二、纺织材料发展中的问题

既然定义的纺织材料是纤维、纱线、织物及其复合物，纺织材料就不是天造之物，其虽然对应着各自人工获取与制备的特征。纺织材料已从远古天然纤维状物质的采摘、加捻成线绳、编结成织物，而用于绑扎、悬挂、承载、包裹等工具，进而作为标识、记载、伪装、遮挡之用具，并逐渐转化为遮寒蔽体或装点美观的服饰，进化到如今有目的、有技术地种植、饲养、采矿、再生、合成，获取初级纤维，再由复杂、智慧的人工机械，以及物理、化学、生物方式加工成的可用于服装、家用、产业用的纤维及纤维制品，来满足或基本满足人类生存与发展的需求，足以显示出人类的才智和能力。

1.纤维发展引出的问题

对纺织材料而言，令人振奋的发展可能是近百余年来纤维材料的发展，其不仅表现在产量上的巨大进展，进展速度令预测专家们瞠目结舌，而且反映在纤维的品种和性能或功能上的突飞猛进。这种变化使材料学家和生产厂商应接不暇，而使消费者兴奋并受益。

因为60年前，人类生产及使用的天然纤维约为1000万吨，不包括麻、木棉、其他动植物纤维；化学纤维330万吨，仅为天然纤维的1/3。60年后的今天，天然纤维的消费量约3000万吨；化学纤维却达到6180万吨，是天然纤维的2倍多。60年前的世界人口仅27亿，今天的人口约72亿，增加了2.66倍；而天然纤维增加的3倍，还不包括麻，如果只是满足人类的穿衣需求，此增长倍数足以与人口膨胀持平。化学纤维增加了18.7倍，除了纤维材料得以在其他领域中广泛应用而使加工和使用者感到欣慰及满足外，反过来的问题也值得人们深思，60年间，使用有限的石油和土地资源将人均消费量从4.9kg发展到12.75kg，是否真的值得？应该重视纤维资源的循环利用。

产量的增加令人高兴也使人烦恼，因为纤维品种和性能的发展确实是人类文明与进步的象征，但纤维来源于宝贵的石油与天然气及土地资源。从远古人类开始使用树叶、枝条和动物毛皮，到发现和利用纤维已有至少10万年的历史。传统观认为8000年前古埃及开始使用麻；6000年前古巴比伦使用羊毛；5000年前古印度使用棉花；4700年前中国使用蚕丝。而考古新发现除棉外，又将时间推前，以色列犹大沙漠赫摩尔山洞发现的距今9160～8150年的亚麻织物；南美洲安第斯山洞窟遗址中发现距今10600～7780年的毛织物残片；中国河南荥阳青台村仰韶文化遗址发现的距今约5630年的丝织物。这些均为文明史前的实证，但其也仅为记录，而人类开始使用纤维的历史肯定先于记录。麻、毛、棉、丝这四大类纤维不仅在生长与获得上对人类极为友好，是天然纤维素或蛋白质，易于获取、能耗小、可持续，和再生；而且在结构和性能上各有特点，成为人类效仿并发展化学纤维的范例。从化学纤维的发展便可清晰地看出这一模仿的痕迹，如图7所示。

正是模仿天然纤维的线型高分子，人类从简单地直接溶解和过滤获得黏胶液，制得“再生（regenerated）纤维”，到使用合成技术将低分子变为线型高分子进而加工出合成的再生纤维以及其他金属纤维和玻璃纤维，因“人造（man-made）纤维”一词已被黏胶类纤维占用，故称作合成纤维（synthetic fiber）。再生纤维当时已有纤维素和蛋白质类，现又出现再生淀粉纤维、再生甲壳素纤维，甚至再生化学纤维，乃至所有纤维的再生化。这将是21世纪前半叶最重要的内容，因为有年产6000万吨的化学纤维在不断地变成自然界中的高分子原料。

