紡織品前瞻性制備技術及應用研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

烏 婧，江振林，吉 鵬，謝銳敏，陳 燁，陳向玲，王華平

(1.東華大學 紡織產(chǎn)業(yè)關鍵技術協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201620；2.東華大學 紡織科技創(chuàng)新中心，上海 201620；3.東華大學 纖維材料改性國家重點實驗室，上海 201620；4.上海工程技術大學 化學化工學院，上海 201620；5.東華大學 材料科學與工程學院，上海 201620；6.東華大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 201620)

當今世界處于百年未有的大變革時代，知識、技術和信息更迭日新月異，推動產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展?；w產(chǎn)量近20年來連續(xù)位居世界首位，2021年高達6 025萬t，占全球總產(chǎn)量的70%以上。預測至2050年，全球紡織纖維加工量達2.35億t，表明紡織產(chǎn)業(yè)具有巨大的發(fā)展空間。

現(xiàn)階段紡織產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也面臨嚴峻挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下4個方面。1)纖維原料資源匱乏：傳統(tǒng)化纖原料嚴重依賴石油資源，為進一步實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展且避免與糧食等的競爭問題，天然纖維、再生纖維和合成纖維的來源需另覓出路[1]。2)加工生產(chǎn)成本上升：勞動力成本日益提高，能源、運輸和環(huán)境治理成本高，且國產(chǎn)原料品質(zhì)無法滿足加工需求[2]。3)產(chǎn)品面臨雙重擠壓：中低檔產(chǎn)品優(yōu)勢不復存在，生產(chǎn)加工成本優(yōu)勢下降，產(chǎn)業(yè)向外轉(zhuǎn)移趨勢明顯。4)原創(chuàng)技術缺乏：戰(zhàn)略用紡織材料自主創(chuàng)新不足且很多技術受到發(fā)達國家的封鎖[3]。

從全球發(fā)展趨勢來看，紡織行業(yè)的應用已不再局限于傳統(tǒng)制造業(yè)。隨著纖維技術的發(fā)展，碳纖維、玻璃纖維和陶瓷纖維等在復合材料方面實現(xiàn)了新突破并邁入了全新的發(fā)展時代。如今，很多發(fā)達國家已將紡織產(chǎn)業(yè)列為具有重要戰(zhàn)略意義的“新產(chǎn)業(yè)”，主要體現(xiàn)在高性能、功能和智能纖維上，并持續(xù)在國防、軍工、先進醫(yī)療和環(huán)保等領域獲得突破。美國和德國等發(fā)達國家在國家政策層面已經(jīng)拉開了新一輪制造業(yè)革命的序幕：美國創(chuàng)立了革命性纖維與織物制造機構(gòu)，以開發(fā)面向未來的纖維和織物，并助力美國紡織制造業(yè)的快速復蘇；德國的“工業(yè)4.0”則將紡織業(yè)作為首要突破口之一，確立了名為“未來紡織”(futureTEX)的國家級戰(zhàn)略。新一代紡織產(chǎn)品和纖維在穿著和美觀上超越了傳統(tǒng)理念，具有不同以往的力、熱、電等性能，并形成了數(shù)據(jù)傳輸和能量存儲等全新應用。未來紡織的高水平、可持續(xù)發(fā)展需要滿足多重產(chǎn)業(yè)升級需求，持續(xù)提高產(chǎn)品品質(zhì)和附加值；滿足產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化需求的同時需自主研發(fā)紡織新材料，以支撐國家戰(zhàn)略需求；滿足智能制造，優(yōu)化生產(chǎn)成本；滿足可持續(xù)發(fā)展需求，多維發(fā)展再生循環(huán)和生物基纖維，提高生態(tài)紡織及綠色制造節(jié)能低碳技術等。

近年來，我國紡織產(chǎn)業(yè)也呈現(xiàn)出諸多創(chuàng)新元素和突破性發(fā)展，一些具有革命性的新思路已具雛形。為了更加深入地了解這些發(fā)展現(xiàn)狀，本文結(jié)合當前紡織產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，總結(jié)紡織品上下游產(chǎn)業(yè)鏈中涉及的原料、纖維和紡織品成形技術及智能制造等技術，對未來紡織品的制造及應用進行展望，以期為我國紡織行業(yè)的可持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展提供思路。

1 纖維原料與紡織材料

1.1 合成生物學與催化轉(zhuǎn)化技術

纖維原料的創(chuàng)新是推動紡織品細分領域革新的源動力。隨著近年來全球在基因工程、合成生物學及材料基因工程等方面的發(fā)展，纖維原料的篩選和開發(fā)進程逐漸加快。新興的技術手段為進一步提升原料及纖維產(chǎn)品的“綠色”“可持續(xù)性”賦能，推動了生物基原料的技術進步；同時，有助于降低聚合物結(jié)構(gòu)設計“試錯”發(fā)展模式所需的高成本，這對減少全生命周期纖維材料的碳足跡將起到重要的作用。

