秸塑復(fù)合材料
——秸稈與廢塑料資源化利用新途徑

（中華全國供銷合作總社天津再生資源研究所，天津300191）

為貫徹落實(shí)黨中央、國務(wù)院關(guān)于建設(shè)生態(tài)文明、推動(dòng)綠色循環(huán)低碳發(fā)展的重大決策部署，發(fā)展改革委會(huì)同有關(guān)部門制定的《循環(huán)發(fā)展引領(lǐng)行動(dòng)》中提到，到2020年，主要廢棄物循環(huán)利用率達(dá)到54.6%，農(nóng)作物秸稈綜合利用率達(dá)到85%。而將秸稈和廢舊塑料用于木塑復(fù)合材料的生產(chǎn)，為秸稈和廢舊塑料的資源化利用提供了一條新的途徑，對我國加強(qiáng)農(nóng)林剩余物和廢舊塑料的回收利用、減輕環(huán)境生態(tài)壓力具有深遠(yuǎn)意義，將會(huì)受到更多的關(guān)注。

1 秸塑復(fù)合材料的概念

秸塑復(fù)合材料（Straw-Plastic Composites，SPC）是由我國創(chuàng)造性提出的[1]，是以全秸稈生物質(zhì)（如秸稈、棉桿、甘蔗渣等）為原料，經(jīng)粉碎和界面改性增容處理，與一定比例熱塑性塑料及助劑共混，通過擠出、熱壓或注射等成型工藝制備的兼具生物基材料與塑料特點(diǎn)的一種可循環(huán)利用的新型環(huán)保材料[1，2]，也屬于一種木塑復(fù)合材料（Wood-Plastic Composites，WPC）。

SPC與WPC在原材料構(gòu)成上有顯著差異，目前WPC使用的原材料主要是木粉和塑料的復(fù)合，SPC則實(shí)現(xiàn)了“以秸代木”，是由秸稈生物質(zhì)與塑料經(jīng)改性復(fù)合后的材料。SPC作為一種新型材料繼承了WPC材料的優(yōu)勢，同時(shí)兼具生物基材料和塑料的優(yōu)點(diǎn)，可彌補(bǔ)單純塑料制品的易老化、低溫脆變等缺點(diǎn)，與木材相比可抗酸堿、耐水、耐腐蝕、不易被蟲蛀，是一種具有良好的機(jī)械性能和加工性能，仿生自然，可100%回收再利用的綠色環(huán)保新產(chǎn)品。

2 秸塑復(fù)合材料應(yīng)用的重要意義

我國森林資源相對貧乏，森林面積僅為國土面積的13%，人均森林面積擁有量更是不足0.1 hm2。而我國每年需要木材1.5×1010m3，木材供需缺口巨大，木材的大量砍伐已嚴(yán)重影響我國生態(tài)環(huán)境，日益增長的木材需求迫使我國需從國外進(jìn)口大量木材[3]，然而世界上森林面積每年也以1 600萬hm2的面積銳減。各國都在加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)，積極尋求新的資源進(jìn)行替代[4]。

近年來，隨著人口數(shù)量的增加，對糧食的需求也迅速增大。我國是農(nóng)業(yè)大國，在糧食種植的同時(shí)，不可避免地產(chǎn)生大量的農(nóng)業(yè)廢棄物——秸稈。秸稈傳統(tǒng)的處理方式是被當(dāng)作廢棄物掩埋或焚燒，不僅造成了資源浪費(fèi)，而且污染環(huán)境。減少秸稈焚燒，控制霧霾，已是一個(gè)戰(zhàn)略問題和環(huán)境問題，各級(jí)環(huán)保部門在治霾、秸稈綜合處理等方面也加大了投入，秸稈綜合利用納入“十三五”政府的重點(diǎn)工作、重大規(guī)劃和重大項(xiàng)目之中。

秸塑復(fù)合材料的提出和研制成功，有效解決了木材資源短缺、秸稈資源浪費(fèi)、塑料資源回收利用等問題。SPC作為木材替代品進(jìn)行應(yīng)用，可以大量減少對木材資源的需求，有利于森林資源的保護(hù)，有力緩解我國建材、包裝等行業(yè)的原料短缺問題；SPC的應(yīng)用還可大量消化農(nóng)作物秸稈，減少秸稈的焚燒量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，拓寬秸稈利用渠道，有利于農(nóng)民創(chuàng)收和農(nóng)業(yè)發(fā)展；此外，SPC還能規(guī)?；叵膹U塑料，有效減輕社會(huì)環(huán)境負(fù)擔(dān)，節(jié)約石油資源，提升了廢塑料再生利用的附加值，有助于促進(jìn)廢舊塑料的回收再利用。因此，SPC是一種可資源循環(huán)再利用的綠色環(huán)保新產(chǎn)品，為廢舊塑料和農(nóng)林廢棄物的再生利用開辟了一條全新的道路，有助于推進(jìn)資源全面節(jié)約和循環(huán)利用，促進(jìn)我國綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

