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大纤维与编材制造:一场基于纤维的新工业革命

2019-08-07 09:09:00     作者:

  王健

  大纤维是基于材料、信息、机电、生物、能源等学科领域的技术突破与交叉融合,以“智能,超能,绿色”为特征,具有多功能、多结构、多组分特性,对众多产业集群起到高渗透性、颠覆性、革命性提升效果的新一代纤维(见《大纤维产业技术发展白皮书》,2018年9月)。

  目前,一个以先进纤维材料为基础,具备多组分、多结构和多功能特点,能够感知、计算、储能、通信、执行的新型智能纤维家族已经开始出现并走向市场,复旦、浙大、东华等高校和研究机构均有类似技术和产品研发,甚至有人已经注册公司进行小规模制造。比如,中科院苏州纳米所李清文团队正在研发基于碳纳米管的高性能纳米纤维,致力于使用新的具备超级性能的纤维品种取代被日本垄断的碳纤维。另外,香港理工大学陶肖明团队正开发基于纤维的智能可穿戴技术,致力于通过纤维解决发电、传感和通信问题,下一代可穿戴设备将在高性能织物里面集成这些功能,从而实现从外挂到内嵌再到内生的跨越。

  大纤维:

  跨领域、跨学科的交叉融合特性

  大纤维具有与生俱来的跨领域、跨学科的交叉特性。其理论基础和技术路线也呈现百花齐放的勃勃生机。如在结构优化理论指导下,发展基于光纤的多材料、多结构的多功能智能纤维;在纳米理论指导下,发展基于碳纳米管、石墨烯的高功能纤维;在高分子设计理论指导下,从分子结构上开发超高性能纤维;在合成生物学理论指导下,通过转基因技术创造高性能生物纤维等。

  跨领域、跨学科的交叉融合将诞生许多完全崭新的纤维品种,其中有相当大比例的纤维品种有着巨大的商业价值,给下游许多产业带来深刻的影响,并从根本上改变这些产业的生态,从而诞生一个庞大的新兴产业集群。我们把大纤维相关技术、产品和围绕下游丰富应用所形成的新产业集群叫作大纤维产业。

  近年来,大纤维产业发展势头初现,跨领域、跨学科的新型智能纤维家族正在不断“增员”中。MIT(美国麻省理工学院)陈刚教授开发的高导热率纤维颠覆了传统高分子材料绝热理论,通过拉伸重构,使纤维中聚合物链有序排列,获得了具有“理想”单晶结构和高导热率的纤维;斯坦福大学的教授从功能需求出发,基于物理原理研发出由硅纳米线电池负极、纳米高分子纤维制作的PM2.5过滤膜和纳米多孔聚乙烯布料;长胜纺织科技发展(上海)有限公司釆用冷转印技术精确定量以印代染,颠覆了几千年来大量使用稀释染液的印染工艺,实现基本无水耗、无排放印染,而且可直接在织物上印染高精密功能线条和图案,成为发展智能化电子织物产业化的平台级技术。

  同时,大纤维技术突破了原有技术的制造瓶颈。几十年来,蜘蛛丝用传统化学合成理论和方法一直无法制造出来。如今,应用生物合成理论,通过蜘蛛基因调控家蚕和细菌的蛋白质分子,高性能的蜘蛛丝已经实现量产。这被认为是自尼龙问世以来最重要的纺织材料进步。

  相比钢材、塑料等传统材料,大纤维在柔韧性、轻量化、多功能、高性能、绿色化和智能化等方面有明显的差异化优势。在汽车和飞机制造等高性能钢材的传统优势应用领域,为达到更高的柔韧性、轻量化和高能效,纤维复合材料所占比例已越来越高。2018年底,有媒体报道了一个智能碳纤维汽车车身的实例,既实现车身轻量化,又能根据风阻变形。碳纤维车身用3D技术(完全省掉了裁剪、冲压、焊接等金属加工工序)复合制成,并在织物中混合了具有太阳能发电功能的纤维,可取代部分电池,多功能碳纤维的采用使整车性价比大大提高。这是很典型的大纤维部分取代传统材料的应用案例。

  实际上,历次工业革命都离不开对人和人造系统关系的重新定义,围绕“以人为本”展开。众所周知,人体70%以上的组织由纤维构成。拥有生物相容性的绿色纤维叠加了智能和多功能要素之后,所形成的新一代智能可穿戴系统或人体植入式系统,可以以最安全、最轻便、最有效的方式采集人体数据、监测人体健康、施加有效影响并帮助人提升健康和运动水平。基于所采集的数据形成的“数字人”,将成为人工智能社会里最重要的资产之一。只有到了这个阶段,社会数字化才真正实现,而大纤维将成为人体世界、实体物理世界和虚拟信息世界之间最佳的桥梁。

