤维是一种怎样的纤维?有哪些突出特点?从原来的医疗用拓展到服用领域,我国海藻纤维研发团队攻克了哪些技术难关?其应用领域目前还包括哪些?当前我国海藻纤维的产业化推进情况如何?取得了哪些突出成绩?接下来还有怎样的发展规划?应该秉承怎样的思路?

  1

  来自海洋的纤维有着多种突出功能

  海藻纤维是以海洋中蕴含量巨大的海藻为原料,经精制提炼出海藻多糖后,再经过湿法纺丝深加工技术制备,得到的天然生物质再生纤维。

  一亩海田能制出的海藻纤维产量,是一亩棉花产量的5~10倍。一亩海田可产10吨淡干海带,能得到2吨海藻酸钠。我国的褐藻养殖量目前居世界第一,海藻加工量约占全球海藻加工总量的50%。另据相关统计,我国目前可开发利用的海藻养殖海田达13万公顷,未来仍有广阔的海田可以开发利用。

  从海藻到海藻纤维制品,经过的基本制备流程包括采摘收割、晾晒储存、综合加工、海藻酸钠提取、纺丝、纺纱、织布、应用多个环节。从我国海藻纤维当前的产业化技术看,把海藻酸钠做成纤维的制成率,能达到99%。

  国外对于海藻纤维的研发起步较早。1883年,国外就有相关研究公布了海藻材料的结构致密性及粘连性,并有专利公布了对海藻酸的提取,以及其大分子产品的物理化学性能和工业应用。

  我国对于海藻纤维的相关研究,可追溯至上世纪80年代初期。1981年,国内相关研究者结合国外对海藻纤维的研究,采用含5%海藻酸钠的纺丝溶液,通过湿法纺丝制备出了海藻酸钙纤维。但值得注意的是,我国海藻纤维在制备技术上获得重大突破,并成功实现产业化,打开新市场,是在近10年间。

  相关统计数据显示,2015年,我国海藻纤维产能为0.2万吨,2019年产能增至0.58万吨,增长率为190%。

  环保、无毒,本质阻燃,可降解,抑菌防霉性能好,生物相容性好,原料来源丰富,是该纤维的突出特点。

  在抑菌方面,海藻纤维对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抑菌率达到99%。在回潮率方面,其回潮率≥18%,且穿着舒适性优于棉,可与羊绒和丝绸媲美。尤其是在本质阻燃方面,海藻纤维的极限氧指数LOI≥45%。由于具有多种优异性能,海藻纤维可广泛应用于4大领域,包括纺织服装领域、阻燃工程领域、卫生护理领域和生物医学领域。

  国家杰出青年基金获得者、青岛大学海洋纤维新材料研究院院长夏延致介绍:“此前很多年,海藻纤维在国内主要用来做医学领域需要的创可贴,其本质阻燃的功能一直没被报道过,特别是其作为纺织品应用的舒适度问题也基本不被关注。但后来我们发现,海藻纤维的回潮率很高,纤维的细度、柔软度跟羊绒非常接近,有很好的舒适度,且能抑菌、防霉。根据第三方检测机构的检测数据,海藻纤维的防霉级别达到了最高级别0级。”

  “从根本上看,结构决定性能,海洋生物质的原料特性,决定了海藻纤维有着系列优质性能。就拿阻燃性能来说,海藻纤维在制备过程中使用的溶剂是水,依靠自身携带的金属离子阻燃,并不需要在纤维中再添加阻燃剂。所以,我们一直说海藻纤维是来自海洋的生物基多功能纤维。”夏延致强调。

  海藻纤维有着本质阻燃、可降解等多种优异性能。

  2

  800吨产业化项目把国际同行甩身后

  藻纤维近10年为何能在我国结出累累硕果?这在很大程度上是由夏延致带领的“长江学者创新团队”,在持续不断的攻关和突破中一步步取得的。在这条道路上,他们已经拼搏了15年。

  15年来,青岛大学团队相继实现了服用海藻纤维核心制备技术和装备的突破、研发,实现了产能、技术、装备、纤维性能在国际上的领先。

  2004年,该团队在国内首创性地开始开展纺织用海藻纤维的研究;2005年,自主设计制造出国内第一条海藻纤维小型纺丝线,成功制备出海藻纤维;2007年,开发出4万孔喷丝孔纺丝线;2012年则迎来了大突破,建成了百吨级生产线,年产能达到800吨;并建成纤维专用原料-纤维级褐藻酸钠生产线,年产能达到1000吨。