3 秸稈/廢塑料共混制備秸塑材料技術(shù)分析

3.1 秸塑復(fù)合材料制備的關(guān)鍵技術(shù)

秸稈與木材雖然具有相似的化學(xué)成分，但組分比例不同，容重相差較大，木粉纖維結(jié)構(gòu)中具有橫向和縱向的導(dǎo)管細(xì)胞有利于其與塑料的界面結(jié)合，而秸稈只具有單向的導(dǎo)管組織，且呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，容易吸潮，原材料適塑性效果差[5]。而且秸稈纖維表面含有極性的親水基團(tuán)，致使其與大多數(shù)非極性的塑料之間的界面相容性較差。由此可見，制備秸塑復(fù)合材料時(shí)考慮兩相之間的相容性是重點(diǎn)所在，最常用的處理方式是對秸稈進(jìn)行改性。如何改變秸稈結(jié)構(gòu)從而增加容重和疏水性結(jié)構(gòu)，增加秸稈在基體塑料中的分散性，改善秸稈的適塑性，解決秸稈與塑料兩者界面相容性差，優(yōu)化兩者界面粘合性能，是獲得秸塑復(fù)合材料的一些關(guān)鍵技術(shù)問題[6]。

3.2 秸稈/廢塑料共混制備秸塑復(fù)合材料的技術(shù)路線

秸稈與廢塑料制備秸塑復(fù)合材料不同于原有WPC的處理方案，其生產(chǎn)過程中必須經(jīng)歷秸稈粉的改性和熔融共混塑化等工藝環(huán)節(jié)。改性后的秸稈粉可替代優(yōu)質(zhì)木粉用于秸塑新材料，而且秸稈中大量存在的生物基礦物質(zhì)通過改性，也能增強(qiáng)復(fù)合材料的韌性，并且所制備出的秸塑產(chǎn)品使用過程中零甲醛排放，綠色環(huán)保。利用秸稈和廢塑料制備秸塑復(fù)合材料的技術(shù)路線如圖1所示。

3.3 秸稈/廢塑料共混制備秸塑復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

SPC作為WPC領(lǐng)域內(nèi)的新興種類，具有更高的環(huán)保意義和商業(yè)價(jià)值，開發(fā)前景廣闊。隨著木塑行業(yè)的不斷發(fā)展，國內(nèi)WPC企業(yè)的產(chǎn)品逐步從外銷轉(zhuǎn)為內(nèi)銷，高端產(chǎn)品質(zhì)量和拓展原材料方向成為生產(chǎn)企業(yè)新的追求熱點(diǎn)。如利用農(nóng)作物小麥、水稻和棉花等秸稈生物質(zhì)開發(fā)新型材料或新產(chǎn)品一直是現(xiàn)有木塑生產(chǎn)企業(yè)期待的長期訴求，國家甚至出臺(tái)了專項(xiàng)的科技攻關(guān)課題和秸稈綜合利用的補(bǔ)貼政策。SPC的研究已成為WPC的發(fā)展趨勢和研究熱點(diǎn)。

圖1 利用秸稈和廢塑料制備秸塑復(fù)合材料的技術(shù)路線

任子龍[7]等將稻殼粉、非醫(yī)療回收處理的塑料制品以及玻璃纖維進(jìn)行熔融共混，制備出具有增強(qiáng)效果的環(huán)保型秸塑復(fù)合材料，并分析了材料中玻璃纖維的長度和含量以及偶聯(lián)劑處理對秸塑復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明，玻璃纖維可以有效提高稻殼粉/非醫(yī)療回收塑料秸塑復(fù)合材料的強(qiáng)度，增加材料的剛性。當(dāng)玻璃纖維的含量為23%，長度為6 mm時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能最優(yōu)；當(dāng)玻璃纖維經(jīng)過3%硅烷偶聯(lián)劑處理后，稻殼粉/非醫(yī)療回收塑料秸塑復(fù)合材料的力學(xué)性能有明顯的提高。

