編材制造：大纖維領(lǐng)域的新工業(yè)革命

來源： 華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院

導(dǎo)讀：與目前已知的增材制造、等材制造、減材制造等內(nèi)涵不同，編材制造的“編”字既反映了傳統(tǒng)意義上纖維和紗線層面上的紡制和編織，又反映了在分子甚至原子層面的編輯和編排；既反映了在織物和器件層面上的集成和結(jié)構(gòu)化，又反映了在系統(tǒng)和超系統(tǒng)層面上的多維數(shù)字化編程，最終賦予了自動化和智能化的優(yōu)異屬性。

現(xiàn)代制造業(yè)體系有兩個重要基石：一是材料，二是制造及加工工藝�！按罄w維”技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)興起，預(yù)示著又一場纖維制造領(lǐng)域由新材料突破和新制造突破雙輪驅(qū)動的新工業(yè)革命——編材制造即將到來！

什么是大纖維
纖維是構(gòu)成世界的基本物質(zhì)之一，包括人體部分組織也是由纖維構(gòu)成。隨著纖維產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展，如今的纖維材料在強度、阻燃性、電學(xué)等性能上已經(jīng)發(fā)生了根本改變。新一代纖維已然成為紡織織造、電子織物、智能織物和其他先進(jìn)織物的基礎(chǔ)，這種基于纖維材料的高性能復(fù)合材料深度融合了光機電集成、紅外傳感、網(wǎng)絡(luò)信息、智能化等技術(shù)，集成了數(shù)據(jù)傳輸、能量存儲等全新應(yīng)用，是新一代高技術(shù)纖維產(chǎn)品，國際上也稱之為“革命性紡織纖維”（Revolutionary Fibers）。

未來一代高技術(shù)纖維的微觀和宏觀結(jié)構(gòu)以及特性將呈現(xiàn)出千變?nèi)f化的豐富形態(tài)和性能，并具備儲能、通信、傳感、計算甚至執(zhí)行能力，纖維還將無障礙地貼近和進(jìn)入人體，成為人體大數(shù)據(jù)實時采集的最佳手段，以纖維為基本元素“編制”出的智能化器件和系統(tǒng)將徹底改變我們對許多產(chǎn)品的認(rèn)識，從而引發(fā)很多下游行業(yè)的顛覆性改變，我們把具備這些特性的纖維叫做大纖維。

大纖維具有跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的交叉融合特性，是基于材料、信息、機電、生物、能源等學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)突破與交叉融合，以“智能、超能、綠色”為基本特征，具有多功能、多結(jié)構(gòu)、多組分等更多特性，對眾多產(chǎn)業(yè)集群起到高滲透性、顛覆性和革命性提升效果的新一代纖維。

傳統(tǒng)纖維構(gòu)造并連接起實體世界；現(xiàn)代纖維構(gòu)造并連接起實體世界和數(shù)字世界；未來纖維即大纖維，將一體化構(gòu)造實體和數(shù)字世界，并與人體無縫連接，推動人類進(jìn)入更加文明的智能社會！

市場應(yīng)用
大纖維的所謂“大”有著多重內(nèi)涵，既包括由一系列理論和技術(shù)突破以及跨界交叉融合所帶來的纖維材料創(chuàng)新，也包括由這些纖維所編織的各種先進(jìn)織物、器件和系統(tǒng)，還包括被顛覆性改變的以及新誕生的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)集群。因此，大纖維既是一個重大的前沿科技概念，也將會是一個戰(zhàn)略型、創(chuàng)新型的產(chǎn)業(yè)集群，更是一個蘊含著上萬億價值的巨大市場。

近年來，跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的新型智能纖維家族正在不斷增加。美國麻省理工學(xué)院開發(fā)的高導(dǎo)熱率纖維顛覆了傳統(tǒng)高分子材料絕熱理論，通過拉伸重構(gòu)使纖維中聚合鏈有序排列，獲得了具有理想單晶結(jié)構(gòu)和高導(dǎo)熱率的纖維；斯坦福大學(xué)從功能需求出發(fā)，基于物理原理研發(fā)出由硅納米線電池負(fù)極、納米高分子纖維制作的 PM2.5 過濾膜和納米多孔聚乙烯新型布料；浙江大學(xué)高超教授團(tuán)隊研發(fā)制備的石墨烯纖維是石墨烯片沿軸向有序堆積排列而成的連續(xù)組裝材料，在具備高強度高模量等優(yōu)越力學(xué)性能的同時，還具備高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱等功能特性；上海長勝紡織科技發(fā)展公司釆用冷轉(zhuǎn)印技術(shù)精確實現(xiàn)以印代染，顛覆了幾千年來大量使用稀釋染液的印染工藝，實現(xiàn)基本無水耗、無排放的印染技術(shù)新突破，而且可直接在織物上印染高精密功能線條和圖案，成為發(fā)展智能化電子織物產(chǎn)業(yè)化的平臺級基礎(chǔ)技術(shù)。

