纤维和纺织产业的新变化新趋势

蔡继权

（杭州市化工研究院有限公司  浙江杭州  310023）

摘  要：纤维和纺织产业是前沿高端技术的一个新领域，我国纤维制取和纺织工业的绿色发展水平居全球领先地位。本文阐述了纤维和纺织产业各个单元的突破性成果、新型纤维和纺织品的功能和应用，特别是原液着色和利用基因工程生产彩色棉、羊毛、蚕丝、蜘蛛丝、甲壳素纤维避免环境污染。

关键词：纤维；纺织；基因工程；生物基；智能；多功能；3D打印

1．纤维和纺织产业是前沿高端技术新领域

纤维制取技术和纺织产业的发展在人类文明中有至关重要的作用。21世纪的今天，纤维制取和纺织业已不仅仅是满足人类穿衣需求的传统行业，而是一个呈现前沿高端技术并与全球各行业同步发展的新领域。美国创立了革命性纤维与织物制造机构，开发面向未来的纤维和织物。德国确立了名为“未来纺织”的国家战略。一些发达国家纷纷将纺织产业列为具有重要战略意义的“新产业”，持续在国防、军工、先进医疗和环保等领域获得突破。

纤维原料的创新推动纺织品的革新。以高性能、多功能、轻量化、柔性化为特征的纤维新材料，为纺织行业价值提升提供了重要路径。新一代数字化信息化智能化技术与纺织行业加深融合，正在推动纺织产业链、供应链提质增效，带来业态更新与价值延伸。

我国科技创新的基础设施条件和体制机制不断完善，技术应用与创新生态不断丰富，跨界创新、融合创新实践不断涌现，为纤维和纺织产业的高质量发展提供了有利条件。我国化纤产量2020年为6025万吨，2021年为6524万吨，2022年为6488万吨（占我国纤维加工总量的85%以上，占全球化纤总产量的70%以上）。我国是全球化学纤维最大的生产国与消费国，已建立起全世界最为完备的现代纺织制造产业体系，生产制造能力与国际贸易规模长期居于世界首位，成为我国制造业进入强国阵列的第一梯队。

我国纤维制取和纺织工业的绿色发展水平居全球领先地位。在新时代，纤维和纺织产业是创新驱动的科技产业、文化引领的时尚产业、责任导向的绿色产业。我们突破高性能纤维新材料的关键技术，继续保持国际竞争优势。采用新型纤维材料、新型纱线织物加工技术、多功能整理技术、电子传感等技术，开发先进功能纺织品、智能纺织品，满足市场需求。集纺织、电子、医学、计算机、物理、化学等学科技术于一体，并具有新的热、力、电等性能的智能纺织材料，可感知环境变化，实现了数据传输和能量存储等全新应用，在提高生活质量、满足特种行业需要等方面发挥重要作用。碳纤维、玻璃纤维和陶瓷纤维等复合材料迈入了全新发展时代。

纺织设备继续向柔性化、智能化、国际化转型升级，并加强工业互联网、大数据、人工智能、工业机器人、区块链等智能制造应用关键技术的开发应用。按照碳达峰、碳中和的目标要求，应用绿色纤维、高效节能设备、清洁生产工艺、废旧纤维循环利用等低碳技术，推进纺织产品全生命周期的绿色化管理。我国纤维和纺织产业链的每个单元都在快速创新发展，并取得突破性成果。

2．纤维新变化

2.1 纤维结构、组成、形态和制取原料多维发展

纤维的主链结构已经由碳原子为主链发展成以碳、氮、硅、硫、磷等元素为主链。纤维的基体材料已由碳、氢、氧原子为主的有机高分子材料拓展为无机、金属、有机-无机杂化纤维材料，并拓展到生物医用和能源等应用领域。

纤维的结构中，一维纤维作为最小的结构单元，通过编织（如加捻、缠绕或混纺）、针织、非织造布缝合和毡合等方法制造；二维纤维比一维纤维尺寸微小、强度和灵活度高、多重稳定性和结构完整；三维纤维的立体织物除更具有强度、稳定性等优势之外，还具有独特的高透气率和高比表面积优势。如今，纤维材料的原料、结构、组成和形态等出现多维发展的趋势。如：最初的碳纤维由聚合物或小分子链段融合成纳米级石墨烯堆叠连接而成，提高了碳纤维的力学强度，但影响了它的导电性能。后来通过碳原子sp ²杂化共价连接制得碳纳米管纤维，兼具高力学性能和导电性能。

