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大纤维产业,你知道多少

发布日期:2018-01-26 浏览次数:8320
 当前,全球经济与竞争格局正在发生深刻变革,科技发展正孕育

着新的革命性突破。纤维材料是材料科学中的重要分支,也在此正经历着深刻变革,并孕育着巨大的创新机会。

纤维材料作为新材料前沿发展的重要领域,随着物理、化学、生物、医学、信息等多学科深度交叉融合,正朝着高性能化、智能化、绿色化快速演进,变得可感知、可变色、可储能等。同时,正孕育催生着新的模式、业态和产业发展空间,未来将直接影响和带来传感器、微电子、生物医药、节能环保等应用领域的深刻变革。

大纤维产业面向未来智能社会发展,是先进制造业与战略性新兴产业发展的重要突破口,是传统产业升级创新的新密码。大纤维产业具有新技术融合度高,跨行业领域多,辐射范围广等特点,是一项需政府推动、前瞻布局的新兴产业。

这一期我们重点关注工业智能制造大潮下的“大纤维”产业,让我们来认识大纤维产业与工业制造的关系,以及未来共同开启的新的市场,以期这一跨行业的产业能够实现技术共享,产业机遇共享!

 

专题目录

市场分析:

智能科技下的大纤维产业发展现状与动向概述

 

专家观点:

华中科技大学教授  刘德明

浙江大学教授  邱建荣

香港理工大学教授  陶肖明

中国科技自动化联盟秘书长、大纤维产业工作组组长  王健

 

 

 

 

 

市场分析——

智能科技下的大纤维产业发展现状与动向概述

 

大纤维的含义

大纤维的所谓“大”有着多重内涵,既包括由一系列理论和技术突破以及跨界交叉融合所带来的具有智能、超能、绿色等特点的纤维材料创新,也包括由这些纤维所编织的各种先进织物、器件和系统,还包括被颠覆性改变的以及新诞生的应用产业集群。因此,大纤维既是一个重大的前沿科技概念,更是一个战略型、创新型产业集群概念,以及一个蕴含着上万亿价值的蓝海市场概念。

专家们断言:大纤维将是新一轮技术和产业革命的强大推手或使能手段!

 

大纤维的学科交叉性

1.大纤维的诞生和兴起是材料、信息、电子半导体、机械、生物、能源等多个基础学科交叉融合发展的结果。可以预料的是:随着支撑大纤维的基础理论和技术理论的不断突破,将催生“大纤维”这样一门充分跨界的交叉学科。

该学科以新型纤维材料为研究对象,以纳米技术、分子设计、合成生物和转基因科学等为主要理论基础,以多材料、多结构、多功能为特点,以智能、超能、绿色为特征,探讨纤维与感知、计算、储能、通信和执行间相互关系,并从中归纳和总结出普遍规律和应用方法。

2.大纤维与其他领域的交叉融合

融合是指将两种或多种不同的事物有机地合成为一体,也指两种事物在各个层面相互交融,和谐共处。当今的融合已经开始取代事物原始的区分和界线,进入了无界别时代;时下的融合也是跨界的,多维度的融合,如:自然融合:纤维加工过程及材料来源绿色,低碳,节能,环保。

人体融合:创新产品与人体相融合。产品不仅满足人们的需求,还给人体带来舒适、安全、智能的感觉,与人体亲合。

产业融合:以应用为导向、以产业链垂直整合和横向整合为基础的纤维应用优化。

技术融合:各种技术交叉、多重组分复合、高层次结构构筑、有机-无机杂化、纤维材料与纤维加工高度融合等。其中大纤维技术和ICT 技术、智能制造技术的融合趋势非常突出。

 

发达国家纤维技术与产业发展动向

50年里,科技融合、应用扩展、需求升级,不断赋予纤维行业新的生机和增长潜力,推动纤维产业的颠覆性发展,催生新一代纤维的出现。

现代纤维产业既保持了与纺织工业的血脉联系,又突出了下一代纤维技术多学科、跨领域的特征,特别是其产业链和颠覆性影响将延伸至其他许多重要行业的特质,已经完全不同于传统纺织行业。美国、日本和德国等发达国家已经率先意识到下一代纤维将产生的革命性影响,从包罗数十个产业领域的战略高度和远眺20年后的时间跨度来理解及勾画该产业,并通过技术突破、产品革新、跨界融合,在下一代纤维发展大潮中率先布局。

