未來百年的科技發(fā)展，將聚焦于基礎材料、能源動力、信息科技、生命科學、星際探索領域，從“萬物互聯(lián)、智能無處不在”，“虛實相生、人機和諧共處”，發(fā)展至“人類永生、進軍未知世界”，各領域的科技將共同支撐人類走向未來世界。
纖維領域與新興科技交叉與融合，已在全球形成前所未有的多維發(fā)展空間，呈現綠色、多元、極限、智能、融合、服務等新的發(fā)展趨勢。十四五時期，我國纖維新材料行業(yè)進入新階段、新理念、新格局的高質量發(fā)展期，圍繞重點領域的需求，發(fā)展航空航天材料、高端裝備材料、新一代電子信息材料、生物醫(yī)用材料、新能源材料等，關注5G、柔性顯示等新興方向的材料需求，促進開發(fā)與應用聯(lián)系更緊密。近期國家先進功能纖維創(chuàng)新中心發(fā)布了“2024纖維領域十大新興技術”。
聚酰胺纖維高效柔性化技術
Efficient Flexibility Technology of Polyamide Fibers
一、聚酰胺纖維高效柔性化技術，聚酰胺纖維集成技術與應用示范。聚酰胺是合成纖維的第二大品種，具有優(yōu)異的加工和服用性能，廣泛應用于高檔服裝、家紡以及產業(yè)用等領域。國內外缺乏大規(guī)模、柔性化融合相關的技術研究和工程應用，我國雖具有大規(guī)模生產聚酰胺纖維的裝備和能力，但是實現高效柔性化的生產仍有大量尚待解決的理論和技術難題。國家先進功能纖維創(chuàng)新中心研究了聚酰胺6微量改性及低溫開環(huán)、高效液相增粘技術，抑制了聚合過程中低聚物的形成，顯著降低了己內酰胺單體與低聚物含量；開發(fā)了聚酰胺6低聚物端基修飾活化共聚技術，實現了改性組分的高比例共聚并抑制了低聚物的產生，制備出纖維級共聚型彈性聚酰胺6、阻燃聚酰胺6及陽離子可染聚酰胺6等聚合物，實現了聚酰胺6纖維高效柔性化生產；建立了聚酰胺6聚合紡絲高效柔性化制各試驗裝備，形成了聚酰胺6低聚物控制與共聚改性一體化的技術方案。
消費后紡織品高值化轉化
HighValue Conversion of Textiles after Consumption二、廢棄紡織品高值化轉化，有效地解決環(huán)境污染問題，減少能源消耗，助力實現“雙碳”目標。我國是全球第一紡織大國，紡織纖維加工總量占全球的50%以上。隨著人均纖維消費量不斷增加，我國每年產生大量廢舊紡織品。廢舊紡織品循環(huán)利用對節(jié)約資源、減污降碳具有重要意義，是有效補充我國紡織工業(yè)原材料供應、緩解資源環(huán)境約束的重要措施，是建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經濟體系的重要內容。《關于加快推進廢舊紡織品循環(huán)利用的實施意見》指出到2025年，廢舊紡織品循環(huán)利用體系初步建立，循環(huán)利用能力大幅提升，廢舊紡織品循環(huán)利用率達到25%，廢舊紡織品再生纖維產量達到200萬噸。到2030年，建成較為完善的廢舊紡織品循環(huán)利用體系，高值化利用途徑不斷擴展，產業(yè)發(fā)展水平顯著提升，廢舊紡織品循環(huán)利用率達到30%，廢舊紡織品再生纖維產量達到300萬噸。