1.1.1 基因工程

利用基因工程進行生物體遺傳學和化學改造，近年來已在天然植物和動物纖維(如棉、蠶絲)性能改良、纖維和人工合成生物基單體領域獲得了應用。例如，美國杰能科和杜邦公司率先將釀酒酵母菌中可使葡萄糖轉(zhuǎn)化為甘油的基因插入大腸桿菌體內(nèi)，再插入能將甘油轉(zhuǎn)化為1,3-丙二醇(1,3-PDO)的克雷伯氏菌(Klebsiellapneumoniae)的基因，然后在以葡萄糖為底物的條件下實現(xiàn)一步法生產(chǎn)1,3-PDO[4-5]。該生產(chǎn)方法除了在效率上提高了500倍，在成本上也比化學法降低了25%，實現(xiàn)了1,3-PDO高效基因工程菌的開發(fā)。近年來，清華大學和大連理工大學等高校采用克雷伯氏菌野生菌對甘油轉(zhuǎn)化生產(chǎn)1,3-PDO的工藝進行研究，轉(zhuǎn)化率高于60%，對生物基聚對苯二甲酸丙二醇酯全產(chǎn)業(yè)鏈的形成起到了推動作用[6]。

1.1.2 合成生物學

合成生物學是在現(xiàn)代生物學基礎上，通過融入設計、構(gòu)建、調(diào)試和優(yōu)化的工程學循環(huán)思想，形成涵蓋分子生物學、計算機、工程技術和信息技術等多個學科的交叉領域。合成生物學通過重建或改造自然界生物體系可構(gòu)建出具有特定功能的可控生命體系，已在食品科學、化學品制造、環(huán)境保護、生物醫(yī)藥和生物能源等多個領域得到應用。其中，生物傳感器技術可高效指導生物代謝途徑的構(gòu)建、工程酶的篩選、目標產(chǎn)物菌株產(chǎn)量的提高和調(diào)控代謝物在細胞內(nèi)的水平等。同時，基因編輯技術和基因芯片技術的發(fā)展，可進一步實現(xiàn)在核苷酸層面的精準編輯和檢測，極大加速工程酶篩選速度的同時也提高了篩選的精度。這些技術為纖維原料的開發(fā)，特別是生物基單體的結(jié)構(gòu)設計和制備以及天然纖維的改性提供了實質(zhì)性的幫助。近年來，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(fā)展迅速，形成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[7]。合成生物學的發(fā)展將進一步推動生物基纖維及紡織品的快速發(fā)展。

1.1.3 材料基因工程

傳統(tǒng)材料研發(fā)不僅周期長、投入大，而且還存在頻繁試錯的風險，而纖維材料的開發(fā)路徑也不例外。由于材料的組分-結(jié)構(gòu)-性能關系受到復雜參數(shù)的影響，因此難以進行準確預測。近年來材料基因工程迅猛發(fā)展，有望推動材料研發(fā)模式的新一代革命。材料基因工程的理念在于進行高通量集成計算與多層次材料設計，揭示各要素協(xié)同調(diào)控材料性能的機制或規(guī)律，其目的是實現(xiàn)按需求設計，快速低耗地發(fā)展新材料[8]。

1.1.4 生物基與碳循環(huán)

天然及合成生物基材料具有典型的低碳甚至負碳特性，是實現(xiàn)紡織行業(yè)碳中和的重要途徑。以秸稈、蘆葦、樹枝、果樹、海藻和殼聚糖等農(nóng)林海洋廢棄生物質(zhì)為原料，經(jīng)化學處理開發(fā)新型再生纖維；或者通過發(fā)酵和化學轉(zhuǎn)化等方式制備新型生物基單體，再借助加聚或縮聚反應合成線型高分子化合物，最后經(jīng)紡絲工藝可制得生物基合成纖維。生物質(zhì)具備的黏合性、抗菌性、親水性和吸水性等特征賦予了紡織品新的特性。同時，也可利用這些豐富的生物質(zhì)資源制備敷料，如以秸稈灰為原料生產(chǎn)生物基(納米)二氧化硅，可廣泛應用于功能紡織品的制備中。目前，生物基材料由于價格偏高且綜合性能欠佳，尚難提供與石油基材料同等水平的性價比。未來借助分子生物學和材料基因組技術實現(xiàn)技術革新和擴大生產(chǎn)規(guī)模，有望降低生物基材料的生產(chǎn)成本，提高其綜合性能。