对初级化学纤维进行长短、粗细和消光处理，是化学纤维改进的第一步。如仿棉、仿毛、中长纤维和加二氧化钛粉末（200～300nm）消光的纤维。从19世纪末叶到20世纪30～40年代，花了近半个世纪，这些统称为普通化学纤维。而后又开始模仿天然纤维的形态及部分性质，见图7及图8中的“”。以此改善原来统一呆板的圆形和不吸湿、难以染色的缺陷。如今统称为差别化纤维，即与原来合成纤维的形态、组分和可及性（可吸湿、可染色）存在差别的纤维。如从羊毛皮质的双边分布和蚕丝三角形截面，导出了复合纤维（或卷曲纤维）和异形纤维，以增加纤维的弹性及可纺性和纤维的光泽。又如可以仿制皮革的超细纤维；能够产生收缩或弹性的高收缩纤维和弹性纤维；可以较好吸湿甚至吸水的高吸湿纤维；能够保暖的中空纤维；和可提高染色性的阳离子可染涤纶等。

事实上，初级化学纤维本身因纺丝凝固先后的原因，会产生非圆形化的截面，但那不是人为所致，故人们不将其归入差别化纤维，因为人们认为差别化是人工控制纤维形态、组分和可及性的成功。虽然这些都是源于自然界的启示，但人类从无到有、从不能控制到能够控制的生产，并在一些性能和形态上超过人们赖以生存和学习的对象——天然纤维，如强度、弹性、超细等。

由此成功，人类变得一发而不可收拾。在纤维改性和高性能上，在功能化甚至智能化上形成了新的分枝，而且以应用为主线，在改性、高性能、功能化上取得了许多进展，见图8。

通过共混、共聚、接枝、表面改性以及纤维聚集态结构和高次结构的精细调整，出现的聚丙烯腈类，大豆、牛奶酪素类、角蛋白改性类，等离子体或高能辐射表面改性类，液晶纺丝控制分子排列与结晶，高次结构（原纤）的螺旋化等。

采用静电纺丝（electro-spinning）和自生长（self-growing）或纤维分离技术，制备纳米纤维：虽静电纺丝的纤维粗细仍在亚微米（100～1000nm）尺度徘徊且强度很低（≤1cN/dtex），但已能产业化生产；虽自生长纤维还在实验室研究，但能轻而易举地实现纳米尺度；虽从废弃天然纤维中分离纳米原纤体的产率及速度较低，但已能分离得棉、麻的纳米晶须和羊毛的亚微尺寸的巨原纤和纳米尺寸的微原纤晶须体。

通过选择高性能组分或纤维的高性能化，获得高性能纤维，如碳纤维，强度从1～3GPa提高到9GPa，虽与其晶体强度差2个数量级，但为最强纤维之一；超高分子量聚乙烯强度达4.5～5GPa，与其分子强度已几乎在同一数量级。人们在努力实现纤维强度向其分子强度的逼近，但至今为止，还没有一根长丝，在考虑重力作用下，能够将地球与月球相连。而均匀连续的碳纳米管却能提供这种可能，见图9。

通过纤维形态、尺度、结构和组分的调整，以及排列的多维、多层次，可使纤维获得不同的力、热、光、电、声、磁、湿、表面功能等，如图8所示。甚至利用纤维组分或结构对这些物理作用，或生物、化学作用产生的激发反应并可循环（称可复位性），而制成自适应（self-adapted）的智能纤维。如形状记忆、相变、变色、结构色、触须感应等。人类不仅可以选择纤维的质（组成与含量）和调控纤维的形（形态、尺度、结构与表面）以获得纤维的性（性能与功能），而且可赋予纤维进行形、性自适应变化的功能，即“智能”。这与当今人类科技的生物基因技术（克隆技术）一样，具有突破性的意义和极大的挑战。

尽管人类可以或正在进行纤维的改变与创造，甚至在改变天然纤维，但人类至今还在许多方面不及天然纤维。如纤维的强度和弹性始终不能达到蜘蛛丝的状态，即实际强度无法达到其分子强度同一数量级。如纤维的原纤结构无法像棉、麻那样为多层结构且在不同层的螺旋排列不同，也就无法实现棉、麻纤维外层具有自约束的网状或包缠结构。如纤维的中空度只能达到60%，而无法像木棉纤维那样达到近90%的连续中腔和均匀的薄壁，更无法想象在这仅1～2μm的胞壁厚度中存在5+2层不同取向和排列密度的原纤结构层，见图10。如纤维的表观形态无法产生像毛发类纤维的鳞片、甚至波纹状的起伏；无法像羽绒纤维形成的多级枝杈和奇妙的分形现象，如图11（a）所示；也无法像兔毛那样形成中腔的“竹节”结构[图11（b）]。