美国政府为主要推动者,提升美国制造竞争力

美国为确保自身处于纤维科学的最前沿,保障具备卓越属性的现代纤维生产能力,从国家层面上进行了战略部署。2015 4 1 日,美国国防部承诺出资7500 万美元设立“革命性纤维和纺织品制造创新研究所”(Revolutionary Fibers and Textiles Institute for Manufacturing InnovationRFTIMI),RFTIMI聚焦于革命性的纤维和纺织品的创新制造,将确保美国在光纤科技、商业化的纤维和高技术纺织品等新产品的前沿创新技术和制造链中具有非凡的地位。麻省理工学院率领来自28 个州的89 家制造业企业、大学和非营利机构组成的美国先进功能纤维制造创新机构(Advanced Functional Fabrics of America, AFFOA)负责该创新研究所的建设,目前已经开展了大量的工作,数字化革命和物联网技术的飞速发展,促使了纺织纤维与多学科、多领域的技术交汇融合,催生了“智能纤维”这一重要产业。美国革命性纤维发展以智能纤维研发与生产为核心,并在纤维应用领域拓展与军转民等方面进行了全面部署,尤其在军用新一代纤维和纱线、技术纺织品等领域推进发展智能纤维产业。美国在军用智能纤维领域已经具备坚实的应用基础,以纤维国防应用为切入点,将军用领域逐渐过渡到民用领域的开发应用。美国国家科学基金会(NSF)等官方机构组织了专门的研讨会,定义了十二大应用领域,包括农业、建筑、国防、基建和家居等,新型纤维和纺织品的应用均显示出各自的发展优势。主要包括:

1)注重轻质和防火性,开发具有非凡的强度以及包含电子传感器的纤维。

2)智能功能性纤维。将纤维、纱线与集成电路、LED、太阳能电池及其他器件和先进材料等进行结合,实现看、听、传感、通信、储能、控温、健康监测、变色等功能。

3)空气过滤器及防护服用纤维。将发电和储电能力植于纤维中,制备超高效、节能的空气过滤器,以及可以调节温度、探测威胁的制服,如感知化学或辐射元素等威胁。

纤维与ICT 技术融合之后所形成的智能化特质,是与传统纤维的最鲜明差异。AFFOA 的目标就是要把延续了几千年的传统纤维、纱线和织物转变成为高度复杂、集成、网络化的智能化电子器件和复杂的电子系统。其领军人物Fink教授进而提出AFFOA 摩尔定律,以揭示下一代纤维的划时代意义。

AFFOA 的目标与同期(20162020年)欧盟的1D-NEON 计划目标基本相同。但美国例举的应用重在军用和保证国家安全,欧盟确立的应用项目均面向民用和产业用,而且项目计划、体系架构、合作伙伴在价值链上的分工等相对比美国AFFOA 更加透明。

日本企业早早布局,确保技术领先

日本企业在全球高性能与高功能纤维领域早已布局,在碳纤维、对位芳纶和超高分子量聚乙烯三大高性能与高功能纤维的研发和生产方面占据优势,并特别注重以高性能与高功能纤维为核心的整个产业链的研发。如通过与纺织企业、下游产品公司的业务合作来保持其产业优势,在高功能纤维设计、后道面料开发、评价到整体的服装应用等方面重点开展研究,以提升纤维推广水平。

日本纤维纺织行业将70%R&D 经费投入新产品新技术的研发上,无论是产品的种类、系列化开发、性能指标还是生产成本,日本企业均具有很强的竞争力。以碳纤维领域为例,日本公司占据从碳纤维到复合材料制品的生产和研发的制高点,高性能纤维领域优势促使其在工业领域的应用得到快速发展。以东丽为代表的日本碳纤维生产企业,从PAN 基碳纤维发明初期就看清了其在制造业的重要价值,并持续投资进行技术积累,仅东丽一家至今已投入超过1400亿日元。

根据东丽公司的测算,2010 年日本企业在该领域已经占据了全球70%的份额,成为全球碳纤维市场的龙头。同时,日本企业在将碳纤维应用于军用、航空航天以及汽车等方面占据了先机,依托具有强大研发能力的东丽、帝人等企业,以及海外立的研发机构,面向全球市场促进多领域应用。2014 年,日本东丽与波音公司签订了高达一万亿日元的合约,成为波音787777X 的独家碳纤维供应商,并将与波音共同开发新的适用于航空器的碳纤维材料。

这当中日本政府和联盟组织起到了重要的助推作用。日本政府通过经济产业省以及新能源·产业技术开发机构(NEDO)给予了研究开发上的支持。为集中产学研多方力量,承接NEDO 与经济产业省在革新型新构造技术研发领域的项目,201310月日本成立了新构造技术研究联盟(ISMA),全面掌握产业中存在的问题和需求,有效服务于产业的各个环节,同时也有利于联盟会员在市场争中彼此优势互补,风险共担。