1.1.5 含雜原子纖維材料基體

隨著合成技術手段的發(fā)展，纖維材料基體已由傳統(tǒng)的碳、氫、氧原子為主的純有機高分子逐漸拓展為涵蓋無機、金屬及有機-無機雜化纖維材料。這些新型纖維已進一步拓展到生物醫(yī)用和能源等應用領域[9]。利用水熱合成法、嵌段共聚物法和表面活性劑法等，可制備多種有機-無機雜化材料。另外，利用自組裝方法，借助共價鍵或非共價鍵的相互作用可自發(fā)形成熱力學平衡狀態(tài)下的有序結(jié)構(gòu)。例如，肽組裝納米纖維是一種新型超分子組裝體，在溫和條件下，雙親短肽可自動生成有序的超分子納米結(jié)構(gòu)，有望作為理想狀態(tài)下的人工模擬酶制備材料[10-11]。

1.2 纖維性能升級與多功能化應用

1.2.1 纖維材料結(jié)構(gòu)多維化

從原料的角度，纖維主鏈結(jié)構(gòu)由最初的碳原子為主鏈，發(fā)展為以碳、氮、硅、硫、磷等元素為主鏈。以碳纖維為例，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，這賦予碳纖維高的力學強度，但同時影響了其導電性能[12]。后續(xù)研究通過共價連接sp2在一維方向上雜化碳原子制得的碳納米管纖維則表現(xiàn)出兼具高力學性能和導電性能的特性[13]。如今，纖維材料的原料、結(jié)構(gòu)、組成和形態(tài)等出現(xiàn)多維發(fā)展的趨勢。纖維的結(jié)構(gòu)維度可分為一維、二維和更復雜的三維結(jié)構(gòu)。一維纖維作為最小的結(jié)構(gòu)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制造方法[14]，可將一維纖維進一步集成到二維或三維纖維中，二維纖維相較于一維纖維具有尺寸微小、強度高、靈活度高、多重穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)完整性等優(yōu)點，而三維立體織物除具有強度、穩(wěn)定性等優(yōu)勢之外，高透氣率和高比表面積是其獨特的性能優(yōu)勢[15]。

1.2.2 纖維線密度低尺度化

纖維新興應用不斷推動纖維直徑尺度上的突破(見圖1)。由于長絲與紗線橫切片的形狀呈現(xiàn)出不規(guī)則結(jié)構(gòu)，且紗線表面存在大量毛羽，因此主要以線密度描述纖維的粗細。線密度向低尺度的不斷突破與纖維成形加工技術的革新息息相關，線密度的極限也代表了紡絲技術的先進程度。天然纖維包括頭發(fā)、棉、麻、蠶絲和蜘蛛絲等，直徑為微米級。目前，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[16]及3D打印技術等[17]。熔融紡絲與干濕法紡絲是將聚合物形成熔體，高黏度聚合物熔體再通過噴絲孔噴出，最后進入凝固浴(熔融紡絲和干法紡絲為空氣)中形成纖維的紡絲方法，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1 mm以上。2種方法制備的纖維多以單纖維形式存在。新興的微流控紡絲法是與天然紡絲最接近的方法之一[18]，它遵循自然紡紗中基本的流體力學原理。基于層流結(jié)構(gòu)，液體的擴散速度相對較慢，這些界面有助于創(chuàng)建精準控制的 pH值梯度。通過增加流速，沿甬道方向產(chǎn)生剪切力，可得到直徑在數(shù)百納米到數(shù)百微米之間的單根纖維[19]。靜電紡絲法則是獲得納米級纖維的有效方法，通過靜電力連續(xù)拉出纖維，控制多個紡絲參數(shù)(電導率、揮發(fā)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(jié)構(gòu)、表面形態(tài)和孔隙率)，得到的納米纖維具備高比表面積、高孔隙率和纖細的直徑等特性，已在紡織品和生物材料生產(chǎn)等領域獲得應用[20]。近年來發(fā)展的3D打印技術是一種基于材料直寫的增材制造技術，可將“墨水”移動并沉積到指定位置，逐層定位并構(gòu)建復雜的架構(gòu)，以自下而上的方式直接轉(zhuǎn)化為物理對象。3D打印技術在構(gòu)筑復雜生物醫(yī)學組件方面具有不可比擬的優(yōu)勢，通過支架的三維微周期陣列方法得到的纖維其直徑通常在幾微米到幾百微米之間[21]。

圖1 纖維加工工藝與極限直徑間的演變歷程

1.2.3 纖維性能高性能化

1.2.4 纖維功能多樣化

為滿足多樣化的應用需求，功能纖維的研究進程飛速發(fā)展，具備特殊功能的新型纖維按其屬性可分為基于壓阻傳感、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的纖維；具有耐酸堿、阻燃、抗菌等特殊功能的纖維[24]；可用于潛水、防寒、軍用偽裝、航空航天、特殊環(huán)境防護等極限狀態(tài)的纖維等[25]。未來功能高分子纖維的開發(fā)重點將集中在高分子結(jié)構(gòu)設計、復合化納米化、新型成形技術等集成創(chuàng)新方面，賦予纖維多功能性以適應時代的發(fā)展要求。

