中国科学院院士朱美芳：可循环纤维材料在国家战略、环保和经济发展上意义非凡

在“双碳”战略实施背景下，提升我国化学纤维科技含量、发展功能与智能纤维新材料和绿色化生物基纤维，对我国从纤维大国迈向纤维强国具有重大现实意义。中国科学院院士朱美芳通过分析“双碳”战略背景，结合纤维材料产业进展，详细介绍了可循环纤维材料在国家战略、环境保护和经济发展上的重要意义，并对未来进行了展望。

01、绿色化生物基发展前景广阔

纤维一般是指具有足够的细度 (直径＜100μm) 和足够长径比（长度/直径＞1000），并具有一定柔韧性的物质。金属、矿石、生物体、高分子，只要满足上述定义均可视为纤维。朱美芳介绍道，目前我国化学纤维的产业规模持续增加，2022年，我国化纤产量近6500万吨，占世界总量＞70%，化纤占纺织纤维加工量约85%，化纤行业收入超过万亿，出口超过500万吨，4家企业进入世界500强， 上市超过30家。

相较于作为合成纤维起源的欧美国家，在发展功能智能和绿色化生物基材料方面中国仍有广阔发展空间。朱美芳指出，化纤工业现有节能低碳技术应用普及水平较弱，循环利用体系需进一步健全，其高质量发展总体目标与面临三大瓶颈分别是：产业链供应链安全稳定能力、产业链知识化数字化的能力、化纤绿色化可持续发展能力。“提升我国化学纤维科技含量，从纤维大国迈向纤维强国具有重要现实意义，绿色化生物基可降解循环再生纤维材料是主流发展方向。“她强调。

绿色、低碳、环保已成全球大势所趋，为适应绿色环保和可持续发展的需求，生物基纤维生产技术不断涌现，生物基纤维已经在服装、家纺和产业用纺织品中获得广泛应用。
生物基纤维是指利用生物体本身或者其提取物制成的纤维。区别于采用石油基为原料制成的聚酯纤维、聚酰胺纤维（锦纶/尼龙）、聚丙烯腈（腈纶）等合成纤维，生物基纤维的原料来源于生物质。
生物基纤维因原料来源于可再生生物质，相较于石油基原料，减碳效果更明显，因此大力发展生物基纤维对助力碳达峰碳中和具有非常重要的意义。其中生物基合成纤维是以天然植物或农作物为原料，经基因工程、微生物发酵、过滤、提纯等工序制备高纯度单体，然后经聚合反应制得具有一定分子量的聚合物，再经熔融纺丝工艺制备而成。
目前用于纺织的重要生物基纤维，主要有PLA纤维、生物基PDT纤维、生物基PTT纤维等聚酯纤维。
PLA是由生物质原料经发酵生成乳酸后，再经缩聚和熔融纺丝制成。PLA纤维的纵面具有无规则的斑点及不连续的条纹，存在孔洞或裂缝，很容易形成毛细管效应，具有吸湿快干特点，由于PLA是一种弱酸性纤维，故带有一定的抗菌性以及阻燃效果。但PLA纤维的强力较低、染色效果（尤其是深色上染）较差，在后期染整加工过程中不耐高温。针对这些问题，国内生产企业也在积极创新研发，目前相关问题已经基本得到解决。
生物基PET一般以生物基PTA或生物基EG为原料聚合而来。当生物基EG为多组分二元醇时，得到的聚酯为PDT。PDT由生物基乙二醇与对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯聚合得到，合成工艺主要是PTA法，包括酯化、预缩聚和终聚几个阶段。由于多组分二元醇的存在，与石油基聚酯相比，PDT的聚合过程和真空度都需要提升。聚酯合成后再经过丝工艺制得PDT纤维，纺丝装置可利用PET的设备完成。PDT纤维具有拉伸和回弹性，拉伸后可快速回弹至原状，用于衣物中可提高其舒适合身性。与PET相比，PDT纤维的伸长率更高，具有更柔软的手感。PET纤维同样具有较低的玻璃化转变温度，可以常压染色，且具有更高的水洗牢度和熨烫牢度。同时，PDT纤维具有比PTT和PET纤维更好的防静电性。PDT纤维也可与羊毛等天然纤维混纺，制得更优良的面料。PDT纤维的原料之一可由生物质资源转化而来，降低了CO₂排放，是低碳、环保、绿色的新型纤维材料，可用于服装、装饰材料、产业等领域。
PTT是采用生物基丙二醇（PDO）和对苯二甲酸（PTA）聚合而成的另一种生物基聚酯。生物基PTT纤维具有较好的回弹性，同时既有PET纤维的耐化学性、腈纶的蓬松性，又有锦纶的耐磨性和抗静电性，较低的玻璃化温度使其可以常压染色。
DuPont（杜邦）最早掌握了PTT纤维制备技术，并与日本的东丽、帝人，韩国的新韩工业，我国台湾的远东纺织等公司合作，进一步巩固了其在PTT纤维领域的领先地位。国内的PTT纤维发展较迟，东华大学是最早的研究单位。随后，盛虹集团和清华大学合作，生产以甘油为主要原料的生物基PTT。

