- 纺织材料学（第2版）
- 于伟东
- 3998字
- 2021-03-29 14:56:15
第四节 纤维的应用与未来
一、纤维的应用
纤维发展的起因是纤维的应用需求。纤维的应用主要作为纺织原料，可以制成纱线、织物和绳缆，可直接制成网片或絮填物，或缠、黏结成非织造布，还可浸渍树脂基体或分散于其中，制得复合材料。纤维在这些物体中的作用显然是成形、支持、填充、增强、连接等，以集合成束、成片、成网，以及材料的填充或增强；以赋予纺织品及其复合物所需的外观特征、内在性能；以满足产业、穿着和装饰用纤维制品的需求。
纤维可以单独使用或不同纤维的组合、混合使用，也可以与其他物质或材料进行组合、复合使用。随着纤维材料功能的提高、扩展与多元化，不仅可作为一般民用及产业用的柔性材料，而且可以成为生物组织工程、高性能结构与增强、物质分离与过滤、高效传导与屏蔽、微尺度组件与结构等高技术纤维制品。而纤维的智能或自适应和自修复行为的出现，不仅可使已有的纤维制品具有更理想的使用功能，如相变自适应、可呼吸、形状记忆、人造皮肤和体型矫正等。而且更为重要的是将导致微机械结构或系统（MEMS）甚至是纳米尺度感知与控制器的应用，如柔性触觉系统、信号传递与显示、微—纳尺度机械手等。
二、纤维的未来
纤维的现状前已介绍，各大类纤维的缺陷与不足是近100多年来人们关注和努力解决的问题，并有了长足的进步。但更为重要的是由于人口的膨胀，环境的污染和恶化，自然资源与能源的匮乏，人类对物质量与质的需求提高，穿、用消耗的资源——纤维，将成为未来发展中必须直面的问题。人类应该更多地关注已有纤维的使用和再生利用；可持续纤维资源的开发应用；纤维的低能耗、清洁化加工，尤其是关注大宗类纺织品用纤维资源的可持续性。
积极寻求与开发可持续的天然纤维，特别是织物类纤维资源极为重要，因为地球上每年生长的植物约1.65千亿吨，其中纤维素至少数百亿吨，但人类依然在大面积的种植和使用有限的石油资源。天然纤维资源本身的生态性毋庸置疑，但可持续性受到纤维制取中的能耗及污染、人口增长和无控制利用等的影响。因此，并不是人类没用或少用或冠以生物质的纤维，就是新纤维，就一定可持续或生态。如天然彩棉的含重金属及低纺用价值，罗布麻的无节制开采利用及对生态的破坏，竹、香蕉、嫩麻纤维的高能耗初加工及更大量下脚物的污染等。反之，人类所熟知并依然在原始或低水平应用的传统纤维，却会在培育及加工技术上的突破，成为新的大宗类、可持续的纤维。如羊毛细化，黄、红麻的分离细化，转基因棉，高产、细支、抗病虫害的陆地棉种，高性能天然蜘蛛丝，超细和极细羊毛（＜15μm）等。
为提高天然纤维的抗灾害和病虫害的能力，进而提高产率与产量；为提高纤维的性能和品质以及增加色系，目前最为常用的方法是种植与饲养技术和嫁接、杂交与种群培育技术。而突破与进展最快的是转基因技术。目前，已有抗病虫害、抗旱的高产转基因棉、转基因彩色棉等；有转基因的高产超细羊毛；有美国科学家通过转基因桑蚕吐出的人造蜘蛛丝，用于制造防弹衣和烧伤患者的绷带等，以及中国科学家破解桑蚕基因获得的转基因彩色蚕丝及其丝绸问世。
之所以提这些人们熟悉的纤维，因为其大多是大宗类、长期使用的纤维，其缺陷和问题人们十分清楚。因此，其缺陷的弥补和性能的提高，才是纤维资源扩大与提升的重大进步。而这方面的进展相当缓慢，仅限于纤维后加工技术，如麻的柔软化、棉的丝光、蚕丝的变形、羊毛的防毡缩、棉麻的抗皱，以及等离子体、生物酶技术的应用；或关注于天然纤维的“猎奇”，即找到未利用的纤维（如椰壳、笋皮、牛角瓜纤维等）和开发利用稀有、特殊类纤维（如木棉、蒲绒、驼绒、羊驼毛等）。虽广泛存在于植物、动物和矿物中，但是是少量、有限资源。而这种寻找的更大价值在于，对生物的模仿和改造，以更快的速度、更可控的方式制造或生长出新纤维。
依靠天然生长的纤维在长度、细度和性能上很难控制，甚至无法用于纺纱，而且天然纤维素、蛋白质物质，并非都是纤维或满足纺用的纤维，加上人类每年废弃的约8000万吨纤维及其制品，人们极有必要解决或部分解决这些物质的再生利用。人类已成功地解决了纤维素类纤维的再生利用，如棉浆、木浆、海藻浆以及近年的竹浆、麻浆的制备和再生纤维加工，甚至可以进行溶剂全部回收的纤维素的清洁加工。人们也开始角蛋白（羊毛及其他毛发和角朊物质）、丝蛋白（丝素和丝胶）、植物蛋白（大豆、花生等）以及牛奶、酪素的再生利用和纤维的成形加工，但纯或高含量比的再生蛋白纤维的加工进展缓慢而艰难。