1.2.5 纖維應用智能化

近年來，智能可穿戴電子產(chǎn)品呈現(xiàn)爆炸式發(fā)展。智能器件已逐步滲透到人類衣食住行等領域。如智能可穿戴設備及智能服裝，其中可包含的智能器件有生理傳感器[26]、機械傳感器(用于應變、脈沖和運動)[27]、化學傳感器、生物標志物監(jiān)測器(葡萄糖傳感的隱形眼鏡、多模式汗液感應腕帶等)[28]、神經(jīng)刺激器(e-dura、m-LED)[29-30]和人體器官替代物(如假肢人工視網(wǎng)膜、皮膚假體)[31]。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(xiàn)服裝的智能化，表現(xiàn)為服裝具有傳感、自修復和自動調(diào)節(jié)等功能?；趥€體的多元化和全面型的智能體驗將是未來智能服裝發(fā)展的重要方向。同時結(jié)合線上檢索、視頻播放、溫度調(diào)節(jié)和智能提示的實用性與功能性的服裝設計，將為人們提供更加便捷、高效和舒適的生活方式。

2 未來紡織制造技術

2.1 纖維成形與染色技術

紡織品加工產(chǎn)業(yè)鏈每個單元都在快速創(chuàng)新與發(fā)展。面向未來，纖維材料成形技術逐步朝著高效化、綠色化、精細化發(fā)展，實現(xiàn)纖維多重結(jié)構(gòu)精確構(gòu)筑。熔體紡絲與溶液紡絲是目前纖維加工最重要的兩大方法體系。以再生絲素蛋白和纖維素纖維作為可再生資源，融合濕法紡絲、靜電紡絲和干法紡絲技術，將微觀可再生資源纖維單元組裝制備宏觀纖維集合體?；谖⒘黧w的干法紡絲技術，可集纖維素纖維、蛋白的濃縮、剪切、拉伸、離子調(diào)控和紡絲于一體，從而實現(xiàn)仿生紡絲。由3D打印技術制備的多結(jié)構(gòu)復合功能紡織品具有高度可設計、結(jié)構(gòu)精確構(gòu)筑的特點[32]。例如，可將計算機生成的圖案設計與彩色、清晰和半透明的材料相結(jié)合，以模仿從蝴蝶翅膀到昆蟲眼睛的各種事物，創(chuàng)造出色彩和光線的幻覺。

顏色是反映紡織品品質(zhì)的重要屬性。傳統(tǒng)紡織品印染、整理過程會造成大量廢水排放，一直是環(huán)保管理的重中之重。使用原液著色法生產(chǎn)有色纖維，不僅能減少印染過程和降低能耗，而且在纖維的使用過程中其織物顏色鮮艷、色澤均勻、不易褪色、經(jīng)久耐用、對人體親和性好，整個工藝生產(chǎn)流程綠色環(huán)保，符合當代對環(huán)境保護的要求。另外，結(jié)構(gòu)生色是近年來發(fā)展的新型織物顯色技術。不同于傳統(tǒng)染料和顏料產(chǎn)生的化學色，結(jié)構(gòu)生色不用依靠著色劑即可產(chǎn)生顏色，織物色澤具有高飽和度和永不褪色等特征，其著色方式符合環(huán)保的要求[33]。結(jié)構(gòu)生色紡織品除了具有上述特征外，在特定條件下，還可具有保濕、抗菌、抗紫外線甚至光-熱、光-電等功能轉(zhuǎn)換特性。

2.2 紡織智能制造加工體系

紡織工業(yè)在發(fā)展的同時也伴隨著制造體系的自動化和智能化發(fā)展?！笆濉逼陂g，化纖行業(yè)已基本實現(xiàn)全流程自動化、信息化和數(shù)字化。未來，全行業(yè)將繼續(xù)探索“智改數(shù)轉(zhuǎn)”路徑，為全面實現(xiàn)化纖行業(yè)的智能制造做出更大貢獻。

2.2.1 多層級數(shù)據(jù)驅(qū)動體系

1)最小生產(chǎn)單元數(shù)字化：從化纖的最小生產(chǎn)單元實現(xiàn)數(shù)字化，如熔體紡絲組件單元、紡絲冷卻吹風單元等，利用新型紡織設備自帶的智能通信接口，或額外布局智能傳感器，將每個生產(chǎn)單元產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進行智能化分析和處理，在生產(chǎn)工藝優(yōu)化與決策上提供科學的指導[34]。

2)化纖車間智能化：由若干智能單元構(gòu)成智能車間，如紡絲車間、加彈車間、染整車間等，再在每個智能車間中，將生產(chǎn)設備、原料輔料、車間環(huán)境、能源消耗等方面進行自動化、智能化改造革新，真正實現(xiàn)化纖車間的智能化。

3)化纖工廠智能化：在工廠建設初期，通過三維建模、系統(tǒng)仿真等手段，實現(xiàn)數(shù)字化工廠設計；再利用5G等移動通信技術，將聚合、紡絲、加彈等智能車間之間的數(shù)據(jù)進行互聯(lián)互通，從而實現(xiàn)整個化纖工廠的智能化。