02、涤纶在纺织产业中的循环利用

朱美芳提到，目前纤维原材料结构趋向多元化，增加绿色设计实践探索，制造缓解资源循环利用水平也得到显著提升，废旧纺织品综合利用产品链基本形成，可持续消费趋势逐渐显现。同时，中国纺织服装行业加速系统转型也面临着多维挑战，如先进技术、工艺和设备创新不足；顶层设计及相应的政策、配套制度和标准体系需完善；绿色消费市场对产业的驱动力不足；缺乏统一愿景和产业协同、系统转型合力未成；缺乏推动循环时尚的专业人才。

通过展示废弃纺织品提取出可再生能源的详细步骤，朱美芳向大家介绍了涤纶全生命周期绿色循环利用概念，该技术实现了涤纶合成原材料的循环利用，向环境0排放，节约资源，进一步体现了循环经济在高分子材料领域的运用。

据资料显示，我国是全球最大的纺织服装生产国和消费国，纺织纤维加工总量占全球的50%以上，每年纤维消费总量约3000万吨，人均纤维消费量约22.4公斤，基本达到中等发达国家水平，随之产生大量废旧纺织品。2020年，废旧纺织品产生量约2200万吨，循环利用率约20%，废旧纺织品再生纤维产量约150万吨，废旧纺织品循环利用能力和水平仍有较大的提升空间。
据有关研究机构测算，每利用1千克废旧纺织品，可降低3.6千克二氧化碳排放量，节约6000升水，减少使用0.3千克化肥和0.2千克农药。废旧纺织品循环利用既有利于提高资源利用效率，解决纺织原料资源短缺问题，又有利于节约土地资源，减少二氧化碳排放，保护生态环境。
此前，国家发展改革委、商务部、工业和信息化部印发《关于加快推进废旧纺织品循环利用的实施意见》(以下简称《实施意见》)。根据《实施意见》提出的发展目标，到2025年，废旧纺织品循环利用率达到25%，废旧纺织品再生纤维产量达到200万吨。到2030年，废旧纺织品循环利用率达到30%，废旧纺织品再生纤维产量达到300万吨。目标的达成对于减少二氧化碳排放、节约能源资源具有重要意义。

03、木质素碳基纤维及其高值化应用

木质素作为第二大天然高分子，是一类具有芳香族结构的天然高分子材料，是地球上仅次于纤维素的可再生碳源，每年自然界中可产生5到36亿吨。朱美芳表示，木质素存在于树木中，看上去像泥土，却可以做成有用的纤维。木质素的含碳量大概是68%，比黏胶纤维含碳量更高。由木质素制造碳纤维是非常好的资源，小到电脑，大到自行车、汽车，都可以用碳纤维复合材来制造，其特点之一是非常轻便。

值得一提的是，木质素基碳纳米管纤维的整体性能近似于使用精细化工品生产得到的碳纳米管纤维，电导率高于大部分商业碳纤维，同时具备高柔韧性、高拉伸强度和高导电特性，优于迄今为止大多数生物质衍生的碳基纤维材料。

纤维的发展，不仅仅是民生产业，更关乎国家战略。朱美芳对未来中国新材料和新纺织经济进行展望，提出了五大目标：进一步优化原材料结构，减少不可再生资源的消耗；转向基于循环经济原则的纺织品设计；进一步提升制造过程的资源利用效率；创新商业模式，扩大绿色消费；促进废旧纺织品回收利用提质升级。

碳纤维作为一种具有高强度、耐腐蚀、低密度、高模量以及良好导电性能的增强材料，其在航空航天、汽车零部件以及医疗器械等领域都有着广阔的应用前景。
目前，市面上80%以上的碳纤维是以聚丙烯腈（PAN）为原料制备的，不仅价格昂贵，而且在制备过程中会产生较多的污染，并且由于PAN源自不可再生的化石资源，其供给也会随着化石资源的开采而受到一定限制。因此，开发可再生原料制备低成本碳纤维成为未来的发展趋势。木质素基碳纤维是以木质素为主要原料替代传统的石油基高聚物而制备的碳纤维材料。主要的制备过程涉及木质素预处理、调制纺丝液、静电纺丝、预氧化、纤维碳化等。
与PAN基碳纤维相比，木质素基碳纤维具有以下优势：
（1）来源广泛且成本低廉木质素是自然界中含量仅次于纤维素的可再生资源，广泛存在于植物基体中，加之每年造纸行业的副产物也会产生数千万吨的木质素，使得木质素基碳纤维的原料不仅成本低廉而且“取之不尽，用之不竭”。
（2）环保无污染木质素中的碳含量高达60%，将制备纺丝液采用醇类溶剂，纺丝更环保。
（3）具备更强的理化特性木质素含有大量的芳香烃苯环结构，这使得将其制备成碳纤维时能够更好的保持原有的丝状结构，从而获得更大的拉伸强度。可见，与传统的PAN基碳纤维相比，木质素基碳纤维在原料、成本、环保乃至性能方面都具备一定优势，是未来制备低成本碳纤维的首选。