美國Refiberd公司通過基于人工智能的高光譜成像進行先進的材料檢測技術，在各種纖維中進行檢測和分類，實現從紡織品到紡織品的循環(huán)利用。唐山三友開發(fā)出廢舊棉漿粕低成本、高效率制備再生纖維素纖維技術和產品，以廢舊棉漿粕為原料，針對其分子自由度不高、可及度差、反應活性低，黃化后紡絲膠不能滿足生產需求的難題，研發(fā)出小半徑水合鈉離子浸漬活化、堿纖維素精準可控老成、棉基纖維素全流程疏解和活化、紡絲液除雜、紡絲浴自調節(jié)、纖維高度取向等技術，對各類廢舊棉漿粕制備優(yōu)質再生纖維素纖維具有普適性。香港理工大學李鸝教授團隊將天然大麻纖維中多糖的固有溶脹效應與管狀織物的特殊編織工藝相結合，建立了一種孔隙濕度和自我調節(jié)的農業(yè)灌溉和除草一體化織物，為再生農業(yè)提供了一種具有灌溉和除草功能的新型、可持續(xù)膨脹可控復合管狀織物。這種新型管狀織物由天然纖維制成，無需化學涂層或整理，不僅提高水的利用率，而且符合政府對具有成本競爭力的紡織產品和環(huán)保農業(yè)技術的政策。目前還有生物酶法、水熱法等新型分離方法，該方法能與一類或兩類纖維同時反應，有潛力在低能耗和環(huán)境友好的條件下實現紡織品的高效回收。武漢紡織大學周建剛團隊提出了利用廢舊紡織品制備細菌纖維素的方法，廢舊紡織品經預處理后，用得到的織物水解液配制培養(yǎng)基并接種菌株，靜態(tài)發(fā)酵數日后制備細菌纖維素，證明廢棄紡織品是很有潛力的生產細菌纖維素的低成本原料，為其回收利用開辟了一條綠色、高效的新途徑。中國科學院寧波材料技術與工程研究所有機儲氫與催化團隊提出酯交換/氫化接力的新策略，并使用自主設計的基于喹哪啶骨架的新型三齒鉗形釕絡合物，發(fā)展出溫和的聚酯降解新方法（80℃，1 barH2），反應催化轉化數（TON）最高可達1520。實現了從廢棄聚酯直接出發(fā)，通過兩步法高效合成重要的化工原料1,4-環(huán)己烷二甲醇（CHDM）；方法具有優(yōu)異的普適性，可降解各種PET制品（如飲料瓶、漱口水瓶、隔音板、廢布料等），亦可兼容其他類型的聚酯材料，具備廣闊的應用潛力。
負碳纖維
三、負碳纖維技術，構建生態(tài)、低碳、循環(huán)的現代綠色石化產業(yè)體系，實現節(jié)能、減污、增效。
國家先進功能纖維創(chuàng)新中心聯(lián)合攻關負碳纖維制備技術路線
聚碳酸亞丙酯（PPC）
PPC以二氧化碳為單體原料在催化劑（雙金屬配位PBM型等）作用下，被活化到較高程度時，與環(huán)氧丙烷發(fā)生共聚反應合成的一種完全可降解的環(huán)保型材料。新型負碳材料及改性技術是以性能優(yōu)異的可降解材料——PPC（聚碳酸亞丙酯）為原料，通過熔融共混改性改善PPC加工性能差等問題，進而進行改性PPC基功能產品的開發(fā)。
負碳PET
關于聚酯纖維的三個發(fā)展階段，分別是一滴油到一根紗，一個回收塑料瓶到一根紗，二氧化碳到一根紗的故事，迭代發(fā)展變遷，是對大自然的敬畏，也是科技的力量與進步。經測算，每噸紗線可以捕集320kg二氧化碳。初步規(guī)劃年產能為3萬噸紗線，相當于捕集了近1萬噸的二氧化碳。按1棵樹一年的二氧化碳吸收量為10kg左右，相當于100萬棵樹一年的二氧化碳吸收量。
負碳乙二醇（纖維原料）