4)工廠基礎設施智能化：化纖產(chǎn)業(yè)鏈的智能化發(fā)展離不開網(wǎng)絡基礎設施、移動互聯(lián)網(wǎng)平臺和電子商務平臺的協(xié)同建設，推進化纖產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)采集傳感器布局，成立紡織產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)公共服務平臺，規(guī)范數(shù)據(jù)交換標準、線上商品和服務授權準入和接口協(xié)議，從而構(gòu)建智能化的化纖產(chǎn)業(yè)鏈[35]。

5)供應鏈智能化：化纖制造業(yè)從上游對苯二甲酸(PTA)、乙醇等原材料的采購，到中間產(chǎn)品錦綸、滌綸等化纖成品，再到后端服裝等，形成了一條從上游材料到制造以及銷售終端的供應鏈。通過智能優(yōu)化算法優(yōu)化采購策略，并將供應鏈進行可視化，為化纖企業(yè)的供應鏈提供智慧管理，提升供應鏈效能、柔性和韌性。

2.2.2 化纖工廠智能計算體系

化纖大數(shù)據(jù)處理平臺通常將纖維制造的設備層、執(zhí)行層和運營層所產(chǎn)出的數(shù)據(jù)進行全面挖掘及分析，是化纖工廠實現(xiàn)智能化的基礎，主要核心技術包括5G網(wǎng)絡、邊緣計算、數(shù)字孿生等。

5G網(wǎng)絡技術在化纖智能制造過程中應用廣泛。如基于5G網(wǎng)絡的紡絲智能巡檢機器人，通過使用5G網(wǎng)絡對采集的圖像進行高速回傳，再利用AI算法模型對圖像進行處理、分析，捕獲缺陷點，確定產(chǎn)品生產(chǎn)過程中是否存在異常。

邊緣計算就是在網(wǎng)絡邊緣就近執(zhí)行大量的數(shù)據(jù)計算。邊緣計算可以降低時延，提高實時性需求，減少向上的傳輸帶寬，更重要的是可將關鍵數(shù)據(jù)留存在企業(yè)內(nèi)，更具可追溯性與安全性。

數(shù)字孿生是以數(shù)字化的形式對某一物理實體過去和目前的行為或流程進行動態(tài)呈現(xiàn)和反饋[36]?；w行業(yè)中常利用數(shù)字孿生技術對全流程進行三維數(shù)字化建模及優(yōu)化，不僅可模擬縮短熔體輸送管道后的運行狀態(tài)，還能克服因管道縮短帶來的應力釋放、循環(huán)乙二醇液封槽防爆設計等技術難點。

2.2.3 智能檢測與設備維護系統(tǒng)

從提升產(chǎn)品品質(zhì)角度考慮，首要環(huán)節(jié)是對初生纖維進行理化性能的在線預測，可分為基于機制模型的和基于數(shù)據(jù)模型的性能預測。例如，利用深度學習算法，將酯化釜、縮聚釜附近的溫度、流量等變量以及原料PTA等參數(shù)作為輸入，對熔體黏度、分子質(zhì)量分布等關鍵性能指標進行預測[37]。

在對初生纖維理化性能智能化預測的基礎上，開發(fā)生產(chǎn)工藝優(yōu)化系統(tǒng)，以纖維的單個或多個性能指標為優(yōu)化目標，采用元啟發(fā)式智能優(yōu)化算法，建立相應的工藝優(yōu)化模型。例如，在對滌綸長絲熔體直紡各環(huán)節(jié)內(nèi)的工藝進行優(yōu)化的同時，研究生產(chǎn)環(huán)節(jié)自身的合理、優(yōu)化的組合，實現(xiàn)產(chǎn)品性能的提升和成本的降低。

其次對化纖成品的外觀進行智能化在線檢測，可有效提高質(zhì)量檢測效率及準確率。如滌綸長絲外觀檢測機器人等，采用基于機器視覺的圖像檢測技術，通過工業(yè)視覺、圖像檢測算法和自動化控制系統(tǒng)的相互配合，實現(xiàn)對成品絲外觀缺陷的自動化智能化工業(yè)視覺檢測[35]。

最后對關鍵設備進行預測性維護也是保證產(chǎn)品品質(zhì)至關重要的一點。構(gòu)建聚合反應釜、熱定形牽伸輥等關鍵裝備的故障預測系統(tǒng)，運用故障機制分析等智能化技術對設備進行模式識別以及預測性維護調(diào)優(yōu)，實現(xiàn)關鍵設備的智能化維護，從而更進一步地提升終端產(chǎn)品品質(zhì)。

2.2.4 數(shù)字化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)

利用新興互聯(lián)網(wǎng)和通信技術，將產(chǎn)品個性化需求和生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)相連接，建立基于大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡平臺的數(shù)字化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)。運用數(shù)字化控制技術可保障產(chǎn)品個性化與差異化需求的小批量等多品種生產(chǎn)模式，以及產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性和可靠性。

