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

在“雙碳”戰(zhàn)略實施背景下，提升我國化學纖維科技含量、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國具有重大現(xiàn)實意義。中國科學院院士朱美芳通過分析“雙碳”戰(zhàn)略背景，結合纖維材料產(chǎn)業(yè)進展，詳細介紹了可循環(huán)纖維材料在國家戰(zhàn)略、環(huán)境保護和經(jīng)濟發(fā)展上的重要意義，并對未來進行了展望。

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(相關資料圖)

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。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)進入世界500強，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)能低碳技術應用普及水平較弱，循環(huán)利用體系需進一步健全，其高質量發(fā)展總體目標與面臨三大瓶頸分別是：產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈安全穩(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。“提升我國化學纖維科技含量，從纖維大國邁向纖維強國具有重要現(xiàn)實意義，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。“她強調。

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綠色、低碳、環(huán)保已成全球大勢所趨，為適應綠色環(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。

生物基纖維因原料來源于可再生生物質，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)則的斑點及不連續(xù)的條紋，存在孔洞或裂縫，很容易形成毛細管效應，具有吸濕快干特點，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，國內生產(chǎn)企業(yè)也在積極創(chuàng)新研發(fā)，目前相關問題已經(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對苯二甲酸二甲酯聚合得到，合成工藝主要是PTA法，包括酯化、預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資源轉化而來，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，并與日本的東麗、帝人，韓國的新韓工業(yè)，我國臺灣的遠東紡織等公司合作，進一步鞏固了其在PTT纖維領域的領先地位。國內的PTT纖維發(fā)展較遲，東華大學是最早的研究單位。隨后，盛虹集團和清華大學合作，生產(chǎn)以甘油為主要原料的生物基PTT。

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滌綸在紡織產(chǎn)業(yè)中的循環(huán)利用

朱美芳提到，目前纖維原材料結構趨向多元化，增加綠色設計實踐探索，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)消費趨勢逐漸顯現(xiàn)。同時，中國紡織服裝行業(yè)加速系統(tǒng)轉型也面臨著多維挑戰(zhàn)，如先進技術、工藝和設備創(chuàng)新不足；頂層設計及相應的政策、配套制度和標準體系需完善；綠色消費市場對產(chǎn)業(yè)的驅動力不足；缺乏統(tǒng)一愿景和產(chǎn)業(yè)協(xié)同、系統(tǒng)轉型合力未成；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，該技術實現(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，進一步體現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟在高分子材料領域的運用。

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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)國和消費國，紡織纖維加工總量占全球的50%以上，每年纖維消費總量約3000萬噸，人均纖維消費量約22.4公斤，基本達到中等發(fā)達國家水平，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)有關研究機構測算，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，保護生態(tài)環(huán)境。

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

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木質素碳基纖維及其高值化應用

木質素作為第二大天然高分子，是一類具有芳香族結構的天然高分子材料，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。木質素的含碳量大概是68%，比黏膠纖維含碳量更高。由木質素制造碳纖維是非常好的資源，小到電腦，大到自行車、汽車，都可以用碳纖維復合材來制造，其特點之一是非常輕便。

值得一提的是，木質素基碳納米管纖維的整體性能近似于使用精細化工品生產(chǎn)得到的碳納米管纖維，電導率高于大部分商業(yè)碳纖維，同時具備高柔韌性、高拉伸強度和高導電特性，優(yōu)于迄今為止大多數(shù)生物質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)，更關乎國家戰(zhàn)略。朱美芳對未來中國新材料和新紡織經(jīng)濟進行展望，提出了五大目標：進一步優(yōu)化原材料結構，減少不可再生資源的消耗；轉向基于循環(huán)經(jīng)濟原則的紡織品設計；進一步提升制造過程的資源利用效率；創(chuàng)新商業(yè)模式，擴大綠色消費；促進廢舊紡織品回收利用提質升級。

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

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。木質素基碳纖維是以木質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素預處理、調制紡絲液、靜電紡絲、預氧化、纖維碳化等。

與PAN基碳纖維相比，木質素基碳纖維具有以下優(yōu)勢：

(1)來源廣泛且成本低廉木質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)千萬噸的木質素，使得木質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)保無污染木質素中的碳含量高達60%，將制備紡絲液采用醇類溶劑，紡絲更環(huán)保。

(3)具備更強的理化特性木質素含有大量的芳香烴苯環(huán)結構，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構，從而獲得更大的拉伸強度。可見，與傳統(tǒng)的PAN基碳纖維相比，木質素基碳纖維在原料、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。

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