人工纤维（Artificial fiber）成形技术，除了速度和均匀性外，都不及生物界温文尔雅、形式多样、一次完成的成纤行为。尤其是羊、蚕和蜘蛛，在其柔弱的毛囊或分泌腺中，却会生长或吐出结构复杂、性能优异的纤维。柔弱、微小的棉纤维竟能携带沉重的种子，广布于他乡；同样的麻纤维却能构造起坚实的复合体，保护茎秆、提供养料。这些可爱的动植物们，竟然能比人类更富有天分地进行着纤维的生成及结构形态的调整。特别是对基本构成单元的排列和多尺度化，看上去强大而聪明的人类却显得笨拙，始终不及天然纤维所为。这些定是纤维发展、认知与表征中所要解决的问题。

纤维在不断地发展，新纤维层出不穷，对纤维的认识与了解也在不断深化，应该积极主动关注这些进展。

2.纱线发展引出的问题

纱线是通过加捻将短纤维连续并具有强度和弹性；将长丝相互抱合形成稳定形态；或将多根纱、丝复倂集合的细长物。其作为绑扎、系挂的工具比纤维还早使用，那时只是选用细草束和细藤枝的绳。而加捻不仅可使纱线成形与变形，而且可以通过喂入方式和张力变化获得花式纱线。其形成与区别如图12所示，是一个从简单加捻组合或直接合并到复杂多轴系的组合；从只有加捻（短纤）和黏合（生丝）方式到引入编织和纠缠机制（空气变形或气流混乱化纠缠）；从纺纱、纺丝、合股成线的分离进行到纱、丝成“线”一步完成，都体现了纤维→线状纤维集合体过程中的组合复合、相互作用和一次成形的思想。这完全跳出了传统概念中的纱→线→绳的短纤体系及组合变粗的定势，使纺织材料在纱线这一领域中变得成熟、丰富和完整。

图12表明，纱线不仅仅是一个由短变长（短→长）的过程，而且是长→匀、单→复、匀一→复杂的过程，涉及纱、丝、线及其组复合体。尤其是短纤纺纱体系中的短纤复合纱和短纤结构纱的出现与发展，成为这一过程最典型例子。

人们从富有成效的刚硬握持的非自由端纺纱中，质疑了这类纺纱体系（如环锭纺）的速度和成纱质量，进而转向柔性握持的自由端纺纱，如转杯纺、涡流纺、静电纺、摩擦纺等。而正是这种转移，促进了对于传统环锭纺纱这一非自由端纺纱的深入思考、艰苦抉择和努力发展。这是一大思维创新。于是人们开始将两根分得很开的须条进行纺纱[图13（a）]，创造了“自捻纺”；又将两根须条靠得很近，在一个皮辊宽度上纺纱图13（b），创造了S/S（短/短）纺，俗称“Sirospun（赛络纺）”；进而干脆对一根须条实施切分[图13（c）]，创造了单须条分束纺（Solospun）。还有引入长丝束F，形成了S/F（短/长）纺纱，国人大多称为“Sirofil（赛络菲尔）”纺纱。前三个创造都是纺纱领域中20世纪60～80年代，对环锭纺纱体系的突破性贡献，解决了双边分布的结构纺纱和人工控制纤维转移的纺纱，为高支单纱织造提供了可能。而S/F（或F/S）复合纺纱为英国人早在20世纪50年代末就已公开的专利技术，不能称其为创造，但也是此科学实践的产物，而且以上创新均发生在CSIRO的羊毛研究所的成果。

从中可以看出这个过程是漫长和艰辛的，符合传统科学实验与摸索的思维定式和进展路线，一步一个脚印但显得有些笨拙。因为在这之前、之中有太多的提示与暗示，如纺织本身的纱线合股与花式纱体系；整经过程的合并，如天然和人工长丝的复合纺丝……我国在20世纪纤维和纺织加工工业与技术迅猛发展的时期，在众多暗示和机遇的时代，在同样享受着传统或“新型”纺纱技术的时刻，却未能产生类似的实践，哪怕是一些类似的想法。这可能与我们只注意了解或解释一些新事物与新想法，过多地猎奇或复制他人的工作，而未反思这些创造的过程并获取启发，尤其是其中规律性或必然性的东西有关。

