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国家先进功能纤维创新中心发布2023年度十大新兴技术
  2024-05-31 15:10 来源:国家先进功能纤维创新中心 打印此页 关闭此页  
   
 

纤维领域与新兴科技交叉与融合,已在全球形成前所未有的多维发展空间,呈现绿色、多元、极限、智能、融合、服务等新的发展趋势。为满足纤维材料技术创新及发展趋势需求,国家先进功能纤维创新中心(以下简称“创新中心”)发布2023年“纤维领域十大新兴技术”,包含了以纳米纤维、智能纤维、绿色可持续纤维技术等为代表的基础和应用方向,受到了业内广泛关注。

新型聚酯催化剂

新型聚酯催化剂是一种工程化技术革新,可实现纺织品生命周期的绿色循环。研发制造出安全、高质化、环保的绿色聚酯纤维产品,对实现纺织品生命周期的绿色循环具有重要意义,材料具有更高的生物相容性、无害,在生物医用、卫材等领域有较高应用价值。

新型聚酯催化剂作为一种新型催化工程化技术的革新,其具有催化效率高、催化剂用量低的特点;为形成新型聚酯研发以及长周期连续生产提供一种解决方案,在大装置改造方面,实现能耗(反应温度低)、水耗(节水)等领域的贡献。

创新中心整合股东单位东华大学、国望高科、新凤鸣集团、恒逸集团等技术资源,攻关“钛系催化剂制备及无锑聚酯熔体直纺长丝成套技术”。通过大容量、超低温聚合及超低温熔体输送等一系列技术和工艺创新,同时实现了无锑聚酯纤维低温、低粘度与高质量,产品满卷率最高达到99.5%,创造了无锑聚酯纤维熔体直纺产成品率的新高。通过自主研发的无锑催化剂,突破性解决大容量无锑环保聚酯熔体直纺长丝工艺及产品色相问题。通过了大容量直纺装置的生产验证,并实现批量生产,有助于下游企业降低染色成本和对环境的污染。

长效环保阻燃纤维

随着对健康与安全意识的日益增强,除了社会安全防护等民用领域应用之外,在航天航空等满足国家战略的高端领域,各行各业对纤维材料的阻燃性提出了越来越高的要求,如高阻燃效率、阻燃持久性、低热/烟释放、不破坏力学等其它使用性能等。传统的阻燃方法虽然起到了较好的阻燃效果,但却逐渐难以满足日益提升的高火安全要求。长效环保阻燃纤维,作为纤维材料迭代更新的新技术,对未来阻燃体系的探索和发现提供了一种新路径。

目前阻燃纤维以后整理技术为主,而从功能母粒添加改性角度进行阻燃改性,可适应于品类丰富的化纤产品,以实现功能性阻燃。它可以突破传统阻燃剂效率低、耐久性差、不环保等技术瓶颈,开发具有单元素或多元素协同体系的环保型长效阻燃剂,达到难燃等级;通过纺丝工艺、卷绕工艺、加弹工艺的调整,突破阻燃纤维成品率不高的技术瓶颈,得到功能性良好、力学性能稳定的阻燃纤维产品。

长效阻燃、抗熔滴、抑烟一体化的熔纺纤维,高强环保长效阻燃的湿法纺纤维,实现可加工性、阻燃性、抗熔滴性、抑烟性及力学性能的平衡。

四川大学王玉忠院士团队系统总结了近年来发展起来的高分子阻燃新方法,重点介绍了以有机-无机杂化阻燃、“三源一体”膨胀阻燃、纳米协同阻燃、原位增强阻燃、可控碳化阻燃、生物基阻燃剂阻燃为代表的添加型阻燃新方法,以离聚物、高温自交联、高温重排为代表的共聚型炭化阻燃新方法,以及以等离子体/紫外辅助处理、溶胶-凝胶、层层自组装、仿生涂层为代表的表面处理阻燃新方法。

纤维界面处理剂

纤维界面处理剂的功能化、绿色化发展以及自主可控,是推动化纤行业高效发展的必要条件。纤维界面处理剂在化纤生产中起着举足轻重的作用,其可赋予纤维平滑性、抱合性及纤维界面不同结构功能。

纤维界面处理剂提供一种新型的环保的纤维界面处理技术,赋予纤维材料新功能,提升材料的性能。在环保方面,采用非后整理手段进行纤维改性,探索纤维材料化学修饰、表面改性、涂层和覆膜等手段对纤维材料功能性的影响规律,确立纤维材料品湿、热、力、光、声和电等性能调控策略,形成防水、阻燃、抗菌、抗病毒、防辐射与防生化等功能纤维材料成型技术。