碳一（C1）分子是重要碳資源（CH4、CO2）或化工平臺化合物（CH3OH、HCHO、CO），由碳一分子直接碳碳偶聯(lián)制備C2+化學品，如低碳烯烴、乙醇、乙二醇等，利用太陽能來驅動碳一分子的碳碳偶聯(lián)過程，有望突破傳統(tǒng)熱催化反應過程在熱力學或動力學方面的限制，創(chuàng)新反應途徑。BiobasedBiodegradable Polyesters四、生物基可降解聚酯，引領綠色革新，開創(chuàng)可持續(xù)新時代。
基于“雙碳”背景，錨定綠色生物制造的目標，生物基可降解材料得益于優(yōu)秀的碳減排能力，成為替代和補充石化基材料的最佳選擇。在“可持續(xù)發(fā)展”這一理念對全人類社會都愈加重要的時代背景下，著力研究生物可降解材料以及推動生物可降解合成纖維的研究和應用是促進纖維材料綠色轉型的有效途徑之一。
https://doi.org/10.1038/s41557-022-00974-5
（1）作為以玉米、木薯等可再生的植物資源為原料的纖維產品，聚乳酸（PLA）纖維整條產業(yè)鏈與石油系工藝零關聯(lián)，天然帶有“綠色基因”。聚乳酸生產過程采用現代生物發(fā)酵技術，再經過聚合而成，具有可靠的生物安全性、環(huán)境友好性。作為目前產業(yè)化較好的生物可降解合成纖維，其原料來源豐富、生產技術相對成熟，且具有良好的力學性能及易于加工成型等優(yōu)點，在生物醫(yī)用高分子、紡織行業(yè)、農用地膜和包裝等行業(yè)應用前景廣闊。安徽同光邦飛開發(fā)原液著色纖維，解決聚乳酸纖維在染整過程中存在色牢度不牢的問題，針對聚乳酸纖維存放過程中強度降低問題，開發(fā)出抗水解、熱降解母粒，已解決纖維因存放時間長強度衰減問題，積極開發(fā)差別化纖維。（2）聚羥基脂肪酸酯（PHA）具有良好的生物可降解性、生物相容性和復合性，在醫(yī)用紡織品領域的應用前景廣闊。（3）聚對苯二甲酸-己二酸丁二醇酯（PBAT）作為一種新興的生物可降解聚酯材料，具有較好的可降解性、延展性、韌性和斷裂伸長率等，是應用較多的生物降解材料之一。（4）生物基丙二醇和生物基丁二酸是生物基原料中十分重要的兩個組成。結合生物基原料開發(fā)一款可降解彈性纖維，既可滿足國家雙碳戰(zhàn)略的發(fā)展要求，又可以拓展生物基原料在降解材料領域的應用，在一定程度上填補目前市場上可降解彈性纖維材料的空白，為公司創(chuàng)造一定的經濟收益。
高性能生物基纖維
High-PerformanceBio-based Fibers五、高性能生物基纖維，其不同仿生紡絲方法、纖維的力學增強策略、纖維的多元化應用，是未來的研究熱點。在“可持續(xù)發(fā)展”這一理念對全人類社會都愈加重要的時代背景下，高性能纖維綠色轉型的重要性也愈發(fā)凸顯。近年來，生物相容性和生物可降解的高強度再生生物基纖維在多個領域引起了廣泛關注。然而，現有的再生生物基纖維的力學性能尚不盡人意，這導致了其應用受到限制。由于強度和韌性往往相互制約，因此要實現再生生物基纖維的高強度與高韌性兼?zhèn)淙匀皇且豁椌薮筇魬?zhàn)。為了解決資源有限的問題，目前已經開發(fā)出各式各樣的策略來設計強韌的生物纖維。DSM Dyneema宣布了基于生物的Dyneema纖維等級，并提出“根據我們對可持續(xù)未來的承諾，我們開發(fā)了第一個基于生物的超高分子量聚乙烯纖維”。
先進能源纖維材料
Advanced Energy Fiber Materials六、先進能源纖維材料，基于材料、信息、能源等學科領域的技術突破與交叉融合的新型材料。
Adv. Fiber Mater., 2021.