可喜的是，在对这些技术的分析中，已出现了思考和创新实践。如将短/长复合纺技术拓展到非自由端纺纱体系；在传统的环锭纺中采用多轴系的对称与非对称的复合纺制备细特（高支）或超细特（超高支）纱和回用纤维的高支、高品质纱，甚至纺负泊松比纱；采用3～5轴系的非等汇聚点的复合结构纺纱形成多结构相、优势互补、高弹性、功能化和形状记忆的复合结构纱；采用变汇聚点的复合结构纺纱技术制备渐变色的结构纱；采用短纤维束间歇或脉冲喂入或偶合渐变喂入的结构纺技术制成竹节或结子纱及渐变色纱；采用对长丝展平和分束的结构复合纺技术进行粗短、硬脆纤维的高品质呵护式的成纱；甚至产生由静电纳米纺丝直纺微米纱技术等，这些都是自主知识产权的专利技术。

这些新纺纱技术和复合纱、结构纱和复合结构纱的出现，使人们又产生新的想法，能否变连续条状喂入为如羽绒或超短纤维的离散喂入成纱？能否更稳定和有效地控制纤维的集束和分离而直纺纤维到纱？能否在其他纺纱体系中实施复合结构纺？能否在纺纱中引入编织复合……这是纺纱技术与产品发展的新问题。

与短纤成纱体系一样，长丝束的成纱同样显得活跃，而且发展更快。从简单的变形加工，延伸到多组分、异粗细、异长度、异截面、异收缩、异卷曲的一步成形纺丝，称为异组合加工。尽管制造的丝不如想象中的那样完美，且不时地要借助后道的混合与处理，但至少该工业领域和工程学科中已在继复合纤维、异形纤维、超细纤维和变形纱技术之后，将这些技术组合实施到高聚物长丝上，使其直接模仿甚至超越天然短纤维纱线。而且，更快、更简洁、更清洁地将高聚物熔体或溶液一步变成织造可用的纱线，甚至织物本身的加工，将原来看似复杂、庞大、漫长而又无法缺少的纺织过程缩短为简单、轻巧、快捷而又清洁的纺丝加工。

不过短纤维纺纱已经开始将长丝引入自己的体系，以增强或改性，而长丝纺丝体系能否也引入短纤进行丝的“节外生枝”（图8虚线）？这是长丝纱加工中需考虑的问题。事实上，已有暗示，长满侧向毛羽的雪尼尔纱就是证明。因此，长丝可以充分利用短纤维、短绒甚至粉末成为自身加工体系的辅料。而且，纺丝技术应该考虑：能否在纺丝体系下直纺长/短（F/S）复合纱、结构纱和结构复合纱？能否在纺丝体系中直接引入后处理方式直纺功能纱？能否在纺丝中引入复合与编织等？

长丝、短纤都在各自体系中进行繁衍与复合。短纤维纱力图做得如丝、细长而均匀；长丝纱力图做得像纱、蓬松多毛绒。显然，长短间的交叠越来越大，共性问题变得明确，即如何控制纤维的分布与排列及成形后的结构，而达到扬长避短、优势互补。真正做到要均匀时，粗细稳定不变；要变化时，能产生各种结、节、点、段的粗细变化或内部组分的变化；要纤维分布时，能内外转移、功能分担等，使纺纱和纺丝变得自如，纤维得到更多的呵护，成纱结构变得更为合理，产品品质更优、品种更多。更为重要的是纺纱变得简洁、低耗和快速。

如今的纱线已不仅仅是加捻成纱，编结、复合、包缠已使纱线从一维、一轴体变成多维、多轴体，成为导管、输送线、人工肌腱、光导纤维等的直接产品。人们已无法守着单一加捻的纺纱体系，而转向组合、多维、多轴系成形加工系统。

3.织物发展引出的问题

机织物的构造应该是起源于细韧、硬挺的茎秆、藤类的手工编织，进而为硬挺有张力绳线的手工编织，逐渐转向手工加工具；手工织机的织造；和机械化，自动化的机织。织物基本上是平面、二轴系的，为通常说的经纬交织物。常用的机织物发展至今，仍是原来的两个特征：一是交叉，为起伏交叉和高覆盖性结构，只是从单根手工控制到多根机械控制，又回到单根但机械控制的循环发展；二是硬挺，因取材偏硬且易形成交叉锁结，故织物以“刚硬和稳定”特征为本。为其刚硬，存在均布的交织点、粘连点（涂层），甚至加厚、增加交织；为其稳定，采用增加紧密度和加强系间交叉点作用或采用三相织造来完成。由此出现了多维、多轴系的织机和机织物。机织物的主要变化是交织点，即经纬纱的起伏，偶尔也加入一些扭结，如纱罗组织。

