編材制造：大纖維領(lǐng)域的新工業(yè)革命

來(lái)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(dòng)化和智能化的優(yōu)異屬性。

現(xiàn)代制造業(yè)體系有兩個(gè)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(chǎng)纖維制造領(lǐng)域由新材料突破和新制造突破雙輪驅(qū)動(dòng)的新工業(yè)革命——編材制造即將到來(lái)！

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(qiáng)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(jī)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(chǔ)等全新應(yīng)用，是新一代高技術(shù)纖維產(chǎn)品，國(guó)際上也稱(chēng)之為“革命性紡織纖維”（Revolutionary Fibers）。

未來(lái)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(chǔ)能、通信、傳感、計(jì)算甚至執(zhí)行能力，纖維還將無(wú)障礙地貼近和進(jìn)入人體，成為人體大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(duì)許多產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)，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(jī)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(duì)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(shí)體世界；現(xiàn)代纖維構(gòu)造并連接起實(shí)體世界和數(shù)字世界；未來(lái)纖維即大纖維，將一體化構(gòu)造實(shí)體和數(shù)字世界，并與人體無(wú)縫連接，推動(dòng)人類(lèi)進(jìn)入更加文明的智能社會(huì)！

市場(chǎng)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(lái)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(gè)重大的前沿科技概念，也將會(huì)是一個(gè)戰(zhàn)略型、創(chuàng)新型的產(chǎn)業(yè)集群，更是一個(gè)蘊(yùn)含著上萬(wàn)億價(jià)值的巨大市場(chǎng)。

近年來(lái)，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(guó)麻省理工學(xué)院開(kāi)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(guò)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(guò)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(duì)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(qiáng)度高模量等優(yōu)越力學(xué)性能的同時(shí)，還具備高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱等功能特性；上海長(zhǎng)勝紡織科技發(fā)展公司釆用冷轉(zhuǎn)印技術(shù)精確實(shí)現(xiàn)以印代染，顛覆了幾千年來(lái)大量使用稀釋染液的印染工藝，實(shí)現(xiàn)基本無(wú)水耗、無(wú)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(tái)級(jí)基礎(chǔ)技術(shù)。

同時(shí)，大纖維技術(shù)突破了原有技術(shù)的制造瓶頸。舉例說(shuō)明，過(guò)去蜘蛛絲用傳統(tǒng)化學(xué)合成理論和方法一直無(wú)法制造出來(lái)，如今，應(yīng)用生物合成學(xué)理論，通過(guò)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(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，這已經(jīng)被業(yè)界認(rèn)為是自尼龍材料問(wèn)世以來(lái)最重要的紡織材料進(jìn)步。

圖1. 大纖維典型產(chǎn)品

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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(gè)層面進(jìn)行制造活動(dòng)。從具體技術(shù)來(lái)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(lèi)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(jī)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(kāi)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(dòng)化與機(jī)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(jī)，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(jì)理論指導(dǎo)下，從分子結(jié)構(gòu)上開(kāi)發(fā)超高性能纖維；在合成生物學(xué)理論指導(dǎo)下，通過(guò)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

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各國(guó)進(jìn)展
大纖維產(chǎn)業(yè)面向未來(lái)智能社會(huì)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(diǎn)，是一項(xiàng)需政府推動(dòng)、前瞻布局的新興產(chǎn)業(yè)，得到世界各國(guó)高度重視。美國(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)率先意識(shí)到下一代纖維將產(chǎn)生的革命性影響，從包羅數(shù)十個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的戰(zhàn)略高度和長(zhǎng)遠(yuǎn)時(shí)間跨度來(lái)理解及勾畫(huà)產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展，并通過(guò)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(guó)發(fā)展情況
2015年4月，美國(guó)國(guó)防部出資7500 萬(wàn)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(shí)，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(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域緊密結(jié)合，產(chǎn)生了大量全新的應(yīng)用。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）定義了十二大應(yīng)用領(lǐng)域，包括農(nóng)業(yè)、建筑、國(guó)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(kāi)花的趨勢(shì)。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(guó)先進(jìn)功能纖維研究中心（AFFOA），開(kāi)展全國(guó)范圍內(nèi)的產(chǎn)學(xué)研合作。此外，美國(guó)國(guó)防部、美國(guó)商務(wù)部、美國(guó)能源部等官方機(jī)構(gòu)也在積極推動(dòng)纖維和紡織的創(chuàng)新研究。

德國(guó)發(fā)展情況
從2014起，德國(guó)確立了對(duì)于全紡織行業(yè)進(jìn)行升級(jí)改造的國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略，名為“未來(lái)紡織”項(xiàng)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(gè)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(guó)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(guó)最有創(chuàng)新活力的行業(yè)之一。

德累斯頓技術(shù)大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院下設(shè)的紡織機(jī)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(gè)層次：仿真和材料建模、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)和機(jī)械裝備開(kāi)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(guó)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(zhuān)題研討會(huì)暨大纖維產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展白皮書(shū)發(fā)布會(huì)在國(guó)家會(huì)展中心（上海）召開(kāi)。

圖片來(lái)源：合成纖維公眾號(hào)

編材制造
世界上第一位提出納米概念的美國(guó)物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼，在上世紀(jì)50年代曾提出過(guò)一個(gè)著名問(wèn)題：“假如原子能夠按照我們?cè)O(shè)想的方式來(lái)排列，那么材料將會(huì)有怎樣的性質(zhì)？”

這個(gè)問(wèn)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(lái)，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(shí)現(xiàn)更為精確的功能。例如，過(guò)去的紗布只是用于包扎傷口，但是用大纖維技術(shù)開(kāi)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(lái)，在線監(jiān)測(cè)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(guó)有關(guān)專(zhuān)家將大纖維制造技術(shù)創(chuàng)新地稱(chēng)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(dòng)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(jī)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(jià)值的制造新模式。


  結(jié)語(yǔ)  
當(dāng)前，全球經(jīng)濟(jì)與競(jìng)爭(zhēng)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(diǎn)。大纖維產(chǎn)業(yè)面向未來(lái)智能社會(huì)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(jí)創(chuàng)新的新密碼。我們重點(diǎn)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(duì)編材制造工藝技術(shù)的研究，以及相應(yīng)制造、測(cè)試和驗(yàn)證裝備的開(kāi)發(fā)，是大纖維最終走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的必由之路，同時(shí)也必將迎來(lái)一片全新的制造業(yè)藍(lán)海。

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