纖維和紡織產業的新變化新趨勢

蔡繼權

（杭州市化工研究院有限公司  浙江杭州  310023）

摘  要：纖維和紡織產業是前沿高端技術的一個新領域，我國纖維制取和紡織工業的綠色發展水平居全球領先地位。本文闡述了纖維和紡織產業各個單元的突破性成果、新型纖維和紡織品的功能和應用，特別是原液著色和利用基因工程生產彩色棉、羊毛、蠶絲、蜘蛛絲、甲殼素纖維避免環境污染。

關鍵詞：纖維；紡織；基因工程；生物基；智能；多功能；3D打印

1．纖維和紡織產業是前沿高端技術新領域

纖維制取技術和紡織產業的發展在人類文明中有至關重要的作用。21世紀的今天，纖維制取和紡織業已不僅僅是滿足人類穿衣需求的傳統行業，而是一個呈現前沿高端技術并與全球各行業同步發展的新領域。美國創立了革命性纖維與織物制造機構，開發面向未來的纖維和織物。德國確立了名為“未來紡織”的國家戰略。一些發達國家紛紛將紡織產業列為具有重要戰略意義的“新產業”，持續在國防、軍工、先進醫療和環保等領域獲得突破。

纖維原料的創新推動紡織品的革新。以高性能、多功能、輕量化、柔性化為特征的纖維新材料，為紡織行業價值提升提供了重要路徑。新一代數字化信息化智能化技術與紡織行業加深融合，正在推動紡織產業鏈、供應鏈提質增效，帶來業態更新與價值延伸。

我國科技創新的基礎設施條件和體制機制不斷完善，技術應用與創新生態不斷豐富，跨界創新、融合創新實踐不斷涌現，為纖維和紡織產業的高質量發展提供了有利條件。我國化纖產量2020年為6025萬噸，2021年為6524萬噸，2022年為6488萬噸（占我國纖維加工總量的85%以上，占全球化纖總產量的70%以上）。我國是全球化學纖維最大的生產國與消費國，已建立起全世界最為完備的現代紡織制造產業體系，生產制造能力與國際貿易規模長期居于世界首位，成為我國制造業進入強國陣列的第一梯隊。

我國纖維制取和紡織工業的綠色發展水平居全球領先地位。在新時代，纖維和紡織產業是創新驅動的科技產業、文化引領的時尚產業、責任導向的綠色產業。我們突破高性能纖維新材料的關鍵技術，繼續保持國際競爭優勢。采用新型纖維材料、新型紗線織物加工技術、多功能整理技術、電子傳感等技術，開發先進功能紡織品、智能紡織品，滿足市場需求。集紡織、電子、醫學、計算機、物理、化學等學科技術于一體，并具有新的熱、力、電等性能的智能紡織材料，可感知環境變化，實現了數據傳輸和能量存儲等全新應用，在提高生活質量、滿足特種行業需要等方面發揮重要作用。碳纖維、玻璃纖維和陶瓷纖維等復合材料邁入了全新發展時代。

紡織設備繼續向柔性化、智能化、國際化轉型升級，并加強工業互聯網、大數據、人工智能、工業機器人、區塊鏈等智能制造應用關鍵技術的開發應用。按照碳達峰、碳中和的目標要求，應用綠色纖維、高效節能設備、清潔生產工藝、廢舊纖維循環利用等低碳技術，推進紡織產品全生命周期的綠色化管理。我國纖維和紡織產業鏈的每個單元都在快速創新發展，并取得突破性成果。

2．纖維新變化

2.1 纖維結構、組成、形態和制取原料多維發展

纖維的主鏈結構已經由碳原子為主鏈發展成以碳、氮、硅、硫、磷等元素為主鏈。纖維的基體材料已由碳、氫、氧原子為主的有機高分子材料拓展為無機、金屬、有機-無機雜化纖維材料，并拓展到生物醫用和能源等應用領域。

纖維的結構中，一維纖維作為最小的結構單元，通過編織（如加捻、纏繞或混紡）、針織、非織造布縫合和氈合等方法制造；二維纖維比一維纖維尺寸微小、強度和靈活度高、多重穩定性和結構完整；三維纖維的立體織物除更具有強度、穩定性等優勢之外，還具有獨特的高透氣率和高比表面積優勢。如今，纖維材料的原料、結構、組成和形態等出現多維發展的趨勢。如：最初的碳纖維由聚合物或小分子鏈段融合成納米級石墨烯堆疊連接而成，提高了碳纖維的力學強度，但影響了它的導電性能。后來通過碳原子sp ²雜化共價連接制得碳納米管纖維，兼具高力學性能和導電性能。

