新時代,大纖維

朱美芳

傳統纖維構造并連接實體世界；現代纖維構造并連接實體世界和數字世界；未來纖維即大纖維，將一體化構造實體和數字世界，并與人體無縫連接，推動人類進入更加文明的智能社會！

朱美芳教授東華大學材料科學與工程學院院長纖維材料改性國家重點實驗室主任

自古以來，纖維就與人類生活密切相關，人類與纖維的親密接觸可謂是365天24小時不間斷。最早，人類衣禽獸之羽皮，治麻絲以為布帛，去皮服布，廣泛使用棉、麻、絲、毛等天然纖維。隨著科學技術的進步，人造纖維、合成纖維應運而生，化學纖維工業得到快速發展，纖維日益深刻地改變著人們的生活。現今，纖維學科正經歷著革命性的進步和發展，纖維材料逐漸超越穿衣和美感等傳統概念，朝著超性能化、智能化、綠色化方向迅猛發展，纖維的應用領域得到進一步拓展，大纖維的概念也應運而生，不僅影響人們的生活，對科技、產業、國家的發展都有著舉足輕重的作用。那么，究竟什么是大纖維？大纖維對科技、產業、國家乃至個人生活有什么意義？中國發展大纖維面臨什么機遇和挑戰？有什么對策，需要采取什么行動？下面筆者就圍繞以上幾個問題展開，跟大家談一談未來的纖維世界。

初識芳顏——什么是大纖維

在半導體行業，人們對Smaller（小）的追求是無止境的，器件每縮小1納米都需要百億千億的投入。20世紀60年代美國物理學家費曼曾說過：“There is plenty of room at the bottom（在這底下還有很大的空間）。”這是納米科技的起源。Fiber（纖維）和Nano（納米）有極高的可對比性，相互交叉但又互不隸屬。所有的器件都在追求Thinner、Stronger、Smaller、Cheaper（更薄、更強、更小、更便宜），而纖維的本質屬性在長遠來看非常契合人們對器件的終極需求，是連接微觀和宏觀最好的媒介。

隨著纖維學的進步，現今的纖維材料在強度、阻燃性、電學等性能上已發生了本質改變。新一代纖維已成為紡織織造、電子織物、智能織物和其他先進織物的基礎，這種基于纖維的高性能復合材料深度融合了光機電集成、紅外傳感、網絡信息、智能化等技術，集成了數據傳輸、能量存儲等全新應用，是新一代纖維產品，國際上也稱為“革命性紡織纖維”，它超越了穿衣和美感等傳統概念。

因此，大纖維是基于材料、信息、機械、生物等學科領域的技術突破與交叉融合，以智能、超性能、綠色為特征，具有多功能、多結構、多材料特性，能夠對傳統產業集群起到高滲透性、顛覆性、革命性提升效果的新一代纖維。其中，智能纖維是指能夠感知外界環境（機械、熱、化學、光、濕度、電磁等）或內部狀態所發生的變化，并能做出響應的纖維。智能纖維能夠模擬人體生命系統，同時具有感知和反應雙重功能，不但可以撬動傳統時尚產業，在賦予紡織品新時尚的同時，還給予常規紡織品遠不能及的額外功能。而超性能纖維一般是指具有特殊的物理化學結構、性能和用途，或具有特殊功能的化學纖維。如耐強腐蝕、低磨損、耐高溫、耐輻射、抗燃、耐高電壓、高強度高模量、高彈性、反滲透、高效過濾、吸附、離子交換、導光、導電以及多種醫學功能。近年來超性能纖維在創新中不斷發展，提供了“量身定制”的更輕便、更舒適、并附加各種功能的產品，促進了眾多產業特別是航空航天和國防軍工的飛躍式發展。綠色纖維是紡織產業發展的客觀要求，未來經濟發展中“綠色”只會越來越重要。目前綠色纖維主要包括循環再利用化學纖維、原液著色化學纖維（無染纖維的一種）以及生物基化學纖維。

大纖維面向未來智能社會發展，具有新技術融合度高、跨行業領域多、輻射范圍廣等特點，是先進制造業與戰略性新興產業發展的重要突破口，是國民經濟、科技發展和國防建設的重要基礎戰略材料，是一項需要政府推動、前瞻布局的新興產業。

