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中國科學(xué)院院士朱美芳：可循環(huán)纖維材料在國家戰(zhàn)略、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)發(fā)展上意義非凡

發(fā)布時間：2023-08-07 15:29:29 信息來源：本網(wǎng)

在“雙碳”戰(zhàn)略實(shí)施背景下，提升我國化學(xué)纖維科技含量、發(fā)展功能與智能纖維新材料和綠色化生物基纖維，對我國從纖維大國邁向纖維強(qiáng)國具有重大現(xiàn)實(shí)意義。中國科學(xué)院院士朱美芳通過分析“雙碳”戰(zhàn)略背景，結(jié)合纖維材料產(chǎn)業(yè)進(jìn)展，詳細(xì)介紹了可循環(huán)纖維材料在國家戰(zhàn)略、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展上的重要意義，并對未來進(jìn)行了展望。

01 綠色化生物基發(fā)展前景廣闊

纖維一般是指具有足夠的細(xì)度 (直徑＜100μm) 和足夠長徑比（長度/直徑＞1000），并具有一定柔韌性的物質(zhì)。金屬、礦石、生物體、高分子，只要滿足上述定義均可視為纖維。朱美芳介紹道，目前我國化學(xué)纖維的產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)增加，2022年，我國化纖產(chǎn)量近6500萬噸，占世界總量＞70%，化纖占紡織纖維加工量約85%，化纖行業(yè)收入超過萬億，出口超過500萬噸，4家企業(yè)進(jìn)入世界500強(qiáng)，上市超過30家。

相較于作為合成纖維起源的歐美國家，在發(fā)展功能智能和綠色化生物基材料方面中國仍有廣闊發(fā)展空間。朱美芳指出，化纖工業(yè)現(xiàn)有節(jié)能低碳技術(shù)應(yīng)用普及水平較弱，循環(huán)利用體系需進(jìn)一步健全，其高質(zhì)量發(fā)展總體目標(biāo)與面臨三大瓶頸分別是：產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈安全穩(wěn)定能力、產(chǎn)業(yè)鏈知識化數(shù)字化的能力、化纖綠色化可持續(xù)發(fā)展能力。“提升我國化學(xué)纖維科技含量，從纖維大國邁向纖維強(qiáng)國具有重要現(xiàn)實(shí)意義，綠色化生物基可降解循環(huán)再生纖維材料是主流發(fā)展方向。“她強(qiáng)調(diào)。

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綠色、低碳、環(huán)保已成全球大勢所趨，為適應(yīng)綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的需求，生物基纖維生產(chǎn)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，生物基纖維已經(jīng)在服裝、家紡和產(chǎn)業(yè)用紡織品中獲得廣泛應(yīng)用。

生物基纖維是指利用生物體本身或者其提取物制成的纖維。區(qū)別于采用石油基為原料制成的聚酯纖維、聚酰胺纖維（錦綸/尼龍）、聚丙烯腈（腈綸）等合成纖維，生物基纖維的原料來源于生物質(zhì)。

生物基纖維因原料來源于可再生生物質(zhì)，相較于石油基原料，減碳效果更明顯，因此大力發(fā)展生物基纖維對助力碳達(dá)峰碳中和具有非常重要的意義。其中生物基合成纖維是以天然植物或農(nóng)作物為原料，經(jīng)基因工程、微生物發(fā)酵、過濾、提純等工序制備高純度單體，然后經(jīng)聚合反應(yīng)制得具有一定分子量的聚合物，再經(jīng)熔融紡絲工藝制備而成。

目前用于紡織的重要生物基纖維，主要有PLA纖維、生物基PDT纖維、生物基PTT纖維等聚酯纖維。

PLA是由生物質(zhì)原料經(jīng)發(fā)酵生成乳酸后，再經(jīng)縮聚和熔融紡絲制成。PLA纖維的縱面具有無規(guī)則的斑點(diǎn)及不連續(xù)的條紋，存在孔洞或裂縫，很容易形成毛細(xì)管效應(yīng)，具有吸濕快干特點(diǎn)，由于PLA是一種弱酸性纖維，故帶有一定的抗菌性以及阻燃效果。但PLA纖維的強(qiáng)力較低、染色效果（尤其是深色上染）較差，在后期染整加工過程中不耐高溫。針對這些問題，國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)也在積極創(chuàng)新研發(fā)，目前相關(guān)問題已經(jīng)基本得到解決。