紡織復合材料因其強度大和耐用性強而被廣泛應用于原型制作，同時在航空航天、能源、汽車和海洋等領域也已投入大規模生產，但起皺是紡織復合材料常見的缺陷之一。在紡織復合材料制造過程中，通過同時向兩個方向拉伸材料的方法可以提高去皺性，設計制作了可將紡織物拉伸并消除褶皺的雙軸固定裝置，解決了紡織復合材料起皺的問題。

芳綸1414的強度是優質鋼材的5～6倍，模量是鋼材或玻璃纖維的2～3倍，韌性是鋼材的2倍，而重量僅為鋼材的1/2。芳綸1414在-196～204℃范圍內可長期正常運行，在150℃下的收縮率為0，在560℃的高溫下不分解、不熔化，且具有良好的絕緣性和抗腐蝕性，生命周期很長。芳綸被應用于國防軍工等尖端領域，防彈衣、防彈頭盔、防刺防割服、排爆服、高強度降落傘、防彈車體、裝甲板等均大量采用了芳綸；而超高分子量聚乙烯纖維的強度又高出芳綸纖維1.5倍左右，耐沖擊性能好，比能量吸收大，防彈效果優于芳綸，已成為占領防彈背心市場的主要纖維。

2.2 纖維線密度低尺度化

天然纖維包括頭發、棉、麻、蠶絲和蜘蛛絲等，直徑為微米級。新興的合成纖維制造技術不斷推動纖維直徑上的突破。合成纖維的制備技術主要為熔融紡絲、干濕法紡絲、微流控紡絲、靜電紡絲及3D打印技術等。全新的纖維制造技術推動纖維線密度低尺度化。熔融紡絲與干濕法紡絲得到的纖維直徑通常在幾十微米到幾百微米之間，由濕法紡絲得到的纖維直徑則可達1mm 以上，制備的纖維多以單纖維形式存在。

微流控干法紡絲技術，可集纖維素纖維、蛋白的濃縮、剪切、拉伸、離子調控和紡絲于一體，從而實現仿生紡絲，可得到直徑數百納米到數百微米之間的單根纖維。通過靜電力連續拉出纖維，控制多個紡絲參數（電導率、揮發性、表面張力、溶液特性和濃度）和設備條件（電場強度、噴嘴配置和噴嘴與接絲裝置間的距離）來控制纖維性能（尺寸、成分、結構、表面形態和孔隙率），是獲得納米級纖維的有效方法，所得納米纖維具備纖細的直徑、高比表面積和高孔隙率等特性，已在生物材料和紡織品生產等領域應用。

靜電紡絲也能提供更高的太陽能-電能轉換效率。納米纖維具有的高表面積和孔隙率用于制備能量存儲器，在未來海洋環境里大型分布式能量存儲系統中具有很大潛力。近年發展起來的 3D打印技術得到的纖維直徑通常在幾微米到幾百微米之間。

3．纖維制取技術的變化

纖維原料的創新是推動紡織品革新的源動力。纖維材料制取技術逐步朝著高效化、綠色化、精細化發展。生物傳感器技術、基因編輯技術和基因芯片技術為纖維原料的開發，特別是生物基單體的結構設計、制備以及天然纖維的改性提供了實質性幫助。合成生物學的發展進一步推動生物基纖維及紡織品的快速發展。借助分子生物學和材料基因工程技術，可以降低生物基材料的生產成本和提高綜合性能。利用水熱合成法、嵌段共聚法和表面活性劑法等方法，可制備多種有機-無機雜化材料。利用自組裝法，借助共價鍵或非共價鍵的相互作用可自發形成熱力學平衡狀態下的有序結構。材料基因工程發展迅猛，通過高通量集成計算與多層次材料設計，揭示各參數調控纖維材料性能的規律，實現按需求設計，快速低耗地發展新材料。

以秸稈、蘆葦、樹枝、果樹、海藻、殼聚糖和蜘蛛絲等農林海洋廢棄生物質為原料，通過發酵和化學轉化等方式制備新型生物基單體，再經加聚或縮聚反應制成線型高分子產物，經紡絲制得生物基新型再生纖維，能賦予紡織品新的粘合性、抗菌性、親水性和吸水性等特性。

