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产业观察丨编材制造:大纤维领域的新工业革命


现代制造业体系有两个重要基石:一是材料,二是制造及加工工艺。“大纤维”技术创新和产业兴起,预示着又一场纤维制造领域由新材料突破和新制造突破双轮驱动的新工业革命——编材制造即将到来!

产业观察丨编材制造:大纤维领域的新工业革命

Photo by John Adams on Unsplash

No.1

什么是大纤维?

纤维是构成世界的基本物质之一,包括人体部分组织也是由纤维构成。随着纤维产业的进步和发展,如今的纤维材料在强度、阻燃性、电学等性能上已经发生了根本改变。新一代纤维已然成为纺织织造、电子织物、智能织物和其他先进织物的基础,这种基于纤维材料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,是新一代高技术纤维产品,国际上也称之为“革命性纺织纤维”(Revolutionary Fibers)。

未来一代高技术纤维的微观和宏观结构以及特性将呈现出千变万化的丰富形态和性能,并具备储能、通信、传感、计算甚至执行能力,纤维还将无障碍地贴近和进入人体,成为人体大数据实时采集的最佳手段,以纤维为基本元素“编制”出的智能化器件和系统将彻底改变我们对许多产品的认识,从而引发很多下游行业的颠覆性改变,我们把具备这些特性的纤维叫做大纤维。

大纤维具有跨领域、跨学科的交叉融合特性,是基于材料、信息、机电、生物、能源等学科领域的技术突破与交叉融合,以“智能、超能、绿色”为基本特征,具有多功能、多结构、多组分等更多特性,对众多产业集群起到高渗透性、颠覆性和革命性提升效果的新一代纤维。

传统纤维构造并连接起实体世界;现代纤维构造并连接起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!

No.2

市场应用

大纤维的所谓“大”有着多重内涵,既包括由一系列理论和技术突破以及跨界交叉融合所带来的纤维材料创新,也包括由这些纤维所编织的各种先进织物、器件和系统,还包括被颠覆性改变的以及新诞生的应用产业集群。因此,大纤维既是一个重大的前沿科技概念,也将会是一个战略型、创新型的产业集群,更是一个蕴含着上万亿价值的巨大市场。

近年来,跨领域、跨学科的新型智能纤维家族正在不断增加。美国麻省理工学院开发的高导热率纤维颠覆了传统高分子材料绝热理论,通过拉伸重构使纤维中聚合链有序排列,获得了具有理想单晶结构和高导热率的纤维;斯坦福大学从功能需求出发,基于物理原理研发出由硅纳米线电池负极、纳米高分子纤维制作的 PM2.5 过滤膜和纳米多孔聚乙烯新型布料;浙江大学高超教授团队研发制备的石墨烯纤维是石墨烯片沿轴向有序堆积排列而成的连续组装材料,在具备高强度高模量等优越力学性能的同时,还具备高导电、高导热等功能特性;上海长胜纺织科技发展公司釆用冷转印技术精确实现以印代染,颠覆了几千年来大量使用稀释染液的印染工艺,实现基本无水耗、无排放的印染技术新突破,而且可直接在织物上印染高精密功能线条和图案,成为发展智能化电子织物产业化的平台级基础技术。

同时,大纤维技术突破了原有技术的制造瓶颈。举例说明,过去蜘蛛丝用传统化学合成理论和方法一直无法制造出来,如今,应用生物合成学理论,通过蜘蛛基因调控家蚕和细菌的蛋白质分子,高性能的蜘蛛丝已经实现量产,这已经被业界认为是自尼龙材料问世以来最重要的纺织材料进步。


产业观察丨编材制造:大纤维领域的新工业革命

图1. 大纤维典型产品

图片来源:华夏幸福产业研究院整理

No.3

技术路线

大纤维生产是充分利用现有的纺织和其他先进制造技术,并不断发展出新的制造技术,在从原子到超系统的各个层面进行制造活动。从具体技术来看,在原子和分子层面有基因编辑技术或生物合成技术,杂化和各类聚合物分子合成技术(纤维和基质用聚合物、碳纤维前体、陶瓷纤维、纤维素和生物高聚物等);在纤维和纱线层面,有湿式或干式纺技术、熔融纺技术、双组分纺技术、非织造技术、短纤维技术和精密卷绕技术等;在织物和结构层面,有间隔技术、编织、编带、机织、针织、编织连接、组织工程、膜技术、编织挤拉、结构卷绕技术等;在功能化和器件层面,有溶胶/凝胶技术、染整技术、数字印刷技术、纳米技术、物理和化学方法、涂层、电子元件集成、传感和执行特性的开发等;在智能系统和超系统层面,有建模仿真、虚拟化、自动化与机器人、3D打印、数字化、智能化、绿色和可持续制造技术等。

大纤维理论基础和技术路线呈现出百花齐放的勃勃生机,如在结构优化理论指导下,发展基于光纤的多材料、多结构的多功能智能纤维;在纳米理论指导下,发展基于碳纳米管、石墨烯的高功能纤维;在高分子设计理论指导下,从分子结构上开发超高性能纤维;在合成生物学理论指导下,通过转基因技术创造高性能生物纤维等。


