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朱美芳:新时代,大纤维
2019-01-07

        传统纤维构造并连接实体世界;现代纤维构造并连接实体世界和数字世界;未来纤维即大纤维,将一体化构造实体和数字世界,并与人体无缝连接,推动人类进入更加文明的智能社会!

朱美芳教授
东华大学材料科学与工程学院院长
纤维材料改性国家重点实验室主任

        自古以来,纤维就与人类生活密切相关,人类与纤维的亲密接触可谓是365天24小时不间断。最早,人类衣禽兽之羽皮,治麻丝以为布帛,去皮服布,广泛使用棉、麻、丝、毛等天然纤维。随着科学技术的进步,人造纤维、合成纤维应运而生,化学纤维工业得到快速发展,纤维日益深刻地改变着人们的生活。现今,纤维学科正经历着革命性的进步和发展,纤维材料逐渐超越穿衣和美感等传统概念,朝着超性能化、智能化、绿色化方向迅猛发展,纤维的应用领域得到进一步拓展,大纤维的概念也应运而生,不仅影响人们的生活,对科技、产业、国家的发展都有着举足轻重的作用。那么,究竟什么是大纤维?大纤维对科技、产业、国家乃至个人生活有什么意义?中国发展大纤维面临什么机遇和挑战?有什么对策,需要采取什么行动?下面笔者就围绕以上几个问题展开,跟大家谈一谈未来的纤维世界。

初识芳颜——什么是大纤维

        在半导体行业,人们对Smaller(小)的追求是无止境的,器件每缩小1纳米都需要百亿千亿的投入。20世纪60年代美国物理学家费曼曾说过:“There is plenty of room at the bottom(在这底下还有很大的空间)。”这是纳米科技的起源。Fiber(纤维)和Nano(纳米)有极高的可对比性,相互交叉但又互不隶属。所有的器件都在追求Thinner、Stronger、Smaller、Cheaper(更薄、更强、更小、更便宜),而纤维的本质属性在长远来看非常契合人们对器件的终极需求,是连接微观和宏观最好的媒介。

        随着纤维学的进步,现今的纤维材料在强度、阻燃性、电学等性能上已发生了本质改变。新一代纤维已成为纺织织造、电子织物、智能织物和其他先进织物的基础,这种基于纤维的高性能复合材料深度融合了光机电集成、红外传感、网络信息、智能化等技术,集成了数据传输、能量存储等全新应用,是新一代纤维产品,国际上也称为“革命性纺织纤维”,它超越了穿衣和美感等传统概念。

        因此,大纤维是基于材料、信息、机械、生物等学科领域的技术突破与交叉融合,以智能、超性能、绿色为特征,具有多功能、多结构、多材料特性,能够对传统产业集群起到高渗透性、颠覆性、革命性提升效果的新一代纤维。其中,智能纤维是指能够感知外界环境(机械、热、化学、光、湿度、电磁等)或内部状态所发生的变化,并能做出响应的纤维。智能纤维能够模拟人体生命系统,同时具有感知和反应双重功能,不但可以撬动传统时尚产业,在赋予纺织品新时尚的同时,还给予常规纺织品远不能及的额外功能。而超性能纤维一般是指具有特殊的物理化学结构、性能和用途,或具有特殊功能的化学纤维。如耐强腐蚀、低磨损、耐高温、耐辐射、抗燃、耐高电压、高强度高模量、高弹性、反渗透、高效过滤、吸附、离子交换、导光、导电以及多种医学功能。近年来超性能纤维在创新中不断发展,提供了“量身定制”的更轻便、更舒适、并附加各种功能的产品,促进了众多产业特别是航空航天和国防军工的飞跃式发展。绿色纤维是纺织产业发展的客观要求,未来经济发展中“绿色”只会越来越重要。目前绿色纤维主要包括循环再利用化学纤维、原液着色化学纤维(无染纤维的一种)以及生物基化学纤维。

        大纤维面向未来智能社会发展,具有新技术融合度高、跨行业领域多、辐射范围广等特点,是先进制造业与战略性新兴产业发展的重要突破口,是国民经济、科技发展和国防建设的重要基础战略材料,是一项需要政府推动、前瞻布局的新兴产业。