同時，大纖維技術(shù)突破了原有技術(shù)的制造瓶頸。舉例說明，過去蜘蛛絲用傳統(tǒng)化學(xué)合成理論和方法一直無法制造出來，如今，應(yīng)用生物合成學(xué)理論，通過蜘蛛基因調(diào)控家蠶和細(xì)菌的蛋白質(zhì)分子，高性能的蜘蛛絲已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，這已經(jīng)被業(yè)界認(rèn)為是自尼龍材料問世以來最重要的紡織材料進(jìn)步。

圖1. 大纖維典型產(chǎn)品

圖片來源：華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院整理

技術(shù)路線
大纖維生產(chǎn)是充分利用現(xiàn)有的紡織和其他先進(jìn)制造技術(shù)，并不斷發(fā)展出新的制造技術(shù)，在從原子到超系統(tǒng)的各個層面進(jìn)行制造活動。從具體技術(shù)來看，在原子和分子層面有基因編輯技術(shù)或生物合成技術(shù)，雜化和各類聚合物分子合成技術(shù)（纖維和基質(zhì)用聚合物、碳纖維前體、陶瓷纖維、纖維素和生物高聚物等）；在纖維和紗線層面，有濕式或干式紡技術(shù)、熔融紡技術(shù)、雙組分紡技術(shù)、非織造技術(shù)、短纖維技術(shù)和精密卷繞技術(shù)等；在織物和結(jié)構(gòu)層面，有間隔技術(shù)、編織、編帶、機織、針織、編織連接、組織工程、膜技術(shù)、編織擠拉、結(jié)構(gòu)卷繞技術(shù)等；在功能化和器件層面，有溶膠/凝膠技術(shù)、染整技術(shù)、數(shù)字印刷技術(shù)、納米技術(shù)、物理和化學(xué)方法、涂層、電子元件集成、傳感和執(zhí)行特性的開發(fā)等；在智能系統(tǒng)和超系統(tǒng)層面，有建模仿真、虛擬化、自動化與機器人、3D打印、數(shù)字化、智能化、綠色和可持續(xù)制造技術(shù)等。

大纖維理論基礎(chǔ)和技術(shù)路線呈現(xiàn)出百花齊放的勃勃生機，如在結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論指導(dǎo)下，發(fā)展基于光纖的多材料、多結(jié)構(gòu)的多功能智能纖維；在納米理論指導(dǎo)下，發(fā)展基于碳納米管、石墨烯的高功能纖維；在高分子設(shè)計理論指導(dǎo)下，從分子結(jié)構(gòu)上開發(fā)超高性能纖維；在合成生物學(xué)理論指導(dǎo)下，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)創(chuàng)造高性能生物纖維等。

圖2. 大纖維生產(chǎn)主要工藝技術(shù)路線

圖片來源：華夏幸福產(chǎn)業(yè)研究院整理

各國進(jìn)展
大纖維產(chǎn)業(yè)面向未來智能社會發(fā)展，是先進(jìn)制造業(yè)與戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)結(jié)合的重要突破口，具有新技術(shù)融合度高、跨行業(yè)領(lǐng)域多、輻射范圍廣等特點，是一項需政府推動、前瞻布局的新興產(chǎn)業(yè)，得到世界各國高度重視。美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)率先意識到下一代纖維將產(chǎn)生的革命性影響，從包羅數(shù)十個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的戰(zhàn)略高度和長遠(yuǎn)時間跨度來理解及勾畫產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展，并通過技術(shù)突破、產(chǎn)品革新和跨界融合，在下一代纖維發(fā)展大潮中率先布局。

美國發(fā)展情況
2015年4月，美國國防部出資7500 萬美元設(shè)立“革命性纖維和紡織品制造創(chuàng)新研究所（RFT－IMI）”，并提出了“革命性織物和纖維”的概念。與之前纖維產(chǎn)品的主要區(qū)別在于：它是多材料、多結(jié)構(gòu)的智能纖維，集多種功能于一身；同時，數(shù)字化革命和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，和紡織/纖維技術(shù)交匯融合，催生了“智能纖維”（Samrt Fabrics）這一重要產(chǎn)品，并與國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域緊密結(jié)合，產(chǎn)生了大量全新的應(yīng)用。

美國國家科學(xué)基金會（NSF）定義了十二大應(yīng)用領(lǐng)域，包括農(nóng)業(yè)、建筑、國防、基建、家居等，彰顯出新型紡織和纖維產(chǎn)品的應(yīng)用呈現(xiàn)出遍地開花的趨勢。在學(xué)術(shù)界，麻省理工學(xué)院牽頭數(shù)十家院校和公司建立了美國先進(jìn)功能纖維研究中心（AFFOA），開展全國范圍內(nèi)的產(chǎn)學(xué)研合作。此外，美國國防部、美國商務(wù)部、美國能源部等官方機構(gòu)也在積極推動纖維和紡織的創(chuàng)新研究。