No.4

各国进展

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结合的重要突破口,具有新技术融合度高、跨行业领域多、辐射范围广等特点,是一项需政府推动、前瞻布局的新兴产业,得到世界各国高度重视。美国、日本和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长远时间跨度来理解及勾画产业未来发展,并通过技术突破、产品革新和跨界融合,在下一代纤维发展大潮中率先布局。

专栏1 美国发展情况

2015年4月,美国国防部出资7500 万美元设立“革命性纤维和纺织品制造创新研究所(RFT-IMI)”,并提出了“革命性织物和纤维”的概念。与之前纤维产品的主要区别在于:它是多材料、多结构的智能纤维,集多种功能于一身;同时,数字化革命和物联网技术的飞速发展,和纺织/纤维技术交汇融合,催生了“智能纤维”(Samrt Fabrics)这一重要产品,并与国民经济的各个领域紧密结合,产生了大量全新的应用。

美国国家科学基金会(NSF)定义了十二大应用领域,包括农业、建筑、国防、基建、家居等,彰显出新型纺织和纤维产品的应用呈现出遍地开花的趋势。在学术界,麻省理工学院牵头数十家院校和公司建立了美国先进功能纤维研究中心(AFFOA),开展全国范围内的产学研合作。此外,美国国防部、美国商务部、美国能源部等官方机构也在积极推动纤维和纺织的创新研究。

专栏2 德国发展情况

从2014起,德国确立了对于全纺织行业进行升级改造的国家级战略,名为“未来纺织”项目,提出了纺织领域的重要战略判断:纺织已经不再是一个传统的行业,而是基于新材料、节能环保、智能产品等创造出的全新的行业、产品和服务。德国明确提出了纺织业提升的定位:要让纺织业持续成为德国最有创新活力的行业之一。

德累斯顿技术大学机械科学与工程学院下设的纺织机械与高性能材料技术研究所(ITM),更进一步将研究范围延伸到从原子到成品, 其教学和研究的范畴分为四个层次:仿真和材料建模、产品开发、工艺技术开发和机械装备开发。

“纤维”保持了与传统纺织工业的血脉联系,“大纤维”则突出了下一代智能纤维技术的多学科跨领域特征,特别是其产业链和颠覆性影响将延伸至其他许多重要行业的特质,已经完全不同于传统纺织行业。

目前,我国大纤维领域的发展与世界基本同步,研发探索和样品试制工作均取得一定进展,并培育出大纤维及其产业应用发展的较雄厚基础。在纤维材料研发和人才培养上,有东华大学、清华大学、复旦大学、浙江大学、华中科技大学、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、歌尔声学等一大批领军企业。

2017年11月7日,大纤维专题研讨会暨大纤维产业技术发展白皮书发布会在国家会展中心(上海)召开。

产业观察丨编材制造:大纤维领域的新工业革命

No.5

编材制造

世界上第一位提出纳米概念的美国物理学家理查德·费曼,在上世纪50年代曾提出过一个著名问题:“假如原子能够按照我们设想的方式来排列,那么材料将会有怎样的性质?”

这个问题启发科学家们的研究视角从传统高分子范畴走出来,将可控的分子不均一性及其相关的精确结构引入到合成高分子领域,拓展高分子的基本结构,实现更为精确的功能。例如,过去的纱布只是用于包扎伤口,但是用大纤维技术开发的智能纱布除了有包扎伤口功能之外,还有消炎、治疗等功能,并且能够与远程医疗系统连接起来,在线监测病人的康复状况。

编材制造,是从原子到超系统的多层次创新制造技术。我国有关专家将大纤维制造技术创新地称为“编材制造”,与目前已知的增材制造、等材制造、减材制造等内涵不同,编材制造的“编”字既反映了传统意义上纤维和纱线层面上的纺制和编织,又反映了在分子甚至原子层面的编辑和编排;既反映了在织物和器件层面上的集成和结构化,又反映了在系统和超系统层面上的多维数字化编程,最终赋予了自动化和智能化的优异属性。

目前,编材制造最重要的应用就是在大纤维领域。基于大纤维的新制造技术极大地丰富了制造手段,有望成为继以机床为代表的减材制造和以3D打印为代表的增材制造之后,又一有着重要意义和极高价值的制造新模式。

结语

当前,全球经济与竞争格局正在发生深刻变革,科技发展正孕育着制造业新的革命性突破。大纤维产业具有新技术融合度高,跨行业领域多,辐射范围广等特点。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,是传统产业升级创新的新密码。我们重点关注与大纤维相关的以编材制造命名的新制造技术体系,不仅涵盖了常规的等材制造、减材制造和新兴的数字化增材制造技术,而且包含了大量创新的尖端制造工艺和技术。

所谓“一代材料、一代工艺、一代装备”,对编材制造工艺技术的研究,以及相应制造、测试和验证装备的开发,是大纤维最终走向产业应用的必由之路,同时也必将迎来一片全新的制造业蓝海。

参考文献:

[1] 刘德明等,高端视点.《大纤维产业,你知道多少》

[2] 赵萍,中国冶金报.2019年8月2 日.《你所不知道的大纤维世界》

[3] 钱伯章,《大纤维和大纤维学科》

[4] 赵梅梅,纺织科技进展.2018年第一期.《大纤维——新一代纺织革命即将到来》

[5] 王健.《大纤维与编材制造:一场基于纤维材料的工业革命》

[6] 朱美芳,大家·前沿.《新时代 大纤维》


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