高端纤维和特种纤维界面处理剂的创新制造,实现功能化聚酯、碳纤维、聚乳酸、芳纶、聚苯硫醚等纤维所用进口界面处理剂的自主可控。

超浸润纤维膜

纤维基超浸润滤膜为应对水和能源危机提供了一种有价值的手段。超浸润材料是指液滴与材料表面之间的接触角高于150(超疏液)或小于10(超亲液)的一类具有特殊润湿行为的新兴材料,其广泛用于自清洁、油水分离、微液滴操控、防雾和防覆冰等领域。

从复杂的含油海水中同时去除油和离子以生产淡水,对于目前的研究是一个重大挑战,需要开发更有效和可持续的替代方案。江南大学通过调整二醛类微晶纤维素和氨基改性多壁碳纳米管的组分,成功制备出一种能够实现太阳能海水淡化和乳液高效过滤分离的双功能复合薄膜。值得注意的是,该水下超疏油膜和油下超疏水膜实现了水包油和油包水乳液的按需高效分离。在这种双隔膜的帮助下,实现了对含油海水的综合净化,从而获得了符合饮用水标准的清洁水资源。

生物基聚合物及纤维

以生物质资源替代化石资源,并进行深加工利用受到行业关注,制备生物基聚合物及纤维已成为国内外企业和科研院所的研究热点。其中,以生物质资源为原料开发生物基聚合物及单体必将成为未来材料领域的重要发展方向。

根据欧洲的分类方法,目前生物基聚合物主要有两类产品:生物基但不可生物降解的聚合物,如生物基聚乙烯(PE)、生物基聚丙烯(PP)等;生物基且可生物降解的聚合物,如聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二酯(PBS)等。

张家港美景荣化学工业有限公司和盛虹集团等企业与高校合作,逐渐突破了生物基1,3-丙二醇(PDO)的关键技术,实现了PDO万吨级生产;在PTT聚合方面也连续攻关,初步实现了产业化。

德国亚琛工业大学纺织技术研究院进行了PEF纤维的试生产,研究结果令人满意。其采用Avantium公司的瓶级PEF加工的复丝,线密度为130dtex,拉伸强度为22cN/tex。

兰精公司的纤维素直接成网技术(Web Technology)可开发100%纤维素纤网,克重15~60g/m2,网材的单纤直径范围为5~40μm,产品具有完全的生物可降解性和可堆肥性,是一种符合循环经济发展理念的生产方法。

低碳、零碳、负碳纤维

纤维的低碳、零碳、负碳技术,是未来纤维行业的碳中和技术方向。

碳减排关键技术(低碳):围绕化石能源绿色低碳利用、减污降碳等开展技术创新,重点加强多能互补耦合、低碳建筑材料、低碳工业原料、低含氟原料等源头减排关键技术开发;加强减污降碳协同、协同治理与生态循环、二氧化碳捕集/运输/封存以及非二氧化碳温室气体减排等末端减排关键技术开发。2018年1月23日,意大利锦纶纱线生产商Aquafil与美国生物工程公司Cenomatica合作研发环保己内酰胺,用于加工100%生物基锦纶。利用该制造工艺,可以用以植物为基础的可再生原料替代传统锦纶制造使用的化石基材料来生产己内酰胺,同时,实现原材料来源的多样化。此外,这种新型的生产过程不需使用特殊装备,也无须在锦纶生产链做任何调整。

碳零排关键技术(零碳):开发可再生能源利用技术以及低品位余热利用等零碳非电能源技术。开发生物质利用、氨能利用、废弃物循环利用、非含氟气体利用、能量回收利用等零碳原料/燃料替代技术。“零碳”是通过植树造林等形式抵消碳排放实现的。一是要加强生产过程控制,力争将排放减少到零;二是充分利用不得已排放的废弃物,通过循环利用使相关产业形成生态系统。赛得利自主研发的高效清洁闭环生产工艺,配合生物质能源、光伏发电等清洁能源的使用,取材于100%可持续认证木源,100%生物基材质,100%可堆肥处理。兰精的脱碳策略基于降低自身直接和间接碳排放,通过采用更高效的生产方式,利用可再生能源和新技术来减少碳排放。在产品、生产工厂、抵消剩余碳排放量等方面都设置了高标准。

碳负排关键技术(负碳):加强二氧化碳利用、二氧化碳高效转化燃料化学品、直接空气二氧化碳捕集等碳负排技术创新。2014年,日本东京大学Kyoko Nozaki教授团队报道了使用二氧化碳与丁二烯反应形成乙烯基环内酯,继而将这一中间体进行自由基聚合得到二氧化碳与丁二烯的共聚物。这种间接的方法却也为二氧化碳的化学转化提供了一些新思路,也得到了一种新的二氧化碳基纤维材料。