再探芳心——大纖維與紡織的區別

如何說清大纖維與紡織業的本質區別？可從手機講起，手機問世之初只是一個移動的語音通訊工具，但從iPhone之后，智能手機逐漸演化為巨大技術和社會系統的移動終端，而語音通訊則弱化為其附屬功能。再如汽車，在逐步向智能化、無人化發展中，也將從交通工具變成智能交通信息系統中的一個移動智能裝置。

傳統紡織在纖維基礎上研究、開發和制造各種織物，盡管紡織產品現在已從最基本的服飾功能向結構、功能甚至智能發展，性能不斷提高，但只是注重于紡織品本身。而大纖維則是注重研究、開發和制造纖維和織物形態的功能/智能器件和系統，從功能和系統的目標去研究開發材料，所以大纖維雖帶有紡織的基因但發展思路和方向卻是截然不同的。

費曼的著名問題：“假如原子能夠按照我們設想的方式來排列，那么材料將會有怎么樣的性質？”啟示高分子科學家們要走出傳統高分子的范疇，將可控的分子不均一性及其相關的精確結構引入合成高分子，拓展合成高分子的基元結構，實現其更為精密的功能化。

在程正迪院士等撰寫的“巨型分子：化學、物理學和生物科學的交匯”一文中進一步強調“From structure to function”（以結構制功能）的思想。比如，紗布過去只是用于包扎傷口，但用大纖維來開發智能紗布除了包扎傷口之外還可消炎治療，并與遠程醫療系統連接在線監測病人狀況。再如，陳剛等人開發的高導熱率纖維則顛覆了傳統高分子材料絕熱理論，用分子結構調控方法產生纖維的有序排列，不但具有結構性能還有導熱等功能。目前，廣為應用的硅納米線電池負極、納米纖維PM2.5過濾膜和納米多孔聚乙烯布料都是結合功能需求和物理原理研發出來的納米纖維產品。幾十年來，用傳統化學合成理論和方法一直無法制造出蜘蛛絲，現在采用生物合成理論，用蜘蛛基因調控家蠶和細菌的蛋白質分子已經能量產高性能蜘蛛絲，這是自尼龍問世以來最重要的纖維材料進步。鐘博文等人用Cooltrans技術精確定量以印代染，顛覆幾千年來大量稀釋染液的印染工藝，實現基本無水無排放印染，而且可直接在織物上印染高精密功能線條和圖案，成為發展智能電子織物產業化的平臺。

雖然大纖維總體離應用仍有相當距離，但全球各個國家的研究已有較強基礎，近年來也加快了產業化力度，并有產品開始小批量生產。如各大服裝運動品牌開發的智能襯衫、背心、T恤和智能鞋，美國麻省理工學院（MIT）開發的智能書包帶，上海長勝公司開發的心電圖內衣，東華大學開發的電致變色纖維和納米發電纖維等。當今，新技術從研發到產業化商品化的周期日益縮短，大纖維的產業化正在一步一步實現。

在開發柔性電致變色材料上，有望實現從纖維狀器件到功能織物再到服裝的集成應用

顯露真容——大纖維發展現狀、機遇和挑戰

近年來，我國高新技術纖維產業取得了長足的發展，關鍵技術和裝備實現突破，產業化進程不斷加快，成為世界上少數幾個可以生產多種高新技術纖維的國家之一。但是，與國際先進水平相比，還存在諸多問題，面臨多種挑戰。

美國、日本、德國等發達國家已經率先意識到下一代纖維將產生的革命性影響，從包羅數十個產業領域的戰略高度和遠眺20年后的時間跨度來理解及勾畫該產業，并通過技術突破、產品革新、跨界融合，在下一代纖維發展大潮中率先布局。

美國為確保自身處于纖維科學最前沿，保障具備卓越屬性的現代纖維的生產能力，從國家層面上進行了戰略部署，成立“革命性纖維和紡織品創新制造研究所”，聚焦于革命性的纖維和紡織品的創新制造，確保美國在光纖科技、商業化的纖維和高技術紡織品等新產品的前沿創新技術和制造鏈中具有非凡的地位。麻省理工學院率領來自28個州的89家制造業企業、大學和非營利機構組成的聯盟（美國先進功能織物聯盟，AFFOA）負責該創新研究所的建設，目前已經開展了大量的工作。