再探芳心——大纤维与纺织的区别

        如何说清大纤维与纺织业的本质区别?可从手机讲起,手机问世之初只是一个移动的语音通讯工具,但从iPhone之后,智能手机逐渐演化为巨大技术和社会系统的移动终端,而语音通讯则弱化为其附属功能。再如汽车,在逐步向智能化、无人化发展中,也将从交通工具变成智能交通信息系统中的一个移动智能装置。

        传统纺织在纤维基础上研究、开发和制造各种织物,尽管纺织产品现在已从最基本的服饰功能向结构、功能甚至智能发展,性能不断提高,但只是注重于纺织品本身。而大纤维则是注重研究、开发和制造纤维和织物形态的功能/智能器件和系统,从功能和系统的目标去研究开发材料,所以大纤维虽带有纺织的基因但发展思路和方向却是截然不同的。

        费曼的着名问题:“假如原子能够按照我们设想的方式来排列,那么材料将会有怎么样的性质?”启示高分子科学家们要走出传统高分子的范畴,将可控的分子不均一性及其相关的精确结构引入合成高分子,拓展合成高分子的基元结构,实现其更为精密的功能化。

        在程正迪院士等撰写的“巨型分子:化学、物理学和生物科学的交汇”一文中进一步强调“From structure to function”(以结构制功能)的思想。比如,纱布过去只是用于包扎伤口,但用大纤维来开发智能纱布除了包扎伤口之外还可消炎治疗,并与远程医疗系统连接在线监测病人状况。再如,陈刚等人开发的高导热率纤维则颠覆了传统高分子材料绝热理论,用分子结构调控方法产生纤维的有序排列,不但具有结构性能还有导热等功能。目前,广为应用的硅纳米线电池负极、纳米纤维PM2.5过滤膜和纳米多孔聚乙烯布料都是结合功能需求和物理原理研发出来的纳米纤维产品。几十年来,用传统化学合成理论和方法一直无法制造出蜘蛛丝,现在采用生物合成理论,用蜘蛛基因调控家蚕和细菌的蛋白质分子已经能量产高性能蜘蛛丝,这是自尼龙问世以来最重要的纤维材料进步。钟博文等人用Cooltrans技术精确定量以印代染,颠覆几千年来大量稀释染液的印染工艺,实现基本无水无排放印染,而且可直接在织物上印染高精密功能线条和图案,成为发展智能电子织物产业化的平台。

        虽然大纤维总体离应用仍有相当距离,但全球各个国家的研究已有较强基础,近年来也加快了产业化力度,并有产品开始小批量生产。如各大服装运动品牌开发的智能衬衫、背心、T恤和智能鞋,美国麻省理工学院(MIT)开发的智能书包带,上海长胜公司开发的心电图内衣,东华大学开发的电致变色纤维和纳米发电纤维等。当今,新技术从研发到产业化商品化的周期日益缩短,大纤维的产业化正在一步一步实现。

 在开发柔性电致变色材料上,有望实现从纤维状器件到功能织物再到服装的集成应用

显露真容——大纤维发展现状、机遇和挑战

        近年来,我国高新技术纤维产业取得了长足的发展,关键技术和装备实现突破,产业化进程不断加快,成为世界上少数几个可以生产多种高新技术纤维的国家之一。但是,与国际先进水平相比,还存在诸多问题,面临多种挑战。

        美国、日本、德国等发达国家已经率先意识到下一代纤维将产生的革命性影响,从包罗数十个产业领域的战略高度和远眺20年后的时间跨度来理解及勾画该产业,并通过技术突破、产品革新、跨界融合,在下一代纤维发展大潮中率先布局。

       美国为确保自身处于纤维科学最前沿,保障具备卓越属性的现代纤维的生产能力,从国家层面上进行了战略部署,成立“革命性纤维和纺织品创新制造研究所”,聚焦于革命性的纤维和纺织品的创新制造,确保美国在光纤科技、商业化的纤维和高技术    纺织品等新产品的前沿创新技术和制造链中具有非凡的地位。麻省理工学院率领来自28个州的89家制造业企业、大学和非营利机构组成的联盟(美国先进功能织物联盟,AFFOA)负责该创新研究所的建设,目前已经开展了大量的工作。

