以竹代塑、以竹治污系列竹類新產(chǎn)品的開發(fā)

戴武軍 譚益民 謝奕輝

(1 中山大學(xué) 廣州 510275；2 湖南工業(yè)大學(xué) 湖南株洲 412007； 3 廣東建中新竹材科技有限公司 廣東潮州 515638)

中國(guó)在上古時(shí)代就已開始了對(duì)竹子的使用，是世界上利用竹子最早的國(guó)家，被譽(yù)為“竹子文明的國(guó)度”。中國(guó)的竹子文明涉及文化、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)生活、生態(tài)環(huán)境等諸多領(lǐng)域。竹子對(duì)中國(guó)文化的影響起源于人們對(duì)竹子形態(tài)的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而逐步延伸至竹類用品的廣泛使用，隨著竹子應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，從“竹”字衍生出大量的竹部文字。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，竹制品涉足到人們生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，宋朝蘇東坡有云：“食者竹筍，庇者竹瓦，載者竹筏，爨者竹薪，衣者竹皮，書者竹紙，履者竹鞋，真可謂一日不可無(wú)此君也耶！”竹子在科技上的運(yùn)用，充滿了創(chuàng)造性的神奇，從原始的竹弓箭到春秋時(shí)期的拋石機(jī)、宋代的火藥箭和竹管火槍、竹漿造紙術(shù)等，在當(dāng)時(shí)都是極具科技含量的創(chuàng)新技術(shù)。

然而，隨著近代工業(yè)科技的發(fā)展和繁榮，竹子在自然農(nóng)耕時(shí)代發(fā)揮的巨大作用，開始讓位于塑料、鋼鐵、水泥、化肥農(nóng)藥等工業(yè)制造品。雖然這些工業(yè)制造品極大促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展，給人類生活帶來(lái)了很大便利，但與此同時(shí)也帶來(lái)了各種污染和危害，引起全球氣候變化，更對(duì)人類身心健康造成傷害。要破解這種巨大的副作用和反噬，最有效的方案之一就是利用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，從中國(guó)傳統(tǒng)竹材的應(yīng)用技藝中尋找科研靈感，發(fā)揮和回歸竹子的巨大生態(tài)作用。在先進(jìn)科技、生態(tài)文明時(shí)代，竹子文明將迎來(lái)再一次的輝煌。

面對(duì)當(dāng)前生態(tài)環(huán)境中的塑料污染、土地面源污染、重金屬污染和氣候變化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，以及中國(guó)擁有豐富竹資源的優(yōu)勢(shì)，本研究研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的4大系列竹類新產(chǎn)品：以竹代塑新材料、以竹治污新產(chǎn)品、竹質(zhì)能源與飼料產(chǎn)品、竹編無(wú)醛新建材。這些成果攻克了3大關(guān)鍵核心技術(shù)：智能碳化成形及碳化涂層高分子預(yù)處理技術(shù)、數(shù)控經(jīng)緯向應(yīng)力竹編技術(shù)或竹微絲自然混編技術(shù)、竹類新材料生產(chǎn)線所有廢料和副產(chǎn)品綠色循環(huán)利用技術(shù)；擁有15項(xiàng)國(guó)家專利(其中6項(xiàng)已授權(quán)，9項(xiàng)已申請(qǐng))。加快推動(dòng)這些原創(chuàng)科研成果的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，對(duì)改善生態(tài)環(huán)境及固碳減排具有重要意義。

1 以竹代塑新材料——智能碳化成形竹制品

以竹代塑新材料系列，包括：碳化復(fù)合竹編土工格柵，竹微絲復(fù)合包裝新材料(代替塑料編織袋、塑料袋)，碳化竹編基復(fù)合管(代替塑料波紋管、塑料鋼帶管)等。這些可以替代塑料的竹基新材料均是以智能碳化成形的竹材為基礎(chǔ)原料，應(yīng)用智能碳化成形及碳化涂層高分子預(yù)處理技術(shù)、數(shù)控經(jīng)緯向應(yīng)力竹編技術(shù)等核心專利技術(shù)，結(jié)合天然高分子復(fù)合劑加工而成。

竹材雖然具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，但因富含糖分、淀粉、氨基酸、蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使得竹材易腐、易蛀、易老化。對(duì)于竹材的防腐防蛀，傳統(tǒng)方法多是以化學(xué)藥泡、藥熏等化學(xué)方式進(jìn)行處理，這會(huì)使竹材自身沾染上化學(xué)藥品，其處理后的廢水、廢氣對(duì)水土、空氣也會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重污染，而且處理后的竹材防腐、防蛀、抗老化效果不均勻。研究開發(fā)的智能碳化成形及碳化涂層高分子預(yù)處理技術(shù)是對(duì)竹材進(jìn)行物理化、生態(tài)化處理，既克服了竹材化學(xué)處理存在的污染問(wèn)題，也解決了傳統(tǒng)手工碳化或半手工火爐作坊式碳化很難控制火候，且只能局部碳化、難以規(guī)?；瓦B續(xù)生產(chǎn)的問(wèn)題。該技術(shù)的突破為原有小規(guī)模的竹材加工升級(jí)、為大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化帶來(lái)了可能，使每年大量閑置浪費(