發(fā)展基于互聯(lián)網(wǎng)的紡織智能制造新模式，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(tǒng)和大眾化服裝定制系統(tǒng)。人工智能可以根據(jù)消費者的需求數(shù)據(jù)，實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)，達到快速響應市場需求變化的目的。

采用傳統(tǒng)成形工藝制造的合成纖維逐漸無法滿足低成本快速制造、環(huán)境友好等要求，為此，采用生物基復合材料作為原料進行3D打印的成形技術逐漸得到發(fā)展。例如，選取連續(xù)苧麻纖維增強聚乳酸基生物質(zhì)復合材料，采用原位浸漬3D打印工藝制備不同鋪層方式的樣件[38]。

3 未來紡織品應用與模式

3.1 服裝與可穿戴紡織品

3.1.1 先進制造服裝體系與革新消費模式

隨著人們生活水平的提高以及消費的快速發(fā)展，現(xiàn)有服裝體系產(chǎn)生資源浪費，造成大量的紡織品和服裝垃圾滯留，因此，迫切需要對現(xiàn)有服裝體系進行改造和升級。例如，基于租賃基礎上的共享服裝或許也是未來的一種解決方案。消費者不僅能花較少的錢就可穿多風格的服裝，還可有效延長服裝使用周期，使每件服裝物盡其用，可有效減少服裝資源的浪費。

在運動、工作等不同的場景中，身體不同部位的功能需求不一樣，通過結(jié)合不同功能的紗線和織法，可實現(xiàn)同一塊面料的多功能化，同時滿足人體的多維度需求。如人們上班通勤時穿著的襯衣，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組織結(jié)構(gòu)；后背面料要求具有高彈力；前胸面料要求挺括而不皺?；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。3D打印技術將顛覆現(xiàn)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(shù)據(jù)庫，根據(jù)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(jù)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。

3.1.2 高性能與低損耗服裝

通過纖維原料、紗線與織物結(jié)構(gòu)的調(diào)整，結(jié)合先進的后整理技術，實現(xiàn)纖維及制品的性能提升。通過纖維材料的分子結(jié)構(gòu)疏水、疏油設計，表面結(jié)構(gòu)構(gòu)筑，紡絲工藝設計和面料設計與后整理技術開發(fā)耐污易清洗制品，使其具有不沾水、不沾油的功能。研究表明，用洗衣機洗1件衣服平均使用1 L水，每升洗滌水中纖維微塑料含量為87～7 360根，每件紡織品的洗滌會造成超過1 900根纖維的脫落排放，同時伴有洗滌用電等的能量消耗[39]。纖維及織物的高性能和抗污改性，賦予衣服在穿著過程中具有抵抗機械磨損的能力，對常見的污漬具有較好的“抵御”能力，減少服裝打理次數(shù)，延長服裝生命周期，并降低洗滌劑和洗滌水用量，減少纖維微塑料排放。

3.1.3 輕量化服裝

纖維細旦化可減少其在服裝上的使用數(shù)量和降低消耗水平，實現(xiàn)戶外運動服及裝備、軍裝、作訓服等用品的輕量化。

3.1.4 功能化服裝

隨著紡織技術及消費者要求的提高，產(chǎn)品從單功能向多功能轉(zhuǎn)變是必然趨勢。纖維產(chǎn)品的多功能復合可賦予終端制品的多功能性，克服單一纖維制品帶來的缺陷，有利于促進紡織品向更高層次方向發(fā)展。例如:在同一款面料或服裝上實現(xiàn)抗菌、吸濕透氣、手感柔軟、超強耐磨的特性；一件襯衫上不同衣著部位兼具不同的功能，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(fā)熱保暖功能。

3.1.5 智能化服裝

智能紡織品將信息、傳感、纖維、織造與服裝加工完美結(jié)合在一起，是具備感知環(huán)境與人體狀態(tài)變化，對各種變化能做出快速響應的功能紡織品。智能紡織品正逐步接近人們的日常生活，已涉及通信、醫(yī)療、運動、軍事、娛樂等領域[40]。智能服裝在軍事領域具有極大發(fā)展?jié)摿?，在士兵作?zhàn)服上配備生化感應器，能及時檢測環(huán)境中的有毒物質(zhì)及其濃度，還能監(jiān)測身體各項體能和健康指標。在特殊專業(yè)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(xiàn)傷口快速止血，甚至可以用微型計算機進行遠程治療。美國Owelt公司開發(fā)的智能襪子內(nèi)附有傳感器，可監(jiān)測皮膚溫度、心率、脈搏和血氧含量等數(shù)據(jù)。