纺织复合材料因其强度大和耐用性强而被广泛应用于原型制作，同时在航空航天、能源、汽车和海洋等领域也已投入大规模生产，但起皱是纺织复合材料常见的缺陷之一。在纺织复合材料制造过程中，通过同时向两个方向拉伸材料的方法可以提高去皱性，设计制作了可将纺织物拉伸并消除褶皱的双轴固定装置，解决了纺织复合材料起皱的问题。

芳纶1414的强度是优质钢材的5～6倍，模量是钢材或玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢材的2倍，而重量仅为钢材的1/2。芳纶1414在-196～204℃范围内可长期正常运行，在150℃下的收缩率为0，在560℃的高温下不分解、不熔化，且具有良好的绝缘性和抗腐蚀性，生命周期很长。芳纶被应用于国防军工等尖端领域，防弹衣、防弹头盔、防刺防割服、排爆服、高强度降落伞、防弹车体、装甲板等均大量采用了芳纶；而超高分子量聚乙烯纤维的强度又高出芳纶纤维1.5倍左右，耐冲击性能好，比能量吸收大，防弹效果优于芳纶，已成为占领防弹背心市场的主要纤维。

2.2 纤维线密度低尺度化

天然纤维包括头发、棉、麻、蚕丝和蜘蛛丝等，直径为微米级。新兴的合成纤维制造技术不断推动纤维直径上的突破。合成纤维的制备技术主要为熔融纺丝、干湿法纺丝、微流控纺丝、静电纺丝及3D打印技术等。全新的纤维制造技术推动纤维线密度低尺度化。熔融纺丝与干湿法纺丝得到的纤维直径通常在几十微米到几百微米之间，由湿法纺丝得到的纤维直径则可达1mm 以上，制备的纤维多以单纤维形式存在。

微流控干法纺丝技术，可集纤维素纤维、蛋白的浓缩、剪切、拉伸、离子调控和纺丝于一体，从而实现仿生纺丝，可得到直径数百纳米到数百微米之间的单根纤维。通过静电力连续拉出纤维，控制多个纺丝参数（电导率、挥发性、表面张力、溶液特性和浓度）和设备条件（电场强度、喷嘴配置和喷嘴与接丝装置间的距离）来控制纤维性能（尺寸、成分、结构、表面形态和孔隙率），是获得纳米级纤维的有效方法，所得纳米纤维具备纤细的直径、高比表面积和高孔隙率等特性，已在生物材料和纺织品生产等领域应用。

静电纺丝也能提供更高的太阳能-电能转换效率。纳米纤维具有的高表面积和孔隙率用于制备能量存储器，在未来海洋环境里大型分布式能量存储系统中具有很大潜力。近年发展起来的 3D打印技术得到的纤维直径通常在几微米到几百微米之间。

3．纤维制取技术的变化

纤维原料的创新是推动纺织品革新的源动力。纤维材料制取技术逐步朝着高效化、绿色化、精细化发展。生物传感器技术、基因编辑技术和基因芯片技术为纤维原料的开发，特别是生物基单体的结构设计、制备以及天然纤维的改性提供了实质性帮助。合成生物学的发展进一步推动生物基纤维及纺织品的快速发展。借助分子生物学和材料基因工程技术，可以降低生物基材料的生产成本和提高综合性能。利用水热合成法、嵌段共聚法和表面活性剂法等方法，可制备多种有机-无机杂化材料。利用自组装法，借助共价键或非共价键的相互作用可自发形成热力学平衡状态下的有序结构。材料基因工程发展迅猛，通过高通量集成计算与多层次材料设计，揭示各参数调控纤维材料性能的规律，实现按需求设计，快速低耗地发展新材料。

以秸秆、芦苇、树枝、果树、海藻、壳聚糖和蜘蛛丝等农林海洋废弃生物质为原料，通过发酵和化学转化等方式制备新型生物基单体，再经加聚或缩聚反应制成线型高分子产物，经纺丝制得生物基新型再生纤维，能赋予纺织品新的粘合性、抗菌性、亲水性和吸水性等特性。