德国推进纺织业产业结构转型,立足技术纺织品

德国纺织业自上世纪70年代以来持续推进产业结构转型。随着全球化的加深、国际大分工的演进,德国将劳动密集型的纺织产业逐步转移至低收入国家,本土则专注于研发、生产、销售技术含量和附加值更高的技术纺织品,努力保持在某些专业领域的市场领先地位。

德国于2013 4 月推出的名为“未来纺织”(futureTEX)的国家级战略,明确提出了纺织业提升的定位:“让纺织业持续成为德国最有创新活力的行业之一”,并将其和工业4.0进程紧密结合在一起。德国纺织业振兴的三大战略目标是:要通过产业升级改造,振兴德国传统纺织业基地;要将纺织行业作为工业4.0的急先锋,引领德国的创新发展;着眼于国际产业的重新布局,致力于将先进纺织业迁移回德国和欧洲。futureTEX 项目强调循环经济和新材料研发,希望在纺织业实现节能、环保的生产流通过程,并且具体提出了节能、提高原材料利用率、可再生性原材料等研究方向。

目前,德国已经是全球最大的技术纺织品出口国,占全球出口市场的12.5%,技术纺织品销售额在德国纺织业中的比重已从1985年的58%提高至一半以上。

就研发而言,德国明确将未来重点放在较为先进的产业用技术纺织品方面。其三大纺织基地,分别为南部的巴登—符腾堡州和巴伐利亚州、西北部的北莱茵—威斯特法伦州、原东德地区的萨克森州和图林根州。利用德国公司这方面已有的市场优势以及德国众多大学、研究所的强大研发实力,通过“跨界”研究来进一步树立世界范围内的领先地位。强调基于价值链的智能工厂、未来的纺织品工厂、数字化制造过程、大规模定制和新的商业模型构建以顾客为中心的柔性价值链。

为提升技术纺织品的生产条件,应对国内外技术、市场、政策问题,德国纺织业成立了一系列的协会、联盟,实现跨界发展。如成立德国最大纺织领域专业协会——技术纺织品、纱线和织物工业协会(IVGT),代表全国六成以上纺织企业的利益。同时,在德国纺织与服装协会(Gesamtverband textil+mode)分列的技术纺织品相关专业协会组别里,除了IVGT外,还包括德国联邦医疗技术协会(BVMed),德国针织行业协会(Gesamtmasche),德国功能性织物、卷帘、遮阳工业协会(ITRS),德国家用纺织品协会(VDHI)等。

我国纤维技术和产业面临的挑战、动向和趋势

近年来,我国高新技术纤维产业取得了长足的发展,关键技术和装备实现突破,产业化进程不断加快,成为世界上少数几个可以生产多种高新技术纤维的国家之一。但是,与国际先进水平相比,还存在诸多问题,面临多种挑战。

有效供给不足:面对国内高新技术纤维的巨大市场需求,一方面,部分规格和品种重复布局建设,普遍产能过剩,开工率不高;另一方面,真正高性能的纤维品种严重依赖进口。这说明我国的产业竞争力差,有效供给不足,难以支撑相关产业的发展。碳纤维方面,目前国内碳纤维市场总需求约1.5万吨,而国产碳纤维用量不到 3500吨,国产化率不到30%,如国产C919大型民航飞机所用的T700T800碳纤维仍依赖进口;芳纶纤维方面,目前我国产能达6000吨,需求约7000 吨,然而国内实现供给仅1000 多吨,其余全部依赖进口,尤其是高端产品基本全部来自进口;超高分子量聚乙烯纤维方面,目前国内市场需求量约2吨以上,而国内产量仅8000吨。

关键技术有待突破:高新技术纤维生产流程长、控制点多,技术水平要求较高,核心技术亟待突破。碳纤维方面,PAN 原丝质量还没有真正过关,装备技术不成熟,难以支撑碳纤维产业的发展;芳纶纤维方面,聚合纺丝、溶剂回收、工程化关键技术和关键设备的加工制造技术等有待突破;超高分子量聚乙烯纤维方面,技术发展水平薄弱,产品质量稳定性相对较差,纤维抗蠕变性能差,干法生产线制备关键技术亟待突破。