针织物的构造源于柔软的草茎、毛发或筋肠的绑扎、打结，依赖于其线状的柔性，进而采用柔软的绳、线、纱进行无张力或低张力的手工圈套、编结，逐渐转向简单的手工器具（弯曲的钩针或直挺的细棒）的圈套与编织和手摇机械针织机及自动针织机。其基本上是单轴系、平面的，但结构是典型三维的。单轴系单根逐个圈套成形，来回逐行递增构成常说的纬编织物；单轴系多根平行相互串套编织构成常说的经编织物。针织物的变化源要比机织物多，可能缘于它线圈的三维空间造型，绑扎、打结、交叉的多元成形方式，以及弯钩、直棒的逐个控制成圈，是人类使用工具走向文明的象征。针织物也有两大特征：一是柔软易变形；一是三维圈套，织物以“柔性和可变”特征为本。但由于其原本是打结、连接，故打结点的刚硬，或直接将刚硬杆绑定在一起，便又构成刚性部位；而连接线的柔软多变，形成柔性部位，是纺织材料刚柔互换与兼备的典范，也是最能应变的成形方式。针织物以“单”对复杂，以“线”对三维、甚至对一次成形的三维结构体，极富艺术性。以至于现今还有人们手持小小的钩针或数根棒针，进行日用品或艺术品的制作，并成为一种兴趣爱好和手工艺术。而进化的机械化设备却成为大宗类针织物加工的工具。针织物可以通过垫纱、铺纱、相互错位、引入多轴系来实现且结构复杂，但其圈套结构单元却始终为单轴系的空间线圈。

机织物和针织物作为纺织材料中的一刚一柔，满足了人们外装需挺、小变形，内衣要柔、大变形的需求。实现了刚的承力、支撑、稳定与增强；柔的绑结、互连、应变和弹性之功能。

作为两种成形方式起源的“编与结”，直到近50年机织和针织，其未能发展的单轴系编织融入纱线制造技术；而多轴系编织焕发出青春活力，成为当今机械自动化、三维、多轴向、连续一次复合成形的最杰出的方法，是现代结构复合材料制备的象征。本书不展开此方面及其进展的表述，仅简单一提，望能关注。

事实上，“编（braiding）”与“结（knotting）”是机织和针织的父本和母本，一“刚”采用杆藤和一“柔”采用草茎，来制作“编物”和“结物”，为承载与隔挡和绑扎与维系之工具。而编与结的结合为编结物，是刚柔结构结合的典范，应该与编、结同时出现。其典型代表是绞编（twist-braiding）织物，见图14。

作为非织造布。这是文明进步中循环往复、螺旋上升规律的写照，是人本能愿望的产物，即最好是将原料到使用的加工过程变为零，拿来就用。人类文明起初使用皮革、草垫、纤维絮垫、纸，是最典型的非织造材料，甚至是不加工材料。非织造加工在近60年中得到了快速发展，成为人们简化工艺、节省时间、降低能耗的典范。这种省去纺纱、织造的“懒汉”做法，是明智之举，它给出两个概念，一是“度”，二是“省”。人类没有必要仅仅为证明自己的智慧，令许多过程变得复杂。而实际使用的东西，只要性能、功效所至，越简洁、越明智，这就是度。有了这个度，就能轻松地做到省，即减少能耗、浪费与污染。这是纺织材料各种初加工、整理加工、功能加工，纤维选择与利用、纤维混合与复合，乃至纤维及纤维制品的生产与发展中，都应该遵循的准则。人类要学会约束自己，别犯或少犯“防卫过度”，参见图6。

