編材制造：大纖維領域的新工業(yè)革命

來源： 華夏幸福產業(yè)研究院

導讀：與目前已知的增材制造、等材制造、減材制造等內涵不同，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構化，又反映了在系統(tǒng)和超系統(tǒng)層面上的多維數字化編程，最終賦予了自動化和智能化的優(yōu)異屬性。

現代制造業(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”技術創(chuàng)新和產業(yè)興起，預示著又一場纖維制造領域由新材料突破和新制造突破雙輪驅動的新工業(yè)革命——編材制造即將到來！

什么是大纖維
纖維是構成世界的基本物質之一，包括人體部分組織也是由纖維構成。隨著纖維產業(yè)的進步和發(fā)展，如今的纖維材料在強度、阻燃性、電學等性能上已經發(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織物的基礎，這種基于纖維材料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，是新一代高技術纖維產品，國際上也稱之為“革命性紡織纖維”（Revolutionary Fibers）。

未來一代高技術纖維的微觀和宏觀結構以及特性將呈現出千變萬化的豐富形態(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入人體，成為人體大數據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品的認識，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。

大纖維具有跨領域、跨學科的交叉融合特性，是基于材料、信息、機電、生物、能源等學科領域的技術突破與交叉融合，以“智能、超能、綠色”為基本特征，具有多功能、多結構、多組分等更多特性，對眾多產業(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)纖維構造并連接起實體世界；現代纖維構造并連接起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！

市場應用
大纖維的所謂“大”有著多重內涵，既包括由一系列理論和技術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用產業(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，跨領域、跨學科的新型智能纖維家族正在不斷增加。美國麻省理工學院開發(fā)的高導熱率纖維顛覆了傳統(tǒng)高分子材料絕熱理論，通過拉伸重構使纖維中聚合鏈有序排列，獲得了具有理想單晶結構和高導熱率的纖維；斯坦福大學從功能需求出發(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；浙江大學高超教授團隊研發(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)越力學性能的同時，還具備高導電、高導熱等功能特性；上海長勝紡織科技發(fā)展公司釆用冷轉印技術精確實現以印代染，顛覆了幾千年來大量使用稀釋染液的印染工藝，實現基本無水耗、無排放的印染技術新突破，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業(yè)化的平臺級基礎技術。

同時，大纖維技術突破了原有技術的制造瓶頸。舉例說明，過去蜘蛛絲用傳統(tǒng)化學合成理論和方法一直無法制造出來，如今，應用生物合成學理論，通過蜘蛛基因調控家蠶和細菌的蛋白質分子，高性能的蜘蛛絲已經實現量產，這已經被業(yè)界認為是自尼龍材料問世以來最重要的紡織材料進步。

圖1. 大纖維典型產品

圖片來源：華夏幸福產業(yè)研究院整理

技術路線
大纖維生產是充分利用現有的紡織和其他先進制造技術，并不斷發(fā)展出新的制造技術，在從原子到超系統(tǒng)的各個層面進行制造活動。從具體技術來看，在原子和分子層面有基因編輯技術或生物合成技術，雜化和各類聚合物分子合成技術（纖維和基質用聚合物、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、熔融紡技術、雙組分紡技術、非織造技術、短纖維技術和精密卷繞技術等；在織物和結構層面，有間隔技術、編織、編帶、機織、針織、編織連接、組織工程、膜技術、編織擠拉、結構卷繞技術等；在功能化和器件層面，有溶膠/凝膠技術、染整技術、數字印刷技術、納米技術、物理和化學方法、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、數字化、智能化、綠色和可持續(xù)制造技術等。

大纖維理論基礎和技術路線呈現出百花齊放的勃勃生機，如在結構優(yōu)化理論指導下，發(fā)展基于光纖的多材料、多結構的多功能智能纖維；在納米理論指導下，發(fā)展基于碳納米管、石墨烯的高功能纖維；在高分子設計理論指導下，從分子結構上開發(fā)超高性能纖維；在合成生物學理論指導下，通過轉基因技術創(chuàng)造高性能生物纖維等。