纖維基自供能器件
可穿戴電子設備的快速發(fā)展給人們的生活帶來了巨大的便利，并逐漸滲透到健康監(jiān)測、醫(yī)療救助、智能體育、物體跟蹤、智慧家居等各個重要領域。然而，適合這些可穿戴電子產品的能量供給系統(tǒng)仍然是一個亟需解決的問題。
電池隔膜材料
鋰硫電池是一種極具吸引力的高能量密度電池，可應用于柔性和可穿戴的電子產品。但困難的是如何同時實現其靈活性、穩(wěn)定性和保持高的能量密度。最近的研究表明，纖維材料由于其柔韌性良好、重量輕、表面積大和成本低等優(yōu)勢，有望用于制作高能量密度的柔性電池。纖維材料具有良好的結構和功能可調性，可適用于構建工作電池的各種組件。香港理工大學鄭子劍團隊重點研究了纖維材料的合成和制備、結構和功能的設計以及電池單元的布局，以提高充電效率、循環(huán)壽命和靈活性。綠氫生產已成為當前的研究重點，綠氫主要通過在電解槽中通過電解水制得，電解槽主要由極板，電解液，和隔膜構成。隔膜決定了電解制氫生產過程中的能耗，氫氣純度等關鍵參數，是綠氫生產中必不可缺的重要部件，但該部件長期被日本東麗，歐洲愛克發(fā)等企業(yè)壟斷等問題。堿性電解制氫隔膜的核心原材料就是聚苯硫醚，通過將聚苯硫醚制備成具有對應性能的織物隔膜或將聚苯硫醚織物與其他材料復合，達到隔絕氣體，提供離子通道的目的。創(chuàng)新中心通過對聚苯硫醚（PPS）聚合、紡絲、表面改性、織造結構設計優(yōu)化等進行研發(fā)和試驗，使之達到PPS水電解隔膜新產品前端面料的基礎要求。組織試驗材料、場地、設備和檢測儀器，開展PPS面料表面處理工作，達到氣密性、面電阻等技術指標要求。通過聚苯硫醚網紗基底的結構設計和表面涂膜材料的配比，制備出新一代高性能隔膜材料。
光伏用纖維增強復合材料
纖維增強復合材料主要由高性能纖維（如碳纖維、玻璃纖維或芳綸纖維）和基體材料（通常是熱固性或熱塑性樹脂）組成。隨著光伏行業(yè)的發(fā)展，光伏組件結構輕量化、應用環(huán)境極端化成為發(fā)展趨勢，復合材料中的高性能纖維增強復合材料正是光伏組件結構輕量化的首選材料，也是極端環(huán)境中使用的不可或缺材料。光伏用玻璃纖維增強復合材料制品列入工業(yè)和信息化部發(fā)布的《重點新材料首批次應用示范指導目錄（2024年版）》，說明了纖維增強復合材料在光伏領域有無限的發(fā)展前景和可能。
纖維基柔性感知材料與技術
Fiber-Based Flexible Sensing Materials and Technologies
七、纖維基柔性感知材料與技術，是構建柔性電子器件一種新材料和先進的集成策略。 生命健康一直以來都是人類最為關注的科學問題。實時監(jiān)測人體各種生理指標對生命健康起著重要的作用。新興的柔性電子技術的出現正在滲透到人類日常生活的各個領域，包括柔性觸覺傳感系統(tǒng)、人工電子皮膚、智能紡織品、可穿戴健康監(jiān)測、可植入裝置等，它正在引領我們構建和使用電子產品的時尚。
柔性電子器件
半導體纖維——隨著量子物理學和電子能帶結構理論的發(fā)展，晶體管等半導體器件和集成電路的出現推動社會進入了信息化時代。為滿足復合材料的發(fā)展和人們智能化生活的需求，科學家們已經開發(fā)出各式各樣的功能纖維。顧名思義，功能纖維就是指在纖維現有的性能之外，還具有某些特殊功能，如導電纖維、光導纖維等。將功能纖維與紡織品結合，并賦予衣物新功能，一直是科學家們關注的熱點。半導體二極管是現代計算、通信和傳感技術的基本組成部分。將它們整合到紡織品級的纖維中，可以提高織物的“聰明度”。目前，在可拉伸、可穿戴、生物相容性、甚至可植入的電子產品領域的巨大發(fā)展，大大拓寬了物聯(lián)網(loT)的應用范圍，這同時對擁有低重量、低功耗、穩(wěn)定功能和低制造成本的電子設備提出了巨大挑戰(zhàn)。此外，用于監(jiān)測人類運動和醫(yī)療保健的柔性電子器件需要設備和每個組件有足夠的應變能力，以及集成功能，以滿足不同應用場景的要求。華中科技大學團隊研發(fā)無感化智能睡眠監(jiān)測裝備，將柔性感知纖維與人工智能結合，實現無感狀態(tài)下對人體進行睡眠監(jiān)測與遠程監(jiān)護。柔性纖維新材料與智能織物計算的結合賦予智能健康監(jiān)測系統(tǒng)無感性及準確性，實現精密測量?；诙嗖牧?、高靈敏的傳感單元，通過高分辨率、高靈敏度、穩(wěn)定無擾化的生理信號采集系統(tǒng)采集信息，在分別構筑三種底層功能感知結構的基礎上，對單一功能結構進行多功能集成研究并構建與之配套的傳感電路系統(tǒng)及數據可視化界面，借助云-邊-端協(xié)同、深度學習等人工智能領域技術，三位一體形成疾病癥狀可量化的智能評估體系，實現對人體三種檢測體征的無感化精密測量。