纳米纤维增材制造

增材制造以三维数字模型为基础,将材料通过分层制造、逐层叠加的方式制造三维实体,从根本上突破了复杂异型构件的制造瓶颈,是集先进制造、数字制造、智能制造、绿色制造于一身的制造技术。

哈佛大学Kevin Kit Parker团队将增材制造与纳米纤维制备技术相结合,在快速制造具有可编程的三维几何排列的微/纳米纤维支架基础上,植入心肌细胞,获得具有正常心脏结构特性的、可跳动的“人工心脏”。

清华大学伍晖副教授课题组与航天航空学院赵立豪副教授团队合作开发了一种全新的、结合卡门涡街原理的无针头溶液气纺丝技术,提出利用卷对卷装置连续输送纺丝溶液进行气纺丝,成功实现了纳米纤维的高通量制备,为纳米纤维的规模化生产提供了新思路和新机遇。

纳米纤维结构普遍存在于人体皮肤,肌肉,骨骼组织中,纳米纤维因其对天然组织(尤其是细胞外基质)的结构仿生,在组织工程应用具有天然优势。利用高通量纳米纤维制造技术“打印”人体组织器官前景光明。

高新技术纤维

高新技术纤维领域,未来将聚焦低成本化和超高性能纤维的研发,提升国际竞争力。

全球高新技术纤维主要包括六大类高科技纤维(特种纤维)以及高性能和多功能化的传统纤维,代表了化纤产业的发展方向。近期,全球高新技术纤维呈蓬勃发展势头,工艺技术不断革新,生产链不断完善,工艺更节能,生产规模趋于大型化等传统工艺技术出现重大创新。

其中,高性能结构纤维具有高强度、高模量、高抗压强度、耐高温等特性,在新能源开发、增强国家实力的基础材料、交通运输工具轻量化领域具有使用价值。例如,在碳纤维领域,我国已攻克了超高强碳纤维干喷湿纺关键技术,百吨级T1000级超高强度碳纤维生产线投产。在芳纶纤维领域,我国正在开发高强型和高模型等高端产品制备及应用技术,以实现高模型:拉伸模量≥110GPa,强度≥18cN/dtex,断裂伸长率≥1.5%;高强型:拉伸强度≥22cN/dtex,断裂伸长率≥3.6%的性能。

高性能功能纤维,实现结构/功能一体化,具有抗烧蚀、抗高温氧化、高导热性、吸波等特点,在航空航天、战略武器等领域具有应用前景。经过多年研究,国内已开发出新型的裂解回收技术和装备,实现再生碳纤维的力学性能保持在85%。

纤维领域的区块链技术

纤维领域的区块链技术,以“纤维+大数据”手段,提供透明、可追溯、可信赖的认证工具。

区块链技术具有去中心化、去信任化、可扩展、匿名化等特点,可完美解决目前纤维产品领域存在的追溯链不完整,以次充好,比例不清,监管标准、测试方法、次品换算标准不统一等问题。两个领域的深度融合,实现全流程可追溯、高效率、互证互信的机制,提高纤维产品的品牌力。

在循环再生纤维制品可信方面,通过运用国家标识解析二级节点技术、区块链技术、供应链追溯系统等信息化手段,为工厂和产业提供轻量应用及赋能,推动从瓶片回收到下游的服装织造、从纤维到终端产品的全产业链数字化转型升级和在线交易,实现生产数据、仓储数据、交易数据的可信上链。利用数字化可信制造推进再生纤维制造标准体系和循环再生可追溯平台的建立,保证其数据透明可信,维护绿色纤维、纺织品的市场秩序。

在纤维碳管理方面,面向化纤和印染提供碳足迹追踪、碳效评价、区域碳排放监测等公共服务能力,提升工业绿色低碳数据和产业治理水平,实现工业碳排放数据要素的可靠采集、可信管理、适时分析与产品认证。

纤维摩尔定律

纤维摩尔定律,是指为了实现复杂的功能且避免制造复杂的结构,需要控制纤维材料的微观结构,纤维的功能将以一种可预测的方式逐步升级。

依照“纤维摩尔定律”,纤维与织物中将不断高度集成功能材料与器件,融合储能、智能显示、传感等功能,形成交织结构网络,能够看、听、说、感知、交流、管理能量、诊断与治疗疾病、存储与处理数据,甚至计算的新型智能织物将最终涌现,并在动作监测、智能可穿戴、健康护理、物联网等领域已经得到了广泛应用验证。

 
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