圖2. 大纖維生產主要工藝技術路線

圖片來源：華夏幸福產業(yè)研究院整理

各國進展
大纖維產業(yè)面向未來智能社會發(fā)展，是先進制造業(yè)與戰(zhàn)略性新興產業(yè)結合的重要突破口，具有新技術融合度高、跨行業(yè)領域多、輻射范圍廣等特點，是一項需政府推動、前瞻布局的新興產業(yè)，得到世界各國高度重視。美國、日本和德國等發(fā)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(yè)領域的戰(zhàn)略高度和長遠時間跨度來理解及勾畫產業(yè)未來發(fā)展，并通過技術突破、產品革新和跨界融合，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。與之前纖維產品的主要區(qū)別在于：它是多材料、多結構的智能纖維，集多種功能于一身；同時，數字化革命和物聯網技術的飛速發(fā)展，和紡織/纖維技術交匯融合，催生了“智能纖維”（Samrt Fabrics）這一重要產品，并與國民經濟的各個領域緊密結合，產生了大量全新的應用。

美國國家科學基金會（NSF）定義了十二大應用領域，包括農業(yè)、建筑、國防、基建、家居等，彰顯出新型紡織和纖維產品的應用呈現出遍地開花的趨勢。在學術界，麻省理工學院牽頭數十家院校和公司建立了美國先進功能纖維研究中心（AFFOA），開展全國范圍內的產學研合作。此外，美國國防部、美國商務部、美國能源部等官方機構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，提出了紡織領域的重要戰(zhàn)略判斷：紡織已經不再是一個傳統(tǒng)的行業(yè)，而是基于新材料、節(jié)能環(huán)保、智能產品等創(chuàng)造出的全新的行業(yè)、產品和服務。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。

德累斯頓技術大學機械科學與工程學院下設的紡織機械與高性能材料技術研究所（ITM），更進一步將研究范圍延伸到從原子到成品， 其教學和研究的范疇分為四個層次：仿真和材料建模、產品開發(fā)、工藝技術開發(fā)和機械裝備開發(fā)。

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

目前，我國大纖維領域的發(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展，并培育出大纖維及其產業(yè)應用發(fā)展的較雄厚基礎。在纖維材料研發(fā)和人才培養(yǎng)上，有東華大學、清華大學、復旦大學、浙江大學、華中科技大學、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、歌爾聲學等一大批領軍企業(yè)。

2017年11月7日，大纖維專題研討會暨大纖維產業(yè)技術發(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家理查德·費曼，在上世紀50年代曾提出過一個著名問題：“假如原子能夠按照我們設想的方式來排列，那么材料將會有怎樣的性質？”

這個問題啟發(fā)科學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的精確結構引入到合成高分子領域，拓展高分子的基本結構，實現更為精確的功能。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，并且能夠與遠程醫(yī)療系統(tǒng)連接起來，在線監(jiān)測病人的康復狀況。

編材制造，是從原子到超系統(tǒng)的多層次創(chuàng)新制造技術。我國有關專家將大纖維制造技術創(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構化，又反映了在系統(tǒng)和超系統(tǒng)層面上的多維數字化編程，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用就是在大纖維領域�；�于大纖維的新制造技術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。


  結語  
當前，全球經濟與競爭格局正在發(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。大纖維產業(yè)具有新技術融合度高，跨行業(yè)領域多，輻射范圍廣等特點。大纖維產業(yè)面向未來智能社會發(fā)展，是先進制造業(yè)與戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展的重要突破口，是傳統(tǒng)產業(yè)升級創(chuàng)新的新密碼。我們重點關注與大纖維相關的以編材制造命名的新制造技術體系，不僅涵蓋了常規(guī)的等材制造、減材制造和新興的數字化增材制造技術，而且包含了大量創(chuàng)新的尖端制造工藝和技術。

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

參考文獻：
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