标准体系不健全:在高新技术纤维产业化建设中,规范产品性能尤为重要。目前相关技术标准和应用领域设计规范多由国外制定,例如日本碳纤维产业联盟的会员在行业标准修订工作中发挥着积极的推动作用。标准体系不健全严重制约了我国高新技术纤维产业的发展。

从目前的形势来看,高新技术纤维发展的趋势有以下几点:

1.纤维产品向生态化、高性能、高功能及结构功能化方向发展;

2.纤维成分由单一向复合、简单向多重复合方向发展;

3.纤维尺寸向低维化、精细化方向发展;

4.纤维设计与开发数字化技术;

5.纤维制造向高速、高效、短流程、全自动、规模化方向发展。

 

大纤维创新价值链

大纤维应该拥有一个跨学科、跨行业、跨组织、跨地区的创新价值链,我们可以沿着理论研究—技术研究—材料开发—工艺开发—装备开发—产品开发—集成与应用的价值传递链条来进行分析。在价值链上,所有的从业者或组织都有自己的位置,不同的环节对行业价值的贡献度也截然不同。

综合来说,当前支撑大纤维的基础理论有四种,在这些理论支持下,相关技术的开发获得了不同程度的突破,具备各种特性的大纤维样品被开发出来,其中大多数处在实验室阶段,个别成功走向了商业化。

相对于纤维材料特性的不断进步,对商品化而言至关重要的工艺和装备开发则显得相对滞后,其中原因:一方面是大纤维的制造工艺涉及多方面的技术储备,跨领域的工艺知识对于研发团队来说比较陌生;另一个方面是许多大纤维产品还处在商品化的早期阶段,在没有批量订单的情况下,相应的工艺得不到验证和改进。但也有一些环节由于采用了其他领域成熟的技术路线,反而创造性地解决了关键问题。在工艺和装备开发过程中,具备复合知识结构的跨领域团队优势明显。

采用大纤维的产品开发和集成应用环节集中了最多的创业团队和公司。这个环节的核心是对应用场景需求的准确把握,以及把大纤维和其他构成产品或解决方案的要素做很好集成的能力。可以预料的是,这个环节受益于大纤维带来的无限可能性以及创新公司对客户需求的创造性挖掘,将呈现百花齐放的局面。

对于创新价值链来说,大多数中小企业或组织都选择在价值链上占据一个点或者少数环节,通过聚焦有限资源于一点,建立自己的竞争优势。但是也有个别企业通过不断向两端扩展,通过长期投资,把控了从材料研发、工艺开发、装备开发乃至下游应用开发的全链条,从而建立了极大的竞争优势和极高的进入壁垒。

这方面的经典案例来自日本东丽公司。作为一个案例,上海长胜电子通过将柔性电子印刷技术应用于织物,不仅开发了自己独有的高精度数字印刷工艺技术,还开发了印刷装备和墨水耗材。在商业模式上,长胜电子通过与世界著名服装公司建立合资企业,直接用自己的装备来做环保服装并向这些品牌商供货,从而有效控制了价值链的主要环节,进入一种可持续发展的状态。

 

大纤维技术发展路线图

即将成立的大纤维技术产业协同创新盟的最重要工作之一,就是组织全球范围内的专家,对大纤维技术发展中长期路线图进行规划,并以两年或三年为周期定期维护和更新。做中长期技术发展路线图的方法,典型的有未来场景法、技术进化树法、以及生命周期法、九屏幕法等。

第一步,从未来20年可能的人类生产和生活的应用场景出发,识别出未来的产品特性,据此识别出支撑产品实现的技术以及技术应该达到的水平;第二步,从当前的技术水平出发,基于现有的资源和能力,规划出未来35101520 年的技术发展关键节点;采用这样自顶向下和自下而上相结合的方法,我们可以得到某一个技术发展的中长期路线图。这就是所谓的未来场景法,即POFPictures of the Future)方法。

而技术进化树法,即TRTTechnology Revolution Tree)是基于技术系统进化法则,对组成技术系统的所有组件,按照其客观进化规律发展出若干未来形态或识别出若干未来特征,不同组件的不同形态可以组合成各种未来的产品或技术系统。开发大纤维技术路线图,是涉及全行业的一件大事,需要跨组织、跨地域、跨领域的全行业专家参与并贡献,而大纤维联盟将起到发起、组织和协调的作用。

 

 

 

 

 

专家观点——

您认为这场大纤维产业革命的本质是什么?它会影响和改变什么?