将酿酒酵母菌中可使葡萄糖转化为甘油的基因植入大肠杆菌体内，再植入能将甘油转化为1,3-丙二醇的克雷伯氏菌的基因，可以实现以葡萄糖为底物的一步法生产1,3-丙二醇，效率提高了500倍，成本比化学法降低了25%。清华大学和大连理工大学等高校研发用克雷伯氏菌对甘油转化生产1,3-丙二醇的工艺，转化率高于60%，推动了生物基聚对苯二甲酸丙二醇酯全产业链的形成。我国在生物基 1,3-丙二醇、乳酸、1,4-丁二酸、1,5-戊二胺和长碳链二元酸等新单体方面发展迅速，研发生产了聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）、聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）和聚酰胺 56 等新型纤维及聚合物品种。

甲壳素纤维原料来自于自然界的虾、蟹等节足动物的甲壳。全球海洋每年产甲壳量可达10亿吨，在天然高分子中的产量仅次于纤维素。将虾、蟹甲壳经粉碎干燥后进行脱灰、去除蛋白质等化学和生化处理可获得粉末，将这种粉末通过常规的纺丝工艺，可纺制出甲壳素纤维。甲壳质作为低等动物甲壳和外骨骼中的纤维组分，兼具高等动物组织中的胶原和高等植物纤维中纤维素两者的生物功能，其化学性质和生物性质与人体组织相近，生物相容性好。同时，甲壳质及其衍生物本身含有复杂的空间结构，能在酶的作用下分解为低分子物质，因而生物活性优异。

应用甲壳素纤维制造内衣内裤和医疗用的可吸收缝合线、人工皮肤、伤口包扎材料等，对人体无毒无刺激，抗菌除臭，有良好的吸附性、粘结性、透气性，吸湿保温，并有消炎、止血、镇痛、促进组织生长，加速伤口愈合的功能，效果相当突出。壳聚糖是甲壳质的衍生物，对各种细菌和真菌的生长有很好抑制效果。为了抑制微生物在医用纺织品上生长，采用壳聚糖合成对人体健康影响较小的水凝胶，并在离子活化纤维素纤维中应用，提高纤维的抗微生物活性。壳聚糖水凝胶改性纺织品也表现出增强的吸湿性和水蒸汽高渗透性，且不影响其使用性能。

聚乳酸纤维是一种新型的可完全生物降解的合成纤维，从谷物中取得，其制品废弃后在土壤或海水中经微生物作用可分解为二氧化碳和水，燃烧时不会造成环境污染。蜘蛛丝是一种高分子蛋白纤维，是目前世界上最坚韧且具有弹性的纤维之一，有其他纤维不可比拟的强度大、弹性好、柔软、质轻、抗断裂、耐紫外线等优点，可生物降解和回收，是绿色织物优异的纺织材料。随着生物技术的发展，利用转基因技术中“电穿孔”的方法，将蜘蛛“牵引丝”部分的基因注入蚕卵中，培育出的家蚕能分泌出蜘蛛丝。使蜘蛛丝在纺织、军事、航天航空、组织工程等领域的开发生产取得了突破。

4．纺织行业的变化

4.1 基因工程减少环境污染

利用基因工程在棉、羊毛、蚕丝等天然动植物纤维的性能改良和人工合成生物基单体领域中获得了应用。原液着色、彩色棉花、天然彩丝和彩色兔毛的出现，极大地改变了传统纺织印染和整理过程造成的环境污染。

使用原液着色法生产有色纤维，不仅能减少印染污染和降低能耗，而且使用该纤维的织物颜色鲜艳、色泽均匀、不易褪色、经久耐用、对人体亲和性好，生产流程绿色环保，符合环境保护要求。结构生色是近年来发展的新型织物显色技术，不同于传统染料和颜料产生的化学色，结构生色着色方式环保节能，不需要后期整理过程的着色剂即可产生颜色，织物色泽具有高饱和度和永不褪色等特点，在特定条件下还可具有保湿、抗菌、抗紫外线功能，甚至实现光-热、光-电等功能转换特性。

我国利用生物基因工程培植彩色棉花，已在四川、甘肃、河南、海南形成研究育种基地，拥有棕、绿、紫、灰、橙等颜色的棉花品种。生产的彩棉，色彩鲜艳而棉花属性没有改变。已利用彩棉纯纺或与白棉、化纤短纤、各种功能性纤维、罗布麻等生产各种混纺纱、生产机织或针织面料。

通过给长毛兔喂食含铁、铜等元素的饲料，我国培育出了长13种颜色的兔毛。我国还发现了一种不吃桑叶专吃栗树叶吐绿色丝的天蚕，由中国科技大学和安徽农科院联合研究的“天蚕的质基因导入家蚕的染色质遗传工程”项目已获得成功，培育出生产天然彩丝的彩色家蚕。天然彩丝由生物高分子蛋白链组成，即使在极高的温度下也能保持结构稳定。研究人员利用这一特性把蚕丝蛋白质经过热处理和拉伸处理后制成耐高温丝基电子纺织物，可制作嵌入在服装、包装或其他物体中的便携、灵活的新一代电子设备。