织物作为可直接应用产品，正较多、较快地转向产业用纺织品；转向非织造、复合与组合、多轴与三维；转向机织、针织、编织、非织、黏结、涂层加工体系的组合、复合，使织物结构变得更合理、轻巧和功能化。其中，第一个转向是纺织工业产品调整的最重要的领域，第二个和第三个转向是支撑第一个转向的基础。这将使纺织材料在环保、军事、航空、生物医药、保健、信息、电子、汽车和运输、建材、农、林、水产、海洋业、体育用品等诸多领域中得到更广泛的应用。如：万人体育场屋顶的轻结构复合膜材料需要进口，价格为2000多元/m2；一套航天员的舱外宇航服高达一亿元人民币；一根10厘米左右长度的人造血管价格为1万多元人民币；美国高技术纤维占化学纤维总量6%，而产值高达化学纤维总产值的1/2；欧、美、日等先进国家产业用纺织品占整个纺织品的比例已接近或超过40%，产业用纺织品所创造的价值已远远超过其纺织品总产值的50%。而我国产业用纺织品的比例在2017年近26.7%。这与服装用、装饰用、产业用纺织品三分天下的均值仍相去较远。其根本原因在于这类技术纺织品的材料与加工技术，这是一个从纤维到最终成品的系统工程。不仅涉及科学与工程技术问题，还涉及综合国力、标准体系、政策法规等问题，但更需要纺织材料学科的首先突破。

4.表征方法的发展引出的问题

纺织材料的发展，纺织材料的物尽其用，纺织材料的品质及其度，纺织材料加工或处理的效果，纺织材料的功效和持久性，均依赖于我们对纺织材料的认知。而此，又依赖于对材料本身和其成形过程的表征。

纤维的结构、性能及其相互关系的表征，几乎源于对天然纤维的表达。主要体现在国外检测技术和方法的发展，国内极少，即便是在高分子材料与物理和生物材料的表征上。棉不是中国的原产，美国人大面积种植与改良，提出了系统的评价方法与手段，即HVI和相关的ASTM标准；毛非澳洲原产，澳洲人却引进、培育、改良，成为当今世界最大、最优良细羊毛的生产国，被誉为“骑在羊背上之国”，且解决了羊毛的系统评价和实用表征方法，如ATLAS、SiroLan-LaserScan、OFDA等，以及国际毛纺织组织IWTO采纳的标准及测量方法。丝作为中国人的自豪，曾启迪了人工纺丝的想法和促成了差别化纤维的诞生，却没有开发出有效实用和自主创新的评价方法，仍以手感目测的方法为主。而麻纤维，品质极为优秀的“中国草”——苎麻和近年国人关注的大麻、罗布麻、亚麻甚至所有麻类，仍处于杂乱如麻的状态。至今未像棉、毛那样，有客观、有效、精准的评价体系和表征方法。难怪工业界极少对麻进行创新或成功性的加工和纤维使用。

纱线的结构和性能的表征，除了显微观察和图像处理技术的应用，Uster仪器几乎一统天下地包揽了纱线品质评价的所有方法与技术。虽有Lawson-hemphill公司的光学电子黑板条干仪与之抗衡，但也都是舶来之品。

织物的表征，在一般产业中的应用，世界都是20世纪30～50年代就已确定的方法，甚至用洗衣机洗涤一下织物，对照样卡就能进行评价。较为客观和具有理论指导意义的是织物手感（hand）与热湿舒适性（comfort）的评价方法与仪器，如川端的KES，澳大利亚联邦科学院（CSIRO）的FAST。在动态悬垂表征、起毛起球机制表征和有限元法模拟织物造型，以及织物接触与刺痒不适感测量和多种暖体假人模型测量装置上，国外多有建树，国人也有贡献，并已获得一些结果和提出相应的理论。

而由科学表征、抽象思维产生的理论，绝大多数是国外学者的贡献。纺织材料领域至今都在用Hearle教授的缨状原纤理论、纤维转移理论和纱线力学分析；Peirce博士的吸湿、弱环、弯曲、织物结构的理论；Binns、Peirce、川端季雄、Postle等的织物手感风格观点与理论；Woodcock的织物舒适性的透湿指数等，以及高分子材料科学中的许多经典理论和方法。纺织材料的科学与理论虽然在发展，在突破，但相对较慢、较小，尤其中国在其中的贡献还很小。

产业用、特殊防护用纺织材料的安全性与可靠性的表征；纺织材料感知与舒适的物理、生理和心理作用的分离或联系的表征，仍是本学科较为单薄和欠缺的部分。