通過纖維材料技術和服裝技術的結(jié)合，開發(fā)集變色、抗皺、涼感、保暖、挺括、吸濕排汗等功能于一體的一衣多穿服裝，能同時滿足社交、通勤、休閑、運動等不同場景的需求，減少消費者對服裝的需求量。Hsu等[41]將非對稱發(fā)射極嵌入具有不同厚度的納米多孔聚乙烯基體中，并將碳材料的高發(fā)射率層和銅材料的低發(fā)射率層分別置于一層納米多孔聚乙烯上，2層發(fā)射極經(jīng)疊加后，由該材料制備的織物不需要外來電源就具備降溫和保暖功能，通過調(diào)整織物的正反面就能變換功能，可提供全時段和全溫段的服務，減少衣服的置換。

3.2 家紡產(chǎn)品

隨著人們生活品質(zhì)的提高，家用紡織品已不再只是單一的生活必需品，還兼具改善生活質(zhì)量、美化家居環(huán)境的重要作用。消費者越來越注重家紡產(chǎn)品品牌質(zhì)量、個性化和功能性；同時，家紡產(chǎn)品智能化和健康化成為未來發(fā)展的大趨勢。將能檢測濕度、溫度、光照、聲音、空氣質(zhì)量等的傳感和控制系統(tǒng)應用于家用紡織品，可智能調(diào)節(jié)環(huán)境的溫濕度、光線強度及空氣質(zhì)量。另外，還可將語音識別、震動傳感等微型制品與家用紡織品組合，以滿足消費者對娛樂放松、運動保健和通信的要求。美國Rem-Fit公司推出智能枕頭ZEEQ，可在入睡、睡眠和喚醒等全過程跟蹤改善睡眠質(zhì)量。Mirahome團隊推出具有可實時捕捉用戶心率、呼吸和體動等功能的Mooring恒溫睡毯，能實現(xiàn)睡毯溫度的智能調(diào)節(jié)。LUNA智能床墊內(nèi)配備的傳感器可有效檢測用戶呼吸和心率、跟蹤用戶的睡眠狀態(tài)并監(jiān)聽用戶的鼾聲狀態(tài)，以營造適宜的睡眠環(huán)境。隨著智能生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，在未來，窗簾、沙發(fā)、靠枕等都可以作為智能終端，硬件+軟件+家紡成為趨勢，根據(jù)用戶習性自動提供個性化服務。

3.3 極限新領域中的未來紡織品

3.3.1 生物醫(yī)用領域

生物醫(yī)用紡織材料朝著可降解、功能化、復合化、智能化和微創(chuàng)化方向發(fā)展。如配置風機、電池及過濾單元的智能防護服，外部的空氣通過過濾單元傳送入防護服內(nèi)，不僅能提供新鮮空氣，還能帶走內(nèi)部熱量與水蒸氣，提高人體穿著舒適度。人工腎等人造器官越來越“仿真”，構(gòu)建同時具有腎小球過濾功能和腎小管重吸收功能的生物人工腎，可將分子從細胞一側(cè)運輸?shù)搅硪粋?cè)。美國馬斯克研發(fā)的腦機接口(Neuralink)可以植入大腦，記錄并刺激大腦活動，用于治療腦部疾病和神經(jīng)系統(tǒng)病[42]。

3.3.2 生態(tài)環(huán)境領域

智能、功能紡織品在環(huán)境保護、生態(tài)修復中逐漸獲得應用。在城市化進程中建筑用地的增加擠占了植被面積,使得城市空氣質(zhì)量下降。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(tǒng),能夠凈化空氣,實現(xiàn)污水循環(huán)利用、降溫、降噪的作用。

除此之外,環(huán)境保護過濾用紡織品也擁有廣闊的市場，在工業(yè)空氣凈化過濾等裝置中應用屢見不鮮。利用超細纖維非織造材料與亞微米/納米級非織造材料相結(jié)合,可大幅提升過濾介質(zhì)的比表面積,降低介質(zhì)材料的孔徑尺寸，實現(xiàn)氣體、液體,甚至分子尺度的高效過濾[43]。同時,纖網(wǎng)固結(jié)技術在高效節(jié)能型水刺技術領域和海水淡化領域有著重要應用，除了產(chǎn)品的開發(fā)，產(chǎn)品的優(yōu)化也相當重要，能夠?qū)崿F(xiàn)纖維網(wǎng)絡的多梯度纏結(jié)復合，獲得性能更優(yōu)異的復合結(jié)構(gòu)，優(yōu)化工藝降低能耗和原材料消耗，降低過濾阻力的同時可選擇性地提高過濾精度也是未來發(fā)展的趨勢。

3.3.3 能源領域

高性能纖維及其復合材料在能源領域得到廣泛應用。納米纖維形態(tài)的材料對于解決眾多能源和環(huán)境問題具有重要作用，靜電紡絲允許從各種材料(如有機物和無機物材料)以不同的構(gòu)造和組件生產(chǎn)納米纖維，用取向的納米纖維金屬制造的激子太陽能電池氧化物電極可提供更高的太陽能-電能轉(zhuǎn)換效率。纖維及其復合材料也可用于風能發(fā)電等領域，風力渦輪機葉片可由傳統(tǒng)復合材料(玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料)、天然復合材料和納米工程復合材料制成，其中制造風機葉片的最佳材料是碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料。