將釀酒酵母菌中可使葡萄糖轉化為甘油的基因植入大腸桿菌體內，再植入能將甘油轉化為1,3-丙二醇的克雷伯氏菌的基因，可以實現以葡萄糖為底物的一步法生產1,3-丙二醇，效率提高了500倍，成本比化學法降低了25%。清華大學和大連理工大學等高校研發用克雷伯氏菌對甘油轉化生產1,3-丙二醇的工藝，轉化率高于60%，推動了生物基聚對苯二甲酸丙二醇酯全產業鏈的形成。我國在生物基 1,3-丙二醇、乳酸、1,4-丁二酸、1,5-戊二胺和長碳鏈二元酸等新單體方面發展迅速，研發生產了聚對苯二甲酸丙二醇酯（PTT）、聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）和聚酰胺 56 等新型纖維及聚合物品種。

甲殼素纖維原料來自于自然界的蝦、蟹等節足動物的甲殼。全球海洋每年產甲殼量可達10億噸，在天然高分子中的產量僅次于纖維素。將蝦、蟹甲殼經粉碎干燥后進行脫灰、去除蛋白質等化學和生化處理可獲得粉末，將這種粉末通過常規的紡絲工藝，可紡制出甲殼素纖維。甲殼質作為低等動物甲殼和外骨骼中的纖維組分，兼具高等動物組織中的膠原和高等植物纖維中纖維素兩者的生物功能，其化學性質和生物性質與人體組織相近，生物相容性好。同時，甲殼質及其衍生物本身含有復雜的空間結構，能在酶的作用下分解為低分子物質，因而生物活性優異。

應用甲殼素纖維制造內衣內褲和醫療用的可吸收縫合線、人工皮膚、傷口包扎材料等，對人體無毒無刺激，抗菌除臭，有良好的吸附性、粘結性、透氣性，吸濕保溫，并有消炎、止血、鎮痛、促進組織生長，加速傷口愈合的功能，效果相當突出。殼聚糖是甲殼質的衍生物，對各種細菌和真菌的生長有很好抑制效果。為了抑制微生物在醫用紡織品上生長，采用殼聚糖合成對人體健康影響較小的水凝膠，并在離子活化纖維素纖維中應用，提高纖維的抗微生物活性。殼聚糖水凝膠改性紡織品也表現出增強的吸濕性和水蒸汽高滲透性，且不影響其使用性能。

聚乳酸纖維是一種新型的可完全生物降解的合成纖維，從谷物中取得，其制品廢棄后在土壤或海水中經微生物作用可分解為二氧化碳和水，燃燒時不會造成環境污染。蜘蛛絲是一種高分子蛋白纖維，是目前世界上最堅韌且具有彈性的纖維之一，有其他纖維不可比擬的強度大、彈性好、柔軟、質輕、抗斷裂、耐紫外線等優點，可生物降解和回收，是綠色織物優異的紡織材料。隨著生物技術的發展，利用轉基因技術中“電穿孔”的方法，將蜘蛛“牽引絲”部分的基因注入蠶卵中，培育出的家蠶能分泌出蜘蛛絲。使蜘蛛絲在紡織、軍事、航天航空、組織工程等領域的開發生產取得了突破。

4．紡織行業的變化

4.1 基因工程減少環境污染

利用基因工程在棉、羊毛、蠶絲等天然動植物纖維的性能改良和人工合成生物基單體領域中獲得了應用。原液著色、彩色棉花、天然彩絲和彩色兔毛的出現，極大地改變了傳統紡織印染和整理過程造成的環境污染。

使用原液著色法生產有色纖維，不僅能減少印染污染和降低能耗，而且使用該纖維的織物顏色鮮艷、色澤均勻、不易褪色、經久耐用、對人體親和性好，生產流程綠色環保，符合環境保護要求。結構生色是近年來發展的新型織物顯色技術，不同于傳統染料和顏料產生的化學色，結構生色著色方式環保節能，不需要后期整理過程的著色劑即可產生顏色，織物色澤具有高飽和度和永不褪色等特點，在特定條件下還可具有保濕、抗菌、抗紫外線功能，甚至實現光-熱、光-電等功能轉換特性。

我國利用生物基因工程培植彩色棉花，已在四川、甘肅、河南、海南形成研究育種基地，擁有棕、綠、紫、灰、橙等顏色的棉花品種。生產的彩棉，色彩鮮艷而棉花屬性沒有改變。已利用彩棉純紡或與白棉、化纖短纖、各種功能性纖維、羅布麻等生產各種混紡紗、生產機織或針織面料。

通過給長毛兔喂食含鐵、銅等元素的飼料，我國培育出了長13種顏色的兔毛。我國還發現了一種不吃桑葉專吃栗樹葉吐綠色絲的天蠶，由中國科技大學和安徽農科院聯合研究的“天蠶的質基因導入家蠶的染色質遺傳工程”項目已獲得成功，培育出生產天然彩絲的彩色家蠶。天然彩絲由生物高分子蛋白鏈組成，即使在極高的溫度下也能保持結構穩定。研究人員利用這一特性把蠶絲蛋白質經過熱處理和拉伸處理后制成耐高溫絲基電子紡織物，可制作嵌入在服裝、包裝或其他物體中的便攜、靈活的新一代電子設備。