刘德明(华中科技大学教授)

所谓大纤维产业革命,本质上是物联网和人工智能在纺织业的一个应用延伸,也就是通过赋予纤维感知信息处理功能,使传统的织物变得拥有生命和智能。从这个意义上讲,可以称之为一场产业革命。

这场产业革命将影响和改变纺织行业的各个方面,首先是智能纤维技术,涉及到纺织业和信息与互联网技术的密切结合;其次是生产技术,即如何让智能纤维与织物有机融合;第三是设计技术,主要解决这种具有生命的智能织物如何与传统的设计有机结合;最后是应用技术。

毫无疑问,在这场产业革命中,人工智能(具体即指智能纤维技术)至关重要,但纺织业仍然是这场革命的主导力量,是最基础的东西。

 

这场纤维革命虽发端于织物,但它影响和改变的远非纺织业。您认同这样的理解吗?

邱建荣(浙江大学教授)

认同。比如智能服装能通过纤维收集着装者的心跳数、姿势、位置、心电图等,及时了解其健康状况。智能服装可以说是各种功能元器件的集成系统,对各种纤维的构型和功能提出了新的更高要求。新的应用会促进人们对纤维以及其它材料的认识。

 

您认为中国该如何抓住这场产业革命的机遇?


邱建荣(浙江大学教授)

现阶段已经得到学界的普遍认同,感到这是一个很好的契机。接下来需要从上到下布局筹划,加大宣传普及,组织力量,进行实施。

为什么市场上还没有看到成熟的智能服装产品?

陶肖明(香港理工大学教授)

主要是产业链的问题。目前智能服装的产业链还不存在。单个器件无法应用,必须成为系统,才能进行应用。由于智能服装涉及的产业链很长,从器件到硬件、到软件、到服务、到标准,没有现成可借用的产业链。

另外就是缺少横贯纺织和电子两个领域的人才。智能纺织品是纺织和电子两个领域的跨界融合,虽然这两个领域单个的发展都很成熟,但缺少连接的桥梁。

 

作为大纤维概念的提出者,您和大纤维工作组专家提出这一概念的基本判断是什么?上海在其中可能发挥怎样的作用?

王健(中国科技自动化联盟秘书长、大纤维产业工作组组长)

我们的基本判断是:作为下一代工业革命使能技术,大纤维将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。大纤维产业将有力推动下一次工业革命的到来,彻底改变我们的生活方式,极大地促进人类社会的进步。


我们呼吁通过协同创新,把上海建设成为大纤维材料与器件新技术和高端人才的发源地,促进信息、汽车、生物、医学、能源等相关领域的快速发展,推动上海乃至全国的产业升级,在整体水平上超越其他国家,领跑国际市场。

大纤维的产品形态

一维纤维:

基于光导纤维、无机纤维、有机纤维、金属纤维、生物纤维、天然纤维等基础纤维,通过智能化、绿色化、超能化技术改进的新一代纤维。

二维织物:

将大纤维与基础纤维进行有机结合,通过特殊的加工工艺,如编织、互联等,形成具有智能、超能、绿色等特征的新型二维织物材料。

三维器件:

通过三维集成技术将多层二维织物堆叠键合,或将一维纤维与传统三维器件结合,通过穿透衬底的三维互连,实现器件的智能化、超能化、绿色化。

(本大纤维工作组专家评论转自2017813日《文汇报》)

 

编者结语——

当我们在工作中拿起一杯冒着热气的咖啡,品着那带着醇香的独特焦糊苦味时,我想,是咖啡末成就了那一杯咖啡,还是那200ml热水成就了那一杯咖啡?我觉得是那200ml热水。正如工业制造科技,它用在工厂生产线,便是自动化智能生产线;用在机器人制造上,便是智能机器人。当然工业制造科技用在了你没有想到的纺织材料——纤维上,便使得那些脑洞大开的纺织专家与工业控制专家一起合拍成就了智能纤维,即我们现在讨论的大纤维产业。大纤维,不是大在纤维的长度与直径,而大跨行业、跨技术的融合。纺织业本来就是一个国家的经济与民生发展生存之本的产业,工业本来就是一个国家的立国之本,国际竞争利器,我想二者的结合产物——大纤维,在未来将具有一个怎样的战略地位?

在国内工业制造经济复苏上扬的时间里,多数人都在大干快上,加班加点的挣着快钱也热钱的时候,总有那么一些人在做着关系国计民生的冷思考,为研发新技术,扶持新产业坐着冷板凳。于2016年由科技自动化联盟牵头成立的大纤维工作组,集聚纺织、工业制造专家,共同致力于大纤维产业的研究与推广,为中国大纤维产业积聚全球竞争与发展的力量,值得工业界重视,并致以敬意!

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