4.2 纺织行业继续向智能制造发展

我国化纤行业已基本实现全流程自动化、信息化和数字化，整个纺织行业也将继续向智能制造发展。利用新型纺织设备自带的智能通信接口，或外接智能传感器，将每个生产单元产生的海量数据进行智能化分析处理和优化，再在每个智能车间中进行自动化、智能化改造革新，实现车间智能化，利用 5G 等移动通信技术，将各个智能车间之间的数据互联互通，实现整个工厂智能化，形成从上游原材料到制造过程到销售终端的智能化产业链。工厂的大数据处理平台将纤维制造的设备层、执行层和运营层数据进行全面挖掘及分析（核心技术包括 5G 网络技术、边缘计算、数字孪生等）。同时，进行智能检测与设备维护，建立从纤维→纱线→面料→印染→服装的全流程功能化、个性化定制系统和大众化服装定制系统，达到快速响应市场需求变化的目的。

人们在工作、运动等不同的场景中，一件衬衫上不同衣着部位的服装功能不同，如衣领与袖口应具备防水、防油、防污的特性，后片和袖子则应具备高保形、免烫、吸水速干的功能，羽绒服在后背、帽子和袖子部位具备防风防水功能，在脊椎和腰部位置则应具备发热保暖功能。上班时穿着的衬衣，其肩膀和肘部磨损较为严重，可采用耐磨纱线；腋下部位容易出汗，需要透气速干或者密度低的面料结构；后背面料要求具有高弹力；前胸面料要求挺括而不皱。通过结合不同功能的纱线和织法，可实现同一块面料的多功能化，同时满足人体的多维度需求。或者将同一块面料制成多功能层，以同时满足防水透气、隔温保暖、亲肤顺滑及快干的性能要求。

通过纤维材料的疏水疏油分子结构设计、纺丝工艺和面料设计与后整理技术，开发不沾水不沾油的耐污易清洗服装，赋予衣服具有抵抗机械磨损和污渍的能力，减少衣服洗涤次数，降低洗涤剂和洗涤水用量，延长服装生命周期并减少纤维微塑料污染。河北省雄亚纺织集团和恒天海龙股份有限公司等企业生产的智能调温纺织材料，可以保持人体温度在一个舒适的范围内，具有“冬暖夏凉”的特性。东莞市南耀智能服饰有限公司、博迪加科技（北京）有限公司等相关单位正在研发对外部环境和条件具有感知、反馈、响应功能的电子信息智能纺织材料。深圳智裳科技有限公司、石狮森科智能科技有限公司等相关单位正在研发在纺织、军事、娱乐、防伪等领域具有良好发展前景和高附加值高效益的智能变色纺织材料。

采用传统合成技术生产的合成纤维无法满足低成本快速度和环境友好等要求，促使采用生物基复合材料为原料进行3D打印的成形工艺得到飞速发展。通过3D打印技术，将计算机生成的图案设计与彩色、清晰、半透明的材料相结合，可生产各种美丽光彩的纺织品。长征五号 B 型运载火箭2020年搭载了新一代再燃飞船实验船，船上配置了 3D 打印机，实现了外太空失重情况下的材料制造。采用连续苎麻纤维增强聚乳酸基生物质复合材料，通过原位浸渍3D打印工艺，制备不同铺层方式的样件。3D 打印技术将颠覆现有成衣制造模式，没有纱线、面料与裁片之分，原料到成衣只需要通过3D打印。通过建立版型数据库，根据用户上传的全身照即可给出最佳的版型方案。通过涤纶、锦纶、棉、粘胶、氨纶等不同纤维的设计组合，再根据应用需求选择面料、款式、颜色、风格等，最终定制出客户满意的成衣。

家纺产品智能化和健康化成为未来发展的大趋势。生物医用纺织材料朝着可降解、功能化、复合化、智能化和微创化方向发展。如配置风机、电池及过滤单元的智能防护服。将能检测湿度、温度、光照、声音、空气质量等的传感和控制系统应用于家纺产品，可智能调节环境的温湿度、光线强度及空气质量。还可将语音识别、震动传感等微型制品与家纺产品结合，以满足使用者对娱乐、运动、保健和通信的要求。例如智能枕头可在入睡、睡眠和唤醒等全过程跟踪改善睡眠质量。天津工业大学等正在研发具有绿色环保材料设计、高记忆性产品研发，以及产品批量化生产的智能形状记忆纺织材料。