4.2 紡織行業繼續向智能制造發展

我國化纖行業已基本實現全流程自動化、信息化和數字化，整個紡織行業也將繼續向智能制造發展。利用新型紡織設備自帶的智能通信接口，或外接智能傳感器，將每個生產單元產生的海量數據進行智能化分析處理和優化，再在每個智能車間中進行自動化、智能化改造革新，實現車間智能化，利用 5G 等移動通信技術，將各個智能車間之間的數據互聯互通，實現整個工廠智能化，形成從上游原材料到制造過程到銷售終端的智能化產業鏈。工廠的大數據處理平臺將纖維制造的設備層、執行層和運營層數據進行全面挖掘及分析（核心技術包括 5G 網絡技術、邊緣計算、數字孿生等）。同時，進行智能檢測與設備維護，建立從纖維→紗線→面料→印染→服裝的全流程功能化、個性化定制系統和大眾化服裝定制系統，達到快速響應市場需求變化的目的。

人們在工作、運動等不同的場景中，一件襯衫上不同衣著部位的服裝功能不同，如衣領與袖口應具備防水、防油、防污的特性，后片和袖子則應具備高保形、免燙、吸水速干的功能，羽絨服在后背、帽子和袖子部位具備防風防水功能，在脊椎和腰部位置則應具備發熱保暖功能。上班時穿著的襯衣，其肩膀和肘部磨損較為嚴重，可采用耐磨紗線；腋下部位容易出汗，需要透氣速干或者密度低的面料結構；后背面料要求具有高彈力；前胸面料要求挺括而不皺。通過結合不同功能的紗線和織法，可實現同一塊面料的多功能化，同時滿足人體的多維度需求?；蛘邔⑼粔K面料制成多功能層，以同時滿足防水透氣、隔溫保暖、親膚順滑及快干的性能要求。

通過纖維材料的疏水疏油分子結構設計、紡絲工藝和面料設計與后整理技術，開發不沾水不沾油的耐污易清洗服裝，賦予衣服具有抵抗機械磨損和污漬的能力，減少衣服洗滌次數，降低洗滌劑和洗滌水用量，延長服裝生命周期并減少纖維微塑料污染。河北省雄亞紡織集團和恒天海龍股份有限公司等企業生產的智能調溫紡織材料，可以保持人體溫度在一個舒適的范圍內，具有“冬暖夏涼”的特性。東莞市南耀智能服飾有限公司、博迪加科技（北京）有限公司等相關單位正在研發對外部環境和條件具有感知、反饋、響應功能的電子信息智能紡織材料。深圳智裳科技有限公司、石獅森科智能科技有限公司等相關單位正在研發在紡織、軍事、娛樂、防偽等領域具有良好發展前景和高附加值高效益的智能變色紡織材料。

采用傳統合成技術生產的合成纖維無法滿足低成本快速度和環境友好等要求，促使采用生物基復合材料為原料進行3D打印的成形工藝得到飛速發展。通過3D打印技術，將計算機生成的圖案設計與彩色、清晰、半透明的材料相結合，可生產各種美麗光彩的紡織品。長征五號 B 型運載火箭2020年搭載了新一代再燃飛船實驗船，船上配置了 3D 打印機，實現了外太空失重情況下的材料制造。采用連續苧麻纖維增強聚乳酸基生物質復合材料，通過原位浸漬3D打印工藝，制備不同鋪層方式的樣件。3D 打印技術將顛覆現有成衣制造模式，沒有紗線、面料與裁片之分，原料到成衣只需要通過3D打印。通過建立版型數據庫，根據用戶上傳的全身照即可給出最佳的版型方案。通過滌綸、錦綸、棉、粘膠、氨綸等不同纖維的設計組合，再根據應用需求選擇面料、款式、顏色、風格等，最終定制出客戶滿意的成衣。

家紡產品智能化和健康化成為未來發展的大趨勢。生物醫用紡織材料朝著可降解、功能化、復合化、智能化和微創化方向發展。如配置風機、電池及過濾單元的智能防護服。將能檢測濕度、溫度、光照、聲音、空氣質量等的傳感和控制系統應用于家紡產品，可智能調節環境的溫濕度、光線強度及空氣質量。還可將語音識別、震動傳感等微型制品與家紡產品結合，以滿足使用者對娛樂、運動、保健和通信的要求。例如智能枕頭可在入睡、睡眠和喚醒等全過程跟蹤改善睡眠質量。天津工業大學等正在研發具有綠色環保材料設計、高記憶性產品研發，以及產品批量化生產的智能形狀記憶紡織材料。