納米纖維高通量制備技術
High Throughput Preparation Technology for Nanofibers Technologies八、納米纖維高通量制備技術，實現超細纖維的超快制造，為納米纖維的規(guī)?；a提供了新思路和新機遇。作為一種具有引人注目關注的納米材料，納米纖維由于其獨特的物理化學性質和特性而廣泛用于環(huán)保過濾、能源轉化和儲能、柔性電子等領域。然而，實現高效率、低成本連續(xù)穩(wěn)定制備高質量納米纖維材料仍是一個挑戰(zhàn)。蘭州大學研究團隊自主創(chuàng)新的“錐形體超高速電紡絲”和“壓縮氣體噴絲”兩項高產率納米纖維制備技術，實驗測得兩種方法制備效率均在10克/分鐘以上，效率較傳統(tǒng)靜電紡絲提升500～1000倍。經改進的制備技術，制備工藝及成本更為經濟、高效，將大規(guī)模生產納米纖維變?yōu)楝F實。產品物理和力學性質完全達到同類產品國際水平，因此兩項成本更為經濟的納米纖維規(guī)?；苽浼夹g不僅能為企業(yè)創(chuàng)造可觀的利潤，也對提升行業(yè)的技術水平，躋身國際前沿有著重要的現實意義。清華大學深圳國際研究生院、國家先進功能纖維創(chuàng)新中心等單位共同研究“氣紡納米纖維規(guī)?；苽涑商准夹g及產業(yè)化”，在系統(tǒng)研究高速氣流場下聚合物溶液射流成纖機理基礎上，設計開發(fā)工業(yè)級的設備產線，可高效實現納米纖維的產量，為納米纖維的高效工業(yè)化應用，高通量制備提供了實施路徑。
國家先進功能纖維創(chuàng)新中心聯(lián)合青島大學合作研究高效無針靜電紡絲技術，通過研究自由液面紡絲射流產生機理，開發(fā)封閉式無針靜電紡絲技術，自主建造了連續(xù)靜電紡絲設備，解決了無針靜電紡絲穩(wěn)定性差、制備的納米纖維膜均勻性差等問題。
仿生氣凝膠纖維
Biomimetic Aerogel Fibers九、仿生氣凝膠纖維，通過“解耦”設計來解決問題，為新材料研發(fā)提供新方式。 氣凝膠纖維，結合了纖維材料出色的強度、韌性以及氣凝膠材料極低密度和極低熱導率等優(yōu)點，具有獨特的3D互連多孔結構以及諸多優(yōu)異的物理特性。幾十億年的生物進化歷程使得自然界生物體的某些部位巧奪天工，在長期的生命進化過程中，生物合成了種類繁多、性能各異的生物材料來適應環(huán)境，維系自身的生存與發(fā)展。仿生材料是模仿生物的各種特點或特性而研制開發(fā)的材料。仿生+氣凝膠纖維的有機結合，將為材料科學帶來巨大的創(chuàng)新未來，在生物醫(yī)用、能源、環(huán)境等領域具有巨大的應用潛力。受樹木自然蒸騰行為的啟發(fā)，南京林業(yè)大學黃超伯教授團隊提出了一種集成設計策略，通過單向冷凍水解聚丙烯腈（HPAN）、聚乙烯醇（PVA）和碳納米管（CNT）混合物，然后冷凍干燥、熱交聯(lián)、原位聚合和表面改性制成的超疏水PPCPNA氣凝膠，用于制備具有垂直排列通道、多孔結構和底部親水層和上部疏水層的Janus結構的仿生氣凝膠，可以實現高效太陽能蒸汽水凈化和海水淡化。
超材料
十、超材料紡織品技術，光、電、熱、聲、力多維度的“超級”材料。“超材料”是指自然界不存在的、人工制造的、三維的、具有周期性結構的復合材料，如電磁超材料、力學超材料、聲學超材料、熱學超材料以及基于超材料與常規(guī)材料融合的新型材料，形成了新材料的重要生長點。
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