  以“年产800吨产业化项目”的投产为标志,青岛大学团队把全球研究海藻纤维的同行甩在了身后。

  夏延致介绍,在产能方面,国内外同类技术仍处于小试、中试阶段,而通过年产800吨产业化项目的投产,团队把海藻纤维的产能提高了约10倍。在专用原料提取技术方面,项目实现了从无到有。在纺丝液制备方面,国内外同类技术需要40个小时~60个小时,而该项目只需要2个小时,将效率至少提高了20倍。在纤维强度方面,国内外同类技术做到1.7cN/dtex,而该项目实现量产的纤维强度可以做到2.6cN/dtex,且最高纤维强度可以做到3.4cN/dtex。在无脱水剂分纤方面,国内外同类技术每生产1吨海藻纤维需要消耗脱水剂6吨~8吨,而该项目在生产中不消耗脱水剂,实现了“全水”体系生产,从而使安全性极大提高,也使成本明显降低。在凝固浴循环回收方面,国内外同类技术每生产1吨海藻纤维需要用1吨钙盐,钠盐回收量是0,而该项目每生产1吨纤维,钙盐的用量是0.3吨,钠盐的回收量达到了0.3吨,不但使生产成本降低,而且实现了绿色化生产。

  “目前,我们在各环节都已实现关键技术及设备的突破和应用。比如,借鉴聚乙烯醇的相关技术,我们解决了海藻纤维过去存在的无法洗涤的难题。”夏延致说。

  当然,研发成果的专利布局和“护航”也很重要。对此,夏延致介绍:“我们的项目获得相关授权发明专利33项,申请了我国发明专利50多项;同时,还申请了PCT国际发明专利,已经获得美国、欧盟、日本和韩国等全球几十个国家和地区的授权。”

  事实上,一直以来,在我国不少大专院校,能做出喜人的科研成果挺常见,但在把科研成果进行产业化转化,且能实现较好的经济效益方面,往往会大打折扣、差强人意。但显然,海藻纤维是个“幸运儿”。

  经过多年的辛苦耕耘,青岛大学团队终于迎来了收获经济效益的时刻。“自2017年起,我们开始实现海藻纤维的规模化销售,实现了良好的经济效益。”夏延致高兴地说。

  3

  落地商业化公司结出更丰硕成果

  尽管已尝到了百吨线成功的初步喜悦,但青岛大学团队深知,未来要走的路还很长,他们还要铆足劲儿继续干下去。近两三年,青岛大学团队在海藻纤维产业化推进这条路上跑出了“加速度”。

  2018年,依托青岛大学海洋纤维新材料研究院,由生物多糖纤维成形与生态纺织国家重点实验室、山东省海洋生物质纤维材料及纺织品协同创新中心、山东省功能纤维示范工程技术研究中心和山东省海藻生物基纤维工程实验室等多个科技创新平台提供技术支撑,青岛源海新材料科技有限公司注册成立。该公司主攻海藻类海洋生物基纤维及系列纺织品的研发、生产和销售,法人代表便是夏延致。

  2018年10月16日,省部共建的生物多糖纤维成形与生态纺织国家重点实验室获批建设。该实验室针对新型生物多糖纤维成形,以及生态纺织的科学问题和共性关键技术问题开展研究,重点围绕生物成纤资源筛选与生物多糖制取、生物多糖纤维成形和生态功能纺织品创制3个研究方向,开展基础研究和应用基础研究。

  一种高新技术纤维的产业化攻关,“千吨线”历来是个大难关。2019年,青岛源海新材料率先在全国建设的千吨级纺织专用海藻纤维自动化生产线建成投产,最大年产量达到5000吨,一期投产产能为1500吨。该公司目前可生产4大系列、近30个品种的海藻纤维,实现了产品在纺织服装、卫生护理、阻燃工程和生物医学领域的新开拓。

  该公司目前生产的海藻纤维以白色为主,同时能够生产金黄、大地红、湖蓝、粉色、绿色等多种颜色的彩色纤维。“一直以来,海藻纤维的染色确实面临难题,为此我们这些年想了很多办法。现在,喷墨印花、涂料印花的手段都已经通过了,但不容易上染、容易染花的难题,我们接下来还要继续突破。”夏延致说,“产品目前主要是在内衣上的用量较大,在羊绒产品、地毯等领域的应用正在探索中。”

  记者还了解到,近期,该公司新研发出了含银的海藻纤维,这种纤维能广泛用于抗菌敷料等方面。

  据介绍,含银海藻酸医用敷料在吸收患者伤口的渗出液后,纤维能与渗出液发生离子交换,进而使纤维高度膨胀,使随着渗出液进入敷料的细菌失去活性,起到抑制细菌泳移的作用。同时,纤维释放出来的银离子可以杀死伤口渗出液中的细菌,阻止细菌繁殖、感染。

  “近3年,我们的销售额每年的增长率都在30%~50%。最近,我们刚做了一单含银海藻纤维的生意,把产品出口到美国市场。1吨普通的海藻纤维大约卖21万元,而1吨含银海藻纤维能卖120万元。”谈及此,夏延致显得挺兴奋。

  对于青岛大学团队在该领域取得的系列突出成绩,中国工程院院士蒋士成给予了高度评价:“青岛大学自主研发的海藻纤维自动化生产线已经迈上了一个新台阶,发展很健康,前景也很广阔。”