生物基PET一般以生物基PTA或生物基EG為原料聚合而來。當(dāng)生物基EG為多組分二元醇時，得到的聚酯為PDT。PDT由生物基乙二醇與對苯二甲酸或?qū)Ρ蕉姿岫柞ゾ酆系玫剑铣晒に囍饕荘TA法，包括酯化、預(yù)縮聚和終聚幾個階段。由于多組分二元醇的存在，與石油基聚酯相比，PDT的聚合過程和真空度都需要提升。聚酯合成后再經(jīng)過絲工藝制得PDT纖維，紡絲裝置可利用PET的設(shè)備完成。PDT纖維具有拉伸和回彈性，拉伸后可快速回彈至原狀，用于衣物中可提高其舒適合身性。與PET相比，PDT纖維的伸長率更高，具有更柔軟的手感。PET纖維同樣具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，可以常壓染色，且具有更高的水洗牢度和熨燙牢度。同時，PDT纖維具有比PTT和PET纖維更好的防靜電性。PDT纖維也可與羊毛等天然纖維混紡，制得更優(yōu)良的面料。PDT纖維的原料之一可由生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化而來，降低了CO?排放，是低碳、環(huán)保、綠色的新型纖維材料，可用于服裝、裝飾材料、產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。

PTT是采用生物基丙二醇（PDO）和對苯二甲酸（PTA）聚合而成的另一種生物基聚酯。生物基PTT纖維具有較好的回彈性，同時既有PET纖維的耐化學(xué)性、腈綸的蓬松性，又有錦綸的耐磨性和抗靜電性，較低的玻璃化溫度使其可以常壓染色。

DuPont（杜邦）最早掌握了PTT纖維制備技術(shù)，并與日本的東麗、帝人，韓國的新韓工業(yè)，我國臺灣的遠(yuǎn)東紡織等公司合作，進(jìn)一步鞏固了其在PTT纖維領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。國內(nèi)的PTT纖維發(fā)展較遲，東華大學(xué)是最早的研究單位。隨后，盛虹集團(tuán)和清華大學(xué)合作，生產(chǎn)以甘油為主要原料的生物基PTT。)

02 滌綸在紡織產(chǎn)業(yè)中的循環(huán)利用
朱美芳提到，目前纖維原材料結(jié)構(gòu)趨向多元化，增加綠色設(shè)計實(shí)踐探索，制造緩解資源循環(huán)利用水平也得到顯著提升，廢舊紡織品綜合利用產(chǎn)品鏈基本形成，可持續(xù)消費(fèi)趨勢逐漸顯現(xiàn)。同時，中國紡織服裝行業(yè)加速系統(tǒng)轉(zhuǎn)型也面臨著多維挑戰(zhàn)，如先進(jìn)技術(shù)、工藝和設(shè)備創(chuàng)新不足；頂層設(shè)計及相應(yīng)的政策、配套制度和標(biāo)準(zhǔn)體系需完善；綠色消費(fèi)市場對產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動力不足；缺乏統(tǒng)一愿景和產(chǎn)業(yè)協(xié)同、系統(tǒng)轉(zhuǎn)型合力未成；缺乏推動循環(huán)時尚的專業(yè)人才。

通過展示廢棄紡織品提取出可再生能源的詳細(xì)步驟，朱美芳向大家介紹了滌綸全生命周期綠色循環(huán)利用概念，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了滌綸合成原材料的循環(huán)利用，向環(huán)境0排放，節(jié)約資源，進(jìn)一步體現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟(jì)在高分子材料領(lǐng)域的運(yùn)用。

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據(jù)資料顯示，我國是全球最大的紡織服裝生產(chǎn)國和消費(fèi)國，紡織纖維加工總量占全球的50%以上，每年纖維消費(fèi)總量約3000萬噸，人均纖維消費(fèi)量約22.4公斤，基本達(dá)到中等發(fā)達(dá)國家水平，隨之產(chǎn)生大量廢舊紡織品。2020年，廢舊紡織品產(chǎn)生量約2200萬噸，循環(huán)利用率約20%，廢舊紡織品再生纖維產(chǎn)量約150萬噸，廢舊紡織品循環(huán)利用能力和水平仍有較大的提升空間。

據(jù)有關(guān)研究機(jī)構(gòu)測算，每利用1千克廢舊紡織品，可降低3.6千克二氧化碳排放量，節(jié)約6000升水，減少使用0.3千克化肥和0.2千克農(nóng)藥。廢舊紡織品循環(huán)利用既有利于提高資源利用效率，解決紡織原料資源短缺問題，又有利于節(jié)約土地資源，減少二氧化碳排放，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