日本企業在全球高性能與高功能纖維領域早已布局，在碳纖維、對位芳綸和超高分子量聚乙烯三大高性能與高功能纖維的研發和生產方面占據優勢，并特別注重以高性能與高功能纖維為核心的整個產業鏈的研發。日本政府和聯盟組織對整個行業的發展極其重視，并起到了重要的助推作用。日本政府通過經濟產業省以及新能源產業技術開發機構（NEDO）給予了研究開發上的支持。為集中產學研多方力量，并承接NEDO和經濟產業省在革新型新構造技術研發領域的項目，2013年10月日本成立了新構造技術研究聯盟（ISMA），全面掌握產業中存在的問題和需求，有效服務于產業的各個環節，同時也有利于聯盟會員在市場競爭中彼此優勢互補，風險共擔。

德國于2013年4月推出名為“未來紡織”（FutureTEX）的國家級戰略，明確提出了紡織業的定位——讓紡織業持續成為德國最有創新活力的行業之一，并將其和工業4.0進程緊密結合在一起。FutureTEX項目強調循環經濟和新材料研發，希望在紡織業實現節能、環保的生產流通過程，該項目還具體提出了節能、提高原材料利用率、可再生性原材料等研究方向。繼在東部傳統紡織優勢地區發展FutureTEX項目之后，德國又在西部集中優勢力量成立了世界最大的跨領域的基于纖維的高性能材料研究中心，集聚了超過500名科學家、工程師和技術專家，并與中國合作在德國建立世界最大的碳纖維輕量化平臺。

回到中國，近年來新材料作為戰略性新興產業之一，得到了快速發展。中國制造2025也將新材料列入重點領域部署推進。2016年底，國務院成立國家新材料產業發展領導小組，新材料產業迎來新的發展機遇。新材料產業是國家和上海市發展的重大戰略需求，纖維材料是材料科學中的重要分支，正經歷著深刻變革，并孕育著巨大的創新機會。

大纖維工作組專家出席2017年中國國際工業博覽會

大纖維產業面向未來智能社會發展，是先進制造業與戰略性新興產業發展的重要突破口，是上海產業升級創新的新密碼，是一項需從基礎研究、應用開發、產業化和市場推廣等多方面前瞻布局的新興產業。

當前，上海大纖維領域的發展與世界同步，處于發明探索和樣品試制階段，并具有孕育大纖維及其應用產業發展的深厚基礎。在纖維材料研發和人才培養上有東華大學、復旦大學、上海紡織集團、華誼集團等高校和企業，在裝備領域有云同納米等一批創新企業正在嶄露頭角，在下游生物醫用、微電子、傳感器、節能環保等應用領域更有微創醫療、霍尼韋爾、歌爾聲學、3M等一大批中外領軍企業。

去年，由數位跨領域專家帶領的大纖維工作組在上海開展了大量調查研究，與東華大學和上海科技情報所共同編寫了大纖維產業技術發展白皮書。調查顯示，大纖維目前還處在產業發展早期，大學和研究機構的力量相對較強，產業界力量較弱，用戶也相對比較少。目前中國在大纖維中低端應用領域（如可穿戴設備）已經取得了很好的成績。但是，創新主體多為中小企業，高校科研院所的高新技術轉移轉化程度很低，導致國內大纖維相關企業布局較為松散。為此，我們迫切需要圍繞產業鏈部署創新鏈，進一步加強大纖維領域前瞻布局，實施創新工程項目，加快成熟領域產業化，積極參與國際競爭，助力中國大纖維產品走向世界。

大纖維不是一個單一技術，也不是一個單一行業，而是代表了許多不同技術領域的交叉融合以及一個新興的巨量產業集群。大纖維技術同時具有前沿性、基礎性、戰略性，必將成為下一次技術產業革命的重要使能手段。未來，大纖維的發展將幫助我們更好地實現人體世界、物理世界和虛擬世界的無縫融合，將促進人類進入更加和諧美好的智能社會。

致謝：作者誠摯感謝陳麗蕓、戚佳斌、楊曙光、張耀鵬、朱麗萍等及大纖維技術產業協同創新聯盟對此文提供的支持和幫助！