能量存儲器件也是纖維在能源領域的一個應用方向。海浪、潮汐和海流等海洋資源自帶能量，大規(guī)模的海洋儲能前景廣闊，能源儲存和運輸已成為未來可持續(xù)能源供應的關鍵。納米纖維具有的高表面積和孔隙率使其能用于制備能量存儲器，如納米纖維薄膜可用于制備一種高度擴展的“紙狀”多合一海水超級電容器，面向海洋環(huán)境中的電化學能量存儲，具有輕巧的特點和出色的力學性能，在未來海洋環(huán)境里大型分布式能量存儲系統(tǒng)中具有潛在應用。

3.3.4 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域

農(nóng)業(yè)工廠化是未來農(nóng)業(yè)的主要發(fā)展方向，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的植物工廠領域就是其高新技術成果之一。植物工廠是集生物技術、光電技術、信息技術和工業(yè)制造為一體的高科技工廠化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)用紡織品在其中發(fā)揮了重要作用。非織造布具有透光性好、透氣率高、透濕性強的特點,植物工廠采用非織造布替代聚乙烯膜作地膜,有望解決薄膜污染土壤的環(huán)境問題。近年來,高吸水性纖維以及復合技術的開發(fā)，使得高性能大棚布及其它可生物降解紡織品得到了大力發(fā)展。例如,日本研究開發(fā)了聚丙烯酸鹽高吸水樹脂作為化學保水劑添加到栽培基質(zhì)中以提高其保水性。

3.3.5 建筑交通領域

高性能纖維及其復合材料在建筑等領域獲得廣泛應用。用碳纖維復合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬制的電纜芯，具有減輕質(zhì)量、降低能耗、易增容等優(yōu)勢，可應用于電力輸送；此外，可用碳纖維復合材料對橋梁及高層建筑進行加固；碳纖維復合材料在石油開采領域的運用不僅可以減輕質(zhì)量，還能提高生產(chǎn)效率。在交通領域，利用芳綸與碳纖維等高性能纖維復合材料替代傳統(tǒng)汽車、飛機機身金屬材料，可大幅減輕質(zhì)量，減少燃油消耗和碳排放[44]。新一代低碳汽車采用碳纖維及芳綸復合材料作為車身材料，其車身比鋼鐵車身質(zhì)量減少50%；芳綸/橡膠復合材料可減小輪胎變形量和滾動阻力，并提高其散熱性能。目前，碳纖維及芳綸復合材料也已成為高速列車車身和內(nèi)部裝飾等零配件不可或缺的關鍵材料。

3.3.6 深空深海領域

隨著人類對深海、太空及外星球等領域的不斷探索，纖維制品在極端環(huán)境中出現(xiàn)諸多應用。為解決宇航員穿衣、洗衣難等問題，科學家們開始研究如何在空間站中制造纖維，制成可直接穿著的服裝，并解決服裝的洗滌及循環(huán)利用問題。一種思路是設計并制造輕量級的紡絲、織造設備，解決在失重情況下工作的問題；另外一種思路是直接利用3D打印技術。2020年我國首飛成功的長征五號B型運載火箭上搭載了新一代的再燃飛船實驗船，并在船上配置了3D打印機，實現(xiàn)外太空失重情況下的材料制造。結(jié)合現(xiàn)有3D打印纖維及服裝技術，在太空實現(xiàn)紡織制造將成為現(xiàn)實。

深海環(huán)境相對于陸地環(huán)境要復雜,深海養(yǎng)殖網(wǎng)箱材料要求比較高。為提高耐鹽、防紫外線性能，研究人員開發(fā)特力夫高性能纖維網(wǎng)衣，其具有理想的耐老化抗風浪的效果。

4 結(jié)束語

紡織行業(yè)和紡織技術的發(fā)展在人類文明進化的歷程中起到了至關重要的作用。作為一個歷史悠久的行業(yè)，紡織行業(yè)的技術進步與全球各個行業(yè)的進步同頻發(fā)展。21世紀的今天，紡織業(yè)也不再僅僅是滿足人類穿衣需求的傳統(tǒng)行業(yè)，其技術進步更加呈現(xiàn)高端化和前沿化。纖維成形工藝的拓展及纖維在多維尺度上的演化為終端應用提供了無限想象的空間。在數(shù)字化、信息化及人工智能日新月異的今天，以一維纖維材料為基元發(fā)展出的全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)均已呈現(xiàn)革新式的發(fā)展與技術進步。暢想未來，紡織行業(yè)已經(jīng)呈現(xiàn)出多維度的創(chuàng)新發(fā)展，將為人類文明和技術進步提供更為廣泛的空間。