        日本企业在全球高性能与高功能纤维领域早已布局,在碳纤维、对位芳纶和超高分子量聚乙烯三大高性能与高功能纤维的研发和生产方面占据优势,并特别注重以高性能与高功能纤维为核心的整个产业链的研发。日本政府和联盟组织对整个行业的发展极其重视,并起到了重要的助推作用。日本政府通过经济产业省以及新能源产业技术开发机构(NEDO)给予了研究开发上的支持。为集中产学研多方力量,并承接NEDO和经济产业省在革新型新构造技术研发领域的项目,2013年10月日本成立了新构造技术研究联盟(ISMA),全面掌握产业中存在的问题和需求,有效服务于产业的各个环节,同时也有利于联盟会员在市场竞争中彼此优势互补,风险共担。

        德国于2013年4月推出名为“未来纺织”(FutureTEX)的国家级战略,明确提出了纺织业的定位——让纺织业持续成为德国最有创新活力的行业之一,并将其和工业4.0进程紧密结合在一起。FutureTEX项目强调循环经济和新材料研发,希望在纺织业实现节能、环保的生产流通过程,该项目还具体提出了节能、提高原材料利用率、可再生性原材料等研究方向。继在东部传统纺织优势地区发展FutureTEX项目之后,德国又在西部集中优势力量成立了世界最大的跨领域的基于纤维的高性能材料研究中心,集聚了超过500名科学家、工程师和技术专家,并与中国合作在德国建立世界最大的碳纤维轻量化平台。

        回到中国,近年来新材料作为战略性新兴产业之一,得到了快速发展。中国制造2025也将新材料列入重点领域部署推进。2016年底,国务院成立国家新材料产业发展领导小组,新材料产业迎来新的发展机遇。新材料产业是国家和上海市发展的重大战略需求,纤维材料是材料科学中的重要分支,正经历着深刻变革,并孕育着巨大的创新机会。

大纤维工作组专家出席2017年中国国际工业博览会

        大纤维产业面向未来智能社会发展,是先进制造业与战略性新兴产业发展的重要突破口,是上海产业升级创新的新密码,是一项需从基础研究、应用开发、产业化和市场推广等多方面前瞻布局的新兴产业。

        当前,上海大纤维领域的发展与世界同步,处于发明探索和样品试制阶段,并具有孕育大纤维及其应用产业发展的深厚基础。在纤维材料研发和人才培养上有东华大学、复旦大学、上海纺织集团、华谊集团等高校和企业,在装备领域有云同纳米等一批创新企业正在崭露头角,在下游生物医用、微电子、传感器、节能环保等应用领域更有微创医疗、霍尼韦尔、歌尔声学、3M等一大批中外领军企业。

        去年,由数位跨领域专家带领的大纤维工作组在上海开展了大量调查研究,与东华大学和上海科技情报所共同编写了大纤维产业技术发展白皮书。调查显示,大纤维目前还处在产业发展早期,大学和研究机构的力量相对较强,产业界力量较弱,用户也相对比较少。目前中国在大纤维中低端应用领域(如可穿戴设备)已经取得了很好的成绩。但是,创新主体多为中小企业,高校科研院所的高新技术转移转化程度很低,导致国内大纤维相关企业布局较为松散。为此,我们迫切需要围绕产业链部署创新链,进一步加强大纤维领域前瞻布局,实施创新工程项目,加快成熟领域产业化,积极参与国际竞争,助力中国大纤维产品走向世界。

        大纤维不是一个单一技术,也不是一个单一行业,而是代表了许多不同技术领域的交叉融合以及一个新兴的巨量产业集群。大纤维技术同时具有前沿性、基础性、战略性,必将成为下一次技术产业革命的重要使能手段。未来,大纤维的发展将帮助我们更好地实现人体世界、物理世界和虚拟世界的无缝融合,将促进人类进入更加和谐美好的智能社会。

 

转载自微信公众号——世界科学

链接>>https://mp.weixin.qq.com/s/z5WoyHUuQbTYP4coyRUhhg




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