人们对天然淀粉类物质如玉米、小麦和谷类的利用也有很大进展，主要以聚乳酸（PLA）纤维为主，但这动用的是最紧缺的食物资源。
人们还对甲壳素含量高的虾、蟹壳进行提取，再生成甲壳素纤维。1811年法国人在蘑菇中发现甲壳素。1823年又在甲壳类昆虫翅鞘中被分离出，取名Chitin，译为“甲壳素”，学名为“N-乙酰-D-葡萄糖胺聚糖”，分子式见前。1859年发现在强碱（KOH）溶液中能脱出乙酰基（-COCH3）、剩氨基（-NH2），称为Chitosan，译为壳聚糖。1942年美国首先研制成壳聚糖纤维，我国在20世纪50年代有过工业化试生产，日本80年代研究、90年代工业化生产，称为“CHITOPOLY”。甲壳素广泛存在于虾、蟹、昆虫的甲壳和真菌与植物（如蘑菇）的细胞中。由于其生物相容无抗原，且广谱抗菌、防腐、止血和可生物降解，是极理想的生物医用和高档舒适内衣的纤维材料。
对再生纤维，人们较系统地关注了天然纤维和天然高聚物，而忽略了目前占纤维总量3/4的合成纤维的再生利用。这是纤维分类和定义的烙印，但更多的是人们的传统概念作祟。试想，天然纤维易于自然降解、污染小，人们已在实施再生利用。而合成纤维难以降解、污染大，却极少循环再生。此问题不解决，不仅是资源的极大浪费，而且会破坏环境，故“再生合成纤维”必然成为未来再生纤维的另一主体。
更进一步，若将自然界产生和人类直接制造的纤维统称为“直接”或“一次”或“原”纤维，那么再生纤维将是纤维分类中的另一大类。当缔造“直接纤维”的自然资源匮乏或消失时，再生纤维将成为主角，其包括回用纤维（分离并保持纤维原有形态的纤维）和溶解或熔融再生的纤维（已用纤维被溶解或熔融再纺丝成形的纤维）。
21世纪，合成纤维无论在产量还是品种上都占优势，但目前生产的常规品种除发展中国家外不会有太大增长，而仿生化、功能与智能化、高性能化纤维仍将是今后发展的方向。
仿生化纤维涉及两方面的仿生，即纤维性质仿生和纤维成形仿生。纤维性质仿生将超越原来差别化纤维的一般形态变化、变形、复合、吸湿、可染、混纤与异粗细特征，而向着更逼真于棉、毛、丝、麻优秀特性发展，甚至仿木棉的大中腔、兔毛的周期节段中空、仿蜘蛛丝的高强高弹、仿藏羚羊毛的超柔软变形、蝴蝶羽翅的结构色、仿羽绒的两端分叉纤维、仿壁虎脚的纤维脚掌等。纤维的综合性能从仿真到超真。纤维成形仿生是指超越传统仿蚕吐丝的纺丝，而进入晶须自生长或自组装的纤维成形和扰动液面的强电场溅射抽丝的自成形纺丝。
功能化纤维是以高吸湿吸水性、高疏水防水性、高透湿导湿性、超高比表面积（即纳米化）、发光显色、导光、发电、导电、生物兼容性、高吸波、高分离过滤、高吸附、产生负离子、绝热保暖、能量转换、高感知性、自适应和自行修复等功能实现为目标。其纤维的功能从被动承受或与生俱来到智能响应和自适应。
高性能化纤维属功能纤维，是高技术纤维的主体。原本是高强、高模、耐高温纤维，而其发展是三超一耐，即超高强、超高模量、超耐高温、耐化学作用的纤维。这将使现有纤维的强度提高几倍至几十倍，而逼近纤维分子键的强度。如超高强高模聚乙烯、9GPa高性能碳纤维、碳化硅陶瓷纤维、碳纳米管纤维、石墨烯网等。
回顾纤维的发展，从应用上看，人类更多地关注资源丰富、生态的纤维和高利润、稀缺的纤维。因此，大宗类和特殊类纤维及其获取与制造技术成为关注的问题。从纤维未来看，人类在不断地寻找新纤维和可制备纤维的资源，但这已变得越来越困难和不可能。从纤维制造上看，人类已经能通过再生与合成的方法加工纤维。但人类是否能在纤维创造上走得更远，即人工合成有机物，进而形成长链分子来制造纤维；人类是否可以利用转基因技术，在生物界寻找“加工”纤维的生物体；人类是否可以更好地回收已有的纤维资源进行回用和再生的循环利用？等等，这些可能都是纤维发展的新途径，甚至是必然的途径。也就是说，未来纤维的发展将依赖于纤维资源的保护、发现与拓展，乃至创造。