朱美芳

傳統(tǒng)纖維構造并連接實體世界；現(xiàn)代纖維構造并連接實體世界和數(shù)字世界；未來纖維即大纖維，將一體化構造實體和數(shù)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(yè)得到快速發(fā)展，纖維日益深刻地改變著人們的生活?，F(xiàn)今，纖維學科正經(jīng)歷著革命性的進步和發(fā)展，纖維材料逐漸超越穿衣和美感等傳統(tǒng)概念，朝著超性能化、智能化、綠色化方向迅猛發(fā)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(chǎn)業(yè)、國家的發(fā)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(chǎn)業(yè)、國家乃至個人生活有什么意義？中國發(fā)展大纖維面臨什么機遇和挑戰(zhàn)？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(yè)，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）?！边@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(zhì)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(xiàn)今的纖維材料在強度、阻燃性、電學等性能上已發(fā)生了本質(zhì)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(wǎng)絡信息、智能化等技術，集成了數(shù)據(jù)傳輸、能量存儲等全新應用，是新一代纖維產(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)產(chǎn)業(yè)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(huán)境（機械、熱、化學、光、濕度、電磁等）或內(nèi)部狀態(tài)所發(fā)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(tǒng)，同時具有感知和反應雙重功能，不但可以撬動傳統(tǒng)時尚產(chǎn)業(yè)，在賦予紡織品新時尚的同時，還給予常規(guī)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(yī)學功能。近年來超性能纖維在創(chuàng)新中不斷發(fā)展，提供了“量身定制”的更輕便、更舒適、并附加各種功能的產(chǎn)品，促進了眾多產(chǎn)業(yè)特別是航空航天和國防軍工的飛躍式發(fā)展。綠色纖維是紡織產(chǎn)業(yè)發(fā)展的客觀要求，未來經(jīng)濟發(fā)展中“綠色”只會越來越重要。目前綠色纖維主要包括循環(huán)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(fā)展，具有新技術融合度高、跨行業(yè)領域多、輻射范圍廣等特點，是先進制造業(yè)與戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要突破口，是國民經(jīng)濟、科技發(fā)展和國防建設的重要基礎戰(zhàn)略材料，是一項需要政府推動、前瞻布局的新興產(chǎn)業(yè)。

再探芳心——大纖維與紡織的區(qū)別

如何說清大纖維與紡織業(yè)的本質(zhì)區(qū)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(tǒng)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(fā)展中，也將從交通工具變成智能交通信息系統(tǒng)中的一個移動智能裝置。

傳統(tǒng)紡織在纖維基礎上研究、開發(fā)和制造各種織物，盡管紡織產(chǎn)品現(xiàn)在已從最基本的服飾功能向結構、功能甚至智能發(fā)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(fā)和制造纖維和織物形態(tài)的功能/智能器件和系統(tǒng)，從功能和系統(tǒng)的目標去研究開發(fā)材料，所以大纖維雖帶有紡織的基因但發(fā)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(zhì)？”啟示高分子科學家們要走出傳統(tǒng)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(xiàn)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(diào)“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(fā)智能紗布除了包扎傷口之外還可消炎治療，并與遠程醫(yī)療系統(tǒng)連接在線監(jiān)測病人狀況。再如，陳剛等人開發(fā)的高導熱率纖維則顛覆了傳統(tǒng)高分子材料絕熱理論，用分子結構調(diào)控方法產(chǎn)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(fā)出來的納米纖維產(chǎn)品。幾十年來，用傳統(tǒng)化學合成理論和方法一直無法制造出蜘蛛絲，現(xiàn)在采用生物合成理論，用蜘蛛基因調(diào)控家蠶和細菌的蛋白質(zhì)分子已經(jīng)能量產(chǎn)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(xiàn)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(fā)展智能電子織物產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)化力度，并有產(chǎn)品開始小批量生產(chǎn)。如各大服裝運動品牌開發(fā)的智能襯衫、背心、T恤和智能鞋，美國麻省理工學院（MIT）開發(fā)的智能書包帶，上海長勝公司開發(fā)的心電圖內(nèi)衣，東華大學開發(fā)的電致變色纖維和納米發(fā)電纖維等。當今，新技術從研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化商品化的周期日益縮短，大纖維的產(chǎn)業(yè)化正在一步一步實現(xiàn)。

在開發(fā)柔性電致變色材料上，有望實現(xiàn)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(fā)展現(xiàn)狀、機遇和挑戰(zhàn)

近年來，我國高新技術纖維產(chǎn)業(yè)取得了長足的發(fā)展，關鍵技術和裝備實現(xiàn)突破，產(chǎn)業(yè)化進程不斷加快，成為世界上少數(shù)幾個可以生產(chǎn)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(zhàn)。