德國發(fā)展情況
從2014起，德國確立了對于全紡織行業(yè)進(jìn)行升級改造的國家級戰(zhàn)略，名為“未來紡織”項目，提出了紡織領(lǐng)域的重要戰(zhàn)略判斷：紡織已經(jīng)不再是一個傳統(tǒng)的行業(yè)，而是基于新材料、節(jié)能環(huán)保、智能產(chǎn)品等創(chuàng)造出的全新的行業(yè)、產(chǎn)品和服務(wù)。德國明確提出了紡織業(yè)提升的定位：要讓紡織業(yè)持續(xù)成為德國最有創(chuàng)新活力的行業(yè)之一。

德累斯頓技術(shù)大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院下設(shè)的紡織機械與高性能材料技術(shù)研究所（ITM），更進(jìn)一步將研究范圍延伸到從原子到成品， 其教學(xué)和研究的范疇分為四個層次：仿真和材料建模、產(chǎn)品開發(fā)、工藝技術(shù)開發(fā)和機械裝備開發(fā)。

“纖維”保持了與傳統(tǒng)紡織工業(yè)的血脈聯(lián)系，“大纖維”則突出了下一代智能纖維技術(shù)的多學(xué)科跨領(lǐng)域特征，特別是其產(chǎn)業(yè)鏈和顛覆性影響將延伸至其他許多重要行業(yè)的特質(zhì)，已經(jīng)完全不同于傳統(tǒng)紡織行業(yè)。

目前，我國大纖維領(lǐng)域的發(fā)展與世界基本同步，研發(fā)探索和樣品試制工作均取得一定進(jìn)展，并培育出大纖維及其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用發(fā)展的較雄厚基礎(chǔ)。在纖維材料研發(fā)和人才培養(yǎng)上，有東華大學(xué)、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、上海紡織集團(tuán)、華誼集團(tuán)等高校和企業(yè)，在裝備領(lǐng)域有云同納米等一批創(chuàng)新企業(yè)正在嶄露頭角，在下游生物醫(yī)用、微電子、傳感器、節(jié)能環(huán)保等應(yīng)用領(lǐng)域更有微創(chuàng)醫(yī)療、歌爾聲學(xué)等一大批領(lǐng)軍企業(yè)。

2017年11月7日，大纖維專題研討會暨大纖維產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展白皮書發(fā)布會在國家會展中心（上海）召開。

圖片來源：合成纖維公眾號

編材制造
世界上第一位提出納米概念的美國物理學(xué)家理查德·費曼，在上世紀(jì)50年代曾提出過一個著名問題：“假如原子能夠按照我們設(shè)想的方式來排列，那么材料將會有怎樣的性質(zhì)？”

這個問題啟發(fā)科學(xué)家們的研究視角從傳統(tǒng)高分子范疇走出來，將可控的分子不均一性及其相關(guān)的精確結(jié)構(gòu)引入到合成高分子領(lǐng)域，拓展高分子的基本結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)更為精確的功能。例如，過去的紗布只是用于包扎傷口，但是用大纖維技術(shù)開發(fā)的智能紗布除了有包扎傷口功能之外，還有消炎、治療等功能，并且能夠與遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)連接起來，在線監(jiān)測病人的康復(fù)狀況。

編材制造，是從原子到超系統(tǒng)的多層次創(chuàng)新制造技術(shù)。我國有關(guān)專家將大纖維制造技術(shù)創(chuàng)新地稱為“編材制造”，與目前已知的增材制造、等材制造、減材制造等內(nèi)涵不同，編材制造的“編”字既反映了傳統(tǒng)意義上纖維和紗線層面上的紡制和編織，又反映了在分子甚至原子層面的編輯和編排；既反映了在織物和器件層面上的集成和結(jié)構(gòu)化，又反映了在系統(tǒng)和超系統(tǒng)層面上的多維數(shù)字化編程，最終賦予了自動化和智能化的優(yōu)異屬性。

目前，編材制造最重要的應(yīng)用就是在大纖維領(lǐng)域�；�于大纖維的新制造技術(shù)極大地豐富了制造手段，有望成為繼以機床為代表的減材制造和以3D打印為代表的增材制造之后，又一有著重要意義和極高價值的制造新模式。


  結(jié)語  
當(dāng)前，全球經(jīng)濟(jì)與競爭格局正在發(fā)生深刻變革，科技發(fā)展正孕育著制造業(yè)新的革命性突破。大纖維產(chǎn)業(yè)具有新技術(shù)融合度高，跨行業(yè)領(lǐng)域多，輻射范圍廣等特點。大纖維產(chǎn)業(yè)面向未來智能社會發(fā)展，是先進(jìn)制造業(yè)與戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要突破口，是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級創(chuàng)新的新密碼。我們重點關(guān)注與大纖維相關(guān)的以編材制造命名的新制造技術(shù)體系，不僅涵蓋了常規(guī)的等材制造、減材制造和新興的數(shù)字化增材制造技術(shù)，而且包含了大量創(chuàng)新的尖端制造工藝和技術(shù)。

所謂“一代材料、一代工藝、一代裝備”，對編材制造工藝技術(shù)的研究，以及相應(yīng)制造、測試和驗證裝備的開發(fā)，是大纖維最終走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的必由之路，同時也必將迎來一片全新的制造業(yè)藍(lán)海。

參考文獻(xiàn)：
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