此前，國家發(fā)展改革委、商務(wù)部、工業(yè)和信息化部印發(fā)《關(guān)于加快推進(jìn)廢舊紡織品循環(huán)利用的實(shí)施意見》(以下簡稱《實(shí)施意見》)。根據(jù)《實(shí)施意見》提出的發(fā)展目標(biāo)，到2025年，廢舊紡織品循環(huán)利用率達(dá)到25%，廢舊紡織品再生纖維產(chǎn)量達(dá)到200萬噸。到2030年，廢舊紡織品循環(huán)利用率達(dá)到30%，廢舊紡織品再生纖維產(chǎn)量達(dá)到300萬噸。目標(biāo)的達(dá)成對于減少二氧化碳排放、節(jié)約能源資源具有重要意義。）

03 木質(zhì)素碳基纖維及其高值化應(yīng)用

木質(zhì)素作為第二大天然高分子，是一類具有芳香族結(jié)構(gòu)的天然高分子材料，是地球上僅次于纖維素的可再生碳源，每年自然界中可產(chǎn)生5到36億噸。朱美芳表示，木質(zhì)素存在于樹木中，看上去像泥土，卻可以做成有用的纖維。木質(zhì)素的含碳量大概是68%，比黏膠纖維含碳量更高。由木質(zhì)素制造碳纖維是非常好的資源，小到電腦，大到自行車、汽車，都可以用碳纖維復(fù)合材來制造，其特點(diǎn)之一是非常輕便。

值得一提的是，木質(zhì)素基碳納米管纖維的整體性能近似于使用精細(xì)化工品生產(chǎn)得到的碳納米管纖維，電導(dǎo)率高于大部分商業(yè)碳纖維，同時具備高柔韌性、高拉伸強(qiáng)度和高導(dǎo)電特性，優(yōu)于迄今為止大多數(shù)生物質(zhì)衍生的碳基纖維材料。

纖維的發(fā)展，不僅僅是民生產(chǎn)業(yè)，更關(guān)乎國家戰(zhàn)略。朱美芳對未來中國新材料和新紡織經(jīng)濟(jì)進(jìn)行展望，提出了五大目標(biāo)：進(jìn)一步優(yōu)化原材料結(jié)構(gòu)，減少不可再生資源的消耗；轉(zhuǎn)向基于循環(huán)經(jīng)濟(jì)原則的紡織品設(shè)計；進(jìn)一步提升制造過程的資源利用效率；創(chuàng)新商業(yè)模式，擴(kuò)大綠色消費(fèi)；促進(jìn)廢舊紡織品回收利用提質(zhì)升級。

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碳纖維作為一種具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、低密度、高模量以及良好導(dǎo)電性能的增強(qiáng)材料，其在航空航天、汽車零部件以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。

目前，市面上80%以上的碳纖維是以聚丙烯腈（PAN）為原料制備的，不僅價格昂貴，而且在制備過程中會產(chǎn)生較多的污染，并且由于PAN源自不可再生的化石資源，其供給也會隨著化石資源的開采而受到一定限制。因此，開發(fā)可再生原料制備低成本碳纖維成為未來的發(fā)展趨勢。木質(zhì)素基碳纖維是以木質(zhì)素為主要原料替代傳統(tǒng)的石油基高聚物而制備的碳纖維材料。主要的制備過程涉及木質(zhì)素預(yù)處理、調(diào)制紡絲液、靜電紡絲、預(yù)氧化、纖維碳化等。

與PAN基碳纖維相比，木質(zhì)素基碳纖維具有以下優(yōu)勢：

（1）來源廣泛且成本低廉木質(zhì)素是自然界中含量僅次于纖維素的可再生資源，廣泛存在于植物基體中，加之每年造紙行業(yè)的副產(chǎn)物也會產(chǎn)生數(shù)千萬噸的木質(zhì)素，使得木質(zhì)素基碳纖維的原料不僅成本低廉而且“取之不盡，用之不竭”。

（2）環(huán)保無污染木質(zhì)素中的碳含量高達(dá)60%，將制備紡絲液采用醇類溶劑，紡絲更環(huán)保。

（3）具備更強(qiáng)的理化特性木質(zhì)素含有大量的芳香烴苯環(huán)結(jié)構(gòu)，這使得將其制備成碳纖維時能夠更好的保持原有的絲狀結(jié)構(gòu)，從而獲得更大的拉伸強(qiáng)度。可見，與傳統(tǒng)的PAN基碳纖維相比，木質(zhì)素基碳纖維在原料、成本、環(huán)保乃至性能方面都具備一定優(yōu)勢，是未來制備低成本碳纖維的首選。）