美國、日本、德國等發(fā)達國家已經(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)領域的戰(zhàn)略高度和遠眺20年后的時間跨度來理解及勾畫該產(chǎn)業(yè)，并通過技術突破、產(chǎn)品革新、跨界融合，在下一代纖維發(fā)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(xiàn)代纖維的生產(chǎn)能力，從國家層面上進行了戰(zhàn)略部署，成立“革命性纖維和紡織品創(chuàng)新制造研究所”，聚焦于革命性的纖維和紡織品的創(chuàng)新制造，確保美國在光纖科技、商業(yè)化的纖維和高技術紡織品等新產(chǎn)品的前沿創(chuàng)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(yè)企業(yè)、大學和非營利機構組成的聯(lián)盟（美國先進功能織物聯(lián)盟，AFFOA）負責該創(chuàng)新研究所的建設，目前已經(jīng)開展了大量的工作。

日本企業(yè)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(fā)和生產(chǎn)方面占據(jù)優(yōu)勢，并特別注重以高性能與高功能纖維為核心的整個產(chǎn)業(yè)鏈的研發(fā)。日本政府和聯(lián)盟組織對整個行業(yè)的發(fā)展極其重視，并起到了重要的助推作用。日本政府通過經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省以及新能源產(chǎn)業(yè)技術開發(fā)機構（NEDO）給予了研究開發(fā)上的支持。為集中產(chǎn)學研多方力量，并承接NEDO和經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省在革新型新構造技術研發(fā)領域的項目，2013年10月日本成立了新構造技術研究聯(lián)盟（ISMA），全面掌握產(chǎn)業(yè)中存在的問題和需求，有效服務于產(chǎn)業(yè)的各個環(huán)節(jié)，同時也有利于聯(lián)盟會員在市場競爭中彼此優(yōu)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(zhàn)略，明確提出了紡織業(yè)的定位——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，并將其和工業(yè)4.0進程緊密結合在一起。FutureTEX項目強調(diào)循環(huán)經(jīng)濟和新材料研發(fā)，希望在紡織業(yè)實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保的生產(chǎn)流通過程，該項目還具體提出了節(jié)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(tǒng)紡織優(yōu)勢地區(qū)發(fā)展FutureTEX項目之后，德國又在西部集中優(yōu)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(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，得到了快速發(fā)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(chǎn)業(yè)發(fā)展領導小組，新材料產(chǎn)業(yè)迎來新的發(fā)展機遇。新材料產(chǎn)業(yè)是國家和上海市發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求，纖維材料是材料科學中的重要分支，正經(jīng)歷著深刻變革，并孕育著巨大的創(chuàng)新機會。

大纖維工作組專家出席2017年中國國際工業(yè)博覽會

大纖維產(chǎn)業(yè)面向未來智能社會發(fā)展，是先進制造業(yè)與戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要突破口，是上海產(chǎn)業(yè)升級創(chuàng)新的新密碼，是一項需從基礎研究、應用開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化和市場推廣等多方面前瞻布局的新興產(chǎn)業(yè)。

當前，上海大纖維領域的發(fā)展與世界同步，處于發(fā)明探索和樣品試制階段，并具有孕育大纖維及其應用產(chǎn)業(yè)發(fā)展的深厚基礎。在纖維材料研發(fā)和人才培養(yǎng)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(yè)，在裝備領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)保等應用領域更有微創(chuàng)醫(yī)療、霍尼韋爾、歌爾聲學、3M等一大批中外領軍企業(yè)。

去年，由數(shù)位跨領域專家?guī)ьI的大纖維工作組在上海開展了大量調(diào)查研究，與東華大學和上?？萍记閳笏餐帉懥舜罄w維產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展白皮書。調(diào)查顯示，大纖維目前還處在產(chǎn)業(yè)發(fā)展早期，大學和研究機構的力量相對較強，產(chǎn)業(yè)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(jīng)取得了很好的成績。但是，創(chuàng)新主體多為中小企業(yè)，高?？蒲性核母咝录夹g轉移轉化程度很低，導致國內(nèi)大纖維相關企業(yè)布局較為松散。為此，我們迫切需要圍繞產(chǎn)業(yè)鏈部署創(chuàng)新鏈，進一步加強大纖維領域前瞻布局，實施創(chuàng)新工程項目，加快成熟領域產(chǎn)業(yè)化，積極參與國際競爭，助力中國大纖維產(chǎn)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(yè)，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(chǎn)業(yè)集群。大纖維技術同時具有前沿性、基礎性、戰(zhàn)略性，必將成為下一次技術產(chǎn)業(yè)革命的重要使能手段。未來，大纖維的發(fā)展將幫助我們更好地實現(xiàn)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(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟對此文提供的支持和幫助！