  编材制造:

  从原子到超系统的多层次创新制造技术

  美国物理学家费曼提出过一个著名的问题:“假如原子能够按照我们设想的方式来排列,那么材料将有怎样的性质?”这个问题启示高分子科学家们要走出传统高分子的范畴,将可控的分子不均一性及其相关的精确结构引入合成高分子,拓展合成高分子的基本结构,实现更为精密的功能化。在美国工程院程正迪院士等人撰写的《巨型分子:化学、物理学和生物科学的交汇》一文中提出“From structure to function(从结构到功能)”的观点,提示我们要从结构思考发展到关于功能性的考量。比如,纱布过去只是用于包扎伤口,但用大纤维来开发的智能纱布除了包扎伤口之外还有消炎、治疗功能,并可与远程医疗系统连接,在线监测病人情况。

  上述两位科学家的思想启示我们,在物理层次上,关于大纤维的讨论绝不应仅仅着眼于纤维和织物这样的中观层面,还应该向微观进发,下探到分子和原子的基本层次,同时向宏观扩展,上升到器件和系统、甚至超系统(系统之系统)的层次。因此,大纤维的物理层次包括7层,分别是:原子—分子(链)—纤维—织物—器件—系统—超系统。

  过去,我们较多从纤维的结构特点和彼此之间的联结关系出发指向具体功能。现在,我们则从需求出发,确定功能性,再来设计纤维结构,必要时可以多组分、多结构融合获取所需要的功能。

  大纤维兼具材料技术革命与制造技术革命的双重意义。其充分利用现有的纺织和其他先进制造技术,并不断发展出新的制造技术,在从原子到超系统的各个层面进行制造活动。如在原子和分子层面的基因编辑技术或生物合成技术,杂化和各类聚合物分子合成技术(纤维和基质用聚合物、碳纤维前体、陶瓷纤维、纤维素和生物高聚物等);在纤维和纱线层面,有湿式或干式纺技术、熔融纺技术、双组分纺技术、非织造技术、短纤维技术和精密卷绕技术等;在织物和结构层面,有间隔技术、编织、编带、机织、针织、编织连接、组织工程、膜技术、编织挤拉、结构卷绕技术等;在功能化和器件层面,有溶胶-凝胶技术、染整技术、数字印刷技术、纳米技术、物理和化学方法、涂层、电子元件集成、传感和执行特性的开发等;在智能系统和超系统层面,有建模仿真、虚拟化、自动化与机器人、3D打印(增材制造)、数字化、智能化、绿色和可持续制造技术等。

  此外,大纤维对沿袭了几千年的纺织及其制造工艺具有颠覆性意义,如多材料智能纤维可用纺纱手段制造,多功能织物可用织造和印刷手段制造,高性能织物可以用复合和混合手段制造。

  大纤维所对应的制造工艺技术体系,容纳了纺织工程常见的等材制造方法、常规材料加工所用的减材制造方法、以3D打印和机器人为代表的增材制造或数字建造方法。另外,还有许多非常规的创新的制造工艺和方法有待我们进一步研究和开发。

  可以说,基于大纤维的从原子到超系统的新制造技术体系极大地丰富了制造手段,有望成为继以机床为代表的减材制造和以3D打印为代表的增材制造之后的,又一类有着重要意义和极高价值的制造模式。大纤维产业工作组的专家们首次创新地称之为“编材制造”。 这个“编”字,既反映了传统意义上的纤维和纱线层面上的纺制和编织,又反映了在分子甚至原子层面的编辑和剪裁;既反映了在织物和器件层面上的集成和结构化,又反映了在系统和超系统层面上的多维数字化编程,赋予对象自动化和智能化的属性。

  与大纤维相关的以编材制造命名的新制造技术体系,不仅涵盖了常规的等材制造、减材制造和新兴的数字化增材制造技术,而且包含了大量创新的尖端的制造工艺和技术。所谓“一代材料、一代工艺、一代装备”,对编材制造工艺技术的研究和掌握,以及相应研发、制造、测试和验证装备的开发,是大纤维最终走向产业应用的必由之路,同时也是一片新的制造业“蓝海”。

  (作者系中国科技自动化秘书长、大纤维产业工作组组长)

  《中国冶金报》(2019年08月07日 03版三版)

来源:中国冶金报-2019年注册送体验金

编辑:宋玉铮

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