5．纖維與紡織制品的全新功能和應用

高性能纖維是一類具有戰略意義的高新技術材料。無機高性能纖維通常具有超高的強度，包括碳纖維、SiC纖維、ZrO2纖維、玻璃纖維和碳納米管纖維等強度大于17.6cN/dtex，是先進復合材料的理想增強體。有機高性能纖維除了具備高強高模特性外，還具有高彈性、耐高溫高壓、耐腐蝕輻射、耐磨損和導電等特殊功能。如：超高分子量聚乙烯、芳綸、聚酰亞胺和聚對苯撐苯并二唑等纖維材料，在民用、軍事、國防、醫療救治和環境保護等領域都有重要作用。

具備特殊功能的新型纖維包括基于壓阻傳感、絕緣/半導體/導體等性能的智能纖維，基于天然/廢棄高分子化合物的再生纖維，具有耐高溫、抗紫外線、抗原子氧侵蝕等特殊物理性能纖維，具有耐酸堿、阻燃、抗菌等特殊功能纖維，以及可用于潛水、防寒、軍用偽裝、航空航天、特殊環境防護等極限狀態纖維等。

用于風電的風力渦輪機葉片可由碳纖維/環氧樹脂復合材料制成。用碳纖維復合材料代替傳統金屬制的電纜芯，質輕、能耗低、易增容，除應用于電力輸送外，還可用于加固橋梁及高層建筑和石油開采。用碳纖維與芳綸等纖維復合材料替代傳統汽車、飛機機身的金屬材料，可大幅減輕質量、減少燃油消耗和碳排放。碳纖維與芳綸復合材料也已成為高速列車車身和內部裝飾不可或缺的關鍵材料。高性能纖維網衣耐鹽、防紫外線，解決了深海養殖網箱材料要求具有耐老化抗風浪的問題。

聚丙烯酸鹽等高吸水性纖維使得生物降解高性能大棚布得到了大力發展。植物工廠采用透光性好、透氣率高、透濕性強的非織造布替代聚乙烯膜作地膜，有望解決塑料薄膜污染土壤的環境問題。

通過智能纖維材料編織或者改性、外接電子技術等方法可實現服裝的智能化，表現為服裝具有傳感、自修復和自動調節等功能。近年來，智能器件已逐步滲透到人類衣食住行等領域。其中智能可穿戴設備及智能服裝就包括有生理傳感器、用于應變、脈沖和運動的機械傳感器、化學傳感器、生物標志物監測器（如葡萄糖傳感的隱形眼鏡、多模式汗液感應腕帶等）、神經刺激器和人體器官替代物（如假肢人工視網膜、皮膚假體）。

智能紡織品將信息、傳感、纖維、織造與服裝加工完美結合在一起，在軍事領域具有極大發展潛力。士兵作戰服上配備生化感應器，能及時檢測環境中的有毒物質及其濃度，還能監測皮膚溫度、心率、脈搏和血氧含量等身體各項體能和健康指標。在特殊專業運動服上配備血液感應器能識別傷口并及時響應，通過服裝膨脹實現傷口快速止血，甚至可以用微型計算機進行遠程治療。

智能功能紡織品在環境保護、生態修復中逐漸獲得應用。利用超細纖維與亞微米/納米級非織造材料相結合，大幅提升過濾介質的比表面積，降低介質材料的孔徑尺寸，實現氣體、液體甚至分子尺度的高效過濾；同時降低過濾阻力降低能耗和原材料消耗，提高過濾精度。利用聚酯、玻璃纖維、聚四氟乙烯等制備的復合式多功能墻壁、屋頂綠化、隔離綠化帶等系統，能夠凈化空氣，實現污水循環利用、降溫、降噪的作用。

6．結語

“十四五”期間，纖維和紡織行業的新定位是“國民經濟與社會發展的支柱產業、解決民生與美化生活的基礎產業、國際合作與融合發展的優勢產業”。我們要用“創新、協調、綠色、開放、共享”的新發展理念，加快纖維和紡織產業的提質增效，建設全球先進紡織產業集群，加快邁向全球價值鏈中高端，為鞏固我國紡織強國地位并實現制造強國目標而積極奮斗。

作者簡介：

蔡繼權，教授級高級工程師，長期從事新產品研發和科技管理。

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