你所不知道的大纤维世界【www.4136.com】 兼具材料技术革命与制造技术革命双重意义

作者: 冶金矿产  发布:2020-04-30

本报实习记者 赵萍

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)。

“在大纤维的世界里,我们的电视机可以卷起来带走!”

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。

这是河北清华发展研究院研究员魏东在近日召开的“大纤维和编材制造”首场研讨会中描述的画面。制造这种电视机的纤维材料具备接收及转换信号、自发电、显示等多项功能,且这些都是纤维的内生功能,即自身便具备这些功能。再通过先进的制造技术,基于多功能纤维开发新型智能器件和系统,并实现形状的随意改变。

大纤维:跨领域、跨学科的交叉融合特性

这不是科幻小说,现阶段,我们的科学家正在致力于这类研究,试图赋予纤维感知和信息处理功能。引用中国工程院原院长周济的HCPS理论,在大纤维的世界里,拥有“生命”和智能的纤维将作为一种载体,把物理世界、人体世界和虚拟世界连接起来。

www.4136.com,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。

香港理工大学陶肖明团队正从事基于纤维结构的各种智能系统研发工作,如可穿戴的能量采集与能源存储设备,即通过纳米发电器将环境、人体运动产生的能量转换为电能,储存并应用于可穿戴微电子系统。这意味着人体走路、蹲起等所有肢体动作产生的动能均可以转换成其他设备所需的电能,将对人体产生的动能实现最大化利用。举个最简单的例子,以后出门无需再带充电宝,要给手机充电不只可以利用太阳能,走走路也能实现。

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。

东华大学纤维材料改性国家重点实验室副主任张耀鹏在会上表示,该实验室正在不断调整、完善大纤维的传感功能。此前一则“15岁亚裔少年为痴呆爷爷发明防走丢袜子”的新闻报道感动了无数人,这种袜子主要依靠一小片圆形传感器来工作,原理是当他的爷爷站起来时,传感器受到重力后会给手机发送提示信号。那么,这种创意在大纤维时代将如何呈现?通过研发新型纤维,无需特别增加传感器,完全可以通过其自身性能实现对人体行为的监测,同时可以跟踪身体的生理健康状况,预防外生和内生的潜在危险。可以说,这种产品对医疗健康有着重要的意义。

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。

引发材料技术革命

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。

大纤维是一个很新的概念,最初是由大纤维产业工作组的专家于2016年提出来的,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。经过多次研讨、反复论证,专家将大纤维的物理层次分为7层,从下到上为原子—分子—纤维—织物—器件—系统—超系统。他们认为,大纤维虽发轫于纺织,但覆盖范围已大大突破了纺织行业,向下可延伸至基因编辑,向上可延伸至智能可穿戴设备等领域。并且,大纤维兼具材料技术革命与制造技术革命的双重意义。

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。

何为材料技术革命?大纤维突破传统纤维局限,能够感知、计算、储能、通信、执行。上海纺织科学研究院原副院长沈安京认为,大纤维不是具象的一根纤维,也不似普通纤维那样有着偏粗旷的制造方法。大纤维强调自身功能的精准可控、数字化且可编程,不仅可对纤维材料结构进行微观的调整,如进行某种元素含量、原子或分子的排列组合等,使其具备特定的功能性并带有信息编码,而且可以进一步将此类纤维加工成各类织物、柔性元件和智能系统。

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。

大纤维产业工作组组长王健在《大纤维与编材制造:一场基于纤维的新工业革命》一文中指出,大纤维包括碳纳米管、石墨烯等为基的高性能或超高性能纤维、多功能智能纤维、高性能生物纤维等,具有跨领域、跨学科的交叉融合特性,完全突破了传统纤维的局限。如人造蜘蛛丝纤维,相较于碳纤维具有更好的延展性、柔韧度,也具备更高的强度,不仅可以应用于纺织、医疗行业,在航空领域也有重要作用。欧洲空中客车公司称,用铅笔粗的人造蜘蛛丝纤维织成的网可以承受住一架重达200吨的A350宽体客机,再加上蜘蛛丝的抗菌等生物特性,更有利于推动飞机在构造方面的创新。

编材制造:从原子到超系统的多层次创新制造技术

会上,张耀鹏对人造蜘蛛丝纤维进行了简单介绍。现阶段用仿生方法做出的人造蚕丝比天然蚕丝性能更好,国内正尝试将蜘蛛的基因放入试验蚕中,再通过喂食法,使试验蚕吐出的丝具备蜘蛛丝的某些特殊性能。他还特别指出,目前,天然蜘蛛丝蛋白无法大批量获得,转基因蜘蛛丝蛋白价格昂贵,而人造蜘蛛丝纤维在国内仍处于研发阶段。并且,蜘蛛难以规模化饲养是制约人造蜘蛛丝发展的重要原因。可喜的是,我国已有一家实现了蜘蛛规模化饲养的企业,批量生产人造蜘蛛丝纤维的客观条件正在不断形成。

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。

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