5．纤维与纺织制品的全新功能和应用

高性能纤维是一类具有战略意义的高新技术材料。无机高性能纤维通常具有超高的强度，包括碳纤维、SiC纤维、ZrO2纤维、玻璃纤维和碳纳米管纤维等强度大于17.6cN/dtex，是先进复合材料的理想增强体。有机高性能纤维除了具备高强高模特性外，还具有高弹性、耐高温高压、耐腐蚀辐射、耐磨损和导电等特殊功能。如：超高分子量聚乙烯、芳纶、聚酰亚胺和聚对苯撑苯并二唑等纤维材料，在民用、军事、国防、医疗救治和环境保护等领域都有重要作用。

具备特殊功能的新型纤维包括基于压阻传感、绝缘/半导体/导体等性能的智能纤维，基于天然/废弃高分子化合物的再生纤维，具有耐高温、抗紫外线、抗原子氧侵蚀等特殊物理性能纤维，具有耐酸碱、阻燃、抗菌等特殊功能纤维，以及可用于潜水、防寒、军用伪装、航空航天、特殊环境防护等极限状态纤维等。

用于风电的风力涡轮机叶片可由碳纤维/环氧树脂复合材料制成。用碳纤维复合材料代替传统金属制的电缆芯，质轻、能耗低、易增容，除应用于电力输送外，还可用于加固桥梁及高层建筑和石油开采。用碳纤维与芳纶等纤维复合材料替代传统汽车、飞机机身的金属材料，可大幅减轻质量、减少燃油消耗和碳排放。碳纤维与芳纶复合材料也已成为高速列车车身和内部装饰不可或缺的关键材料。高性能纤维网衣耐盐、防紫外线，解决了深海养殖网箱材料要求具有耐老化抗风浪的问题。

聚丙烯酸盐等高吸水性纤维使得生物降解高性能大棚布得到了大力发展。植物工厂采用透光性好、透气率高、透湿性强的非织造布替代聚乙烯膜作地膜，有望解决塑料薄膜污染土壤的环境问题。

通过智能纤维材料编织或者改性、外接电子技术等方法可实现服装的智能化，表现为服装具有传感、自修复和自动调节等功能。近年来，智能器件已逐步渗透到人类衣食住行等领域。其中智能可穿戴设备及智能服装就包括有生理传感器、用于应变、脉冲和运动的机械传感器、化学传感器、生物标志物监测器（如葡萄糖传感的隐形眼镜、多模式汗液感应腕带等）、神经刺激器和人体器官替代物（如假肢人工视网膜、皮肤假体）。

智能纺织品将信息、传感、纤维、织造与服装加工完美结合在一起，在军事领域具有极大发展潜力。士兵作战服上配备生化感应器，能及时检测环境中的有毒物质及其浓度，还能监测皮肤温度、心率、脉搏和血氧含量等身体各项体能和健康指标。在特殊专业运动服上配备血液感应器能识别伤口并及时响应，通过服装膨胀实现伤口快速止血，甚至可以用微型计算机进行远程治疗。

智能功能纺织品在环境保护、生态修复中逐渐获得应用。利用超细纤维与亚微米/纳米级非织造材料相结合，大幅提升过滤介质的比表面积，降低介质材料的孔径尺寸，实现气体、液体甚至分子尺度的高效过滤；同时降低过滤阻力降低能耗和原材料消耗，提高过滤精度。利用聚酯、玻璃纤维、聚四氟乙烯等制备的复合式多功能墙壁、屋顶绿化、隔离绿化带等系统，能够净化空气，实现污水循环利用、降温、降噪的作用。

6．结语

“十四五”期间，纤维和纺织行业的新定位是“国民经济与社会发展的支柱产业、解决民生与美化生活的基础产业、国际合作与融合发展的优势产业”。我们要用“创新、协调、绿色、开放、共享”的新发展理念，加快纤维和纺织产业的提质增效，建设全球先进纺织产业集群，加快迈向全球价值链中高端，为巩固我国纺织强国地位并实现制造强国目标而积极奋斗。

作者简介：

蔡继权，教授级高级工程师，长期从事新产品研发和科技管理。

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