  他还给出了下一步发展的建议:“今后,青岛大学要继续加大生物基多糖纤维的创新开发和应用,特别是要加强培养专业人才,努力把海藻纤维的后道应用产业做好做大做强。此外,在继续推进海藻纤维创新发展的基础上,还要在装备、工艺优化、生产效率、质量提高上再下功夫,要把海藻纤维打造成青岛大学的品牌产品。”

  4

  生物基纤维未来将“大展拳脚”

  海藻纤维属于生物基化学纤维的一种,属于海洋生物基纤维。

  目前,在全球的合成纤维总量中,约有70%都属于石油基产品。随着全球范围内的石化资源短缺,以及土地资源减少带来的“粮食危机”问题更加凸显,合成纤维和棉花等天然纤维的发展越来越受到资源、环境等多种要素的制约。同时,微塑料污染问题近几年也备受关注,由此引发全球纺织产业链对可持续发展模式的高度重视。在这些大背景下,原材料来源于大自然、制成品可降解的生物基材料产业的发展迎来了“大展拳脚”的难得机遇。

  中国化学纤维工业协会生物基化学纤维及原料专业委员会秘书长李增俊向记者介绍,“十三五”以来,我国生物基化学纤维产业快速发展,产业化技术进步明显,关键技术不断突破,初步形成了多种类生物基纤维共同发展的产业体系。值得指出的是,不少企业都进入生物基化学纤维及原料领域。在这些企业的带动下,产业的规模也实现了较快增长,产品的整体性能得到大提升。

  相关统计数据显示,2015年,我国生物基化学纤维的产能约为19.55万吨;2019年其产能增至57.98万吨,增长率为196.57%。

  “‘十三五’期间,我国海藻纤维在民用卫材领域已广泛应用于一次性可吸收卫生材料,在医用卫材领域也实现了较广泛应用。”夏延致说。

  另有相关机构预测,在国际市场上,到2021年前后,生物基材料将替代10%~20%的化学材料。

  中国纺织工业联合会副会长、中国化学纤维工业协会会长端小平指出:“高新技术纤维、生物基纤维是符合国家战略导向的重要纤维材料。海藻纤维兼属这两种纤维的范畴,未来有很好的发展空间。”

  具体到海藻纤维来看,其下一步的重点发展方向和进一步打开市场的关键点何在?对此,夏延致表示,接下来,海洋生物多糖纤维研究与产业化发展的趋势和重要任务包括以下几方面:一是继续突破纤维原料(生物多糖)的关键制备和提取技术;二是研发新溶剂,实现产业化应用;三是突破高效、低能耗、短流程制备技术,实现纤维的绿色环保、规模化、高性能和低成本生产;四是加强构建全产业链,加强从原料到终端产品的研发和应用,实现产品多品种、细分化。

  那么,未来其价格有降下来的可能吗?夏延致给出的答案是:“有可能。”

  他说:“目前,不少下游用户给我们反馈,海藻纤维的总体性能不错,有着多功能,但价格比较贵。现阶段产品的价格贵,是由纤维用量少、原料贵等综合因素决定的。不过,下一步,在‘一步法’纺丝制备技术方面,海藻纤维有可能实现突破。如果‘一步法’能够实现,产品价格就能降下来一部分。同时,如果下游的总体用量能够增加,也能带动价格下降。”

  在产品的重点研发方向方面,夏延致表示,未来,进一步实现生物基纤维的阻燃性能,是个发展大方向。“赋予聚酯纤维阻燃的功能性,其存在的熔滴和烫伤问题难以解决。但是,赋予生物基纤维阻燃性能,可以做到天然不熔化。从长远发展看,发展新一代阻燃纤维还要靠生物基纤维。”

  此外,按照青岛当地对海藻纤维产业的发展规划,未来,当地将通过对全产业链的构建和打造,持续推进产业链及产业园建设。

  其中,一期规划预计投资10亿元,建设年产3万吨的海藻纤维生产基地;二期规划预计投资30亿元,建设年产3万吨的海藻纤维生产基地。

  “随着全球纺织产业越来越重视绿色化发展,包括海藻纤维在内的生物基纤维产业的发展越来越受到重视,未来有很大的发展空间。”15年“磨一剑”,夏延致对海藻纤维接下来的发展仍信心满满。

  不过,他也有清醒认识:“这么多年来,我们一直热爱这个行业,也一直在使劲儿往前走。但我们也很清楚,石油基化纤产品在未来较长时期内仍将占据主导地位。即便是在生物基纤维大家族中,海藻纤维与壳聚糖纤维一样,都属于小品种,目前总体的量仍很小。未来,大家如果想着只用较短的几年时间就能解决对石油基产品的较多替代,这肯定不现实。所以接下来,如何科学地对待和发展生物基纤维,如何坚持做下去,是个大课题。从长远看,我们希望能积极为我国纺织产业构建起‘海上棉仓’,与合作单位在海洋生物基纤维及纺织品领域实现协同创新发展。我们深知,未来要走的路还很长,但是这个发展大方向是对的,值得我们继续付出,继续一步步做下去。”

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