叢龍康[8]等采用小麥秸稈和廢舊聚乙烯塑料為原料，通過擠出和熱壓成型工藝制備秸稈纖維/廢聚乙烯復(fù)合材料，探究了麥秸纖維的粒徑、添加量，界面改性劑的種類和添加量，生物酶改性處理和生物酶與相容劑復(fù)合處理等因素對秸稈纖維/廢聚乙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱學(xué)性能和吸水性的影響。研究表明，麥秸纖維含量為40%的復(fù)合材料的機(jī)械性能最佳。秸塑纖維的粒徑大小對復(fù)合材料的影響不同，在60/100/200目秸稈纖維中，經(jīng)過界面改性后的60目秸稈纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能最好，顯著改善了復(fù)合材料的界面相容性能。

朱棟君[9]等分別利用一種或多種秸稈成分（稻秸稈粉、稻殼粉、衫木粉、竹粉）與一種或多種塑料成分（PP，PE-HD，PE-LD膜）為原材料，采用模壓成型的工藝技術(shù)制備不同填料及不同塑料基體的秸塑復(fù)合材料，重點(diǎn)對復(fù)合材料力學(xué)性能進(jìn)行分析。測試結(jié)果表明：在塑料基體種類上，以無油墨PP為基體的復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能較好，而含油墨PE-LD基復(fù)合材料的沖擊韌性較好。填料成分方面，稻秸稈粉作為填料增強(qiáng)無墨PP復(fù)合材料效果最佳，制得稻秸稈粉/PP綜合力學(xué)性能較好，而稻殼粉/PP復(fù)合材料沖擊韌性較好。

對秸稈粉進(jìn)行改性是有效改善與塑料界面的相容性的有效途徑，但相對木粉、竹粉，秸稈的改性過程會(huì)增加SPC制備過程中的預(yù)處理成本，不利于秸塑產(chǎn)品在低端市場的競爭。因此，在木塑行業(yè)上廣泛實(shí)現(xiàn)以秸代木仍面臨很多問題，研究者在研發(fā)過程中不僅要考慮改性技術(shù)對秸塑復(fù)合材料的性能提升，同時(shí)也需要更加關(guān)注技術(shù)本身的成本問題，這樣才能有助于科技成果能夠有效助推產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提升秸塑復(fù)合材料的產(chǎn)品競爭力。綜上所述，通過提高秸塑復(fù)合材料的界面相容性，來提升材料的力學(xué)性能、增加麥秸粉的添加量和降低產(chǎn)品的成本，這將是今后研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問題。

4 秸塑復(fù)合材料的應(yīng)用前景

我國作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，秸稈是取之不盡的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物，也是未經(jīng)開發(fā)的豐富資源，廣泛的原料供應(yīng)和官方主導(dǎo)的秸稈收集系統(tǒng)，為秸塑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。SPC開辟了秸稈工業(yè)化利用的新途徑，完全滿足我國現(xiàn)有的國情需要和符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的社會(huì)追求，在中國發(fā)展秸塑產(chǎn)業(yè)不僅具有時(shí)代緊迫性，更具有無與倫比的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。

SPC是對木塑行業(yè)的有益補(bǔ)充，無論從原材料成本，還是從產(chǎn)品的強(qiáng)度、耐用性、環(huán)保等方面，完全可以與木塑材料相媲美，甚至還擁有更好的力學(xué)性能優(yōu)勢。秸塑獨(dú)特的優(yōu)良性使其產(chǎn)品在高端市場的前景十分廣闊。秸塑新材料雖具有良好的發(fā)展前景，但其生產(chǎn)過程中改性塑化的工藝較為復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，不利于低端市場的競爭；其產(chǎn)品研發(fā)尚處在起步階段，對這一新材料的生產(chǎn)和應(yīng)用還需要持續(xù)的研發(fā)和創(chuàng)新。

5 結(jié)語

工業(yè)化生產(chǎn)的木塑復(fù)合材料所使用的木纖維主要是采用木材或者木材廢棄物加工的木粉，使用農(nóng)業(yè)廢棄物（秸稈）為填充材料來制備木塑復(fù)合材料的還相對較少。秸塑復(fù)合材料的應(yīng)用可促使農(nóng)業(yè)廢棄物、廢舊塑料的資源化再利用，節(jié)約木材，保護(hù)日益緊缺的森林資源，環(huán)境效益明顯，同時(shí)可提高廢塑料再生利用的附加值，有巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。利用秸稈和廢塑料制備秸塑復(fù)合材料，將會(huì)是木塑產(chǎn)業(yè)今后發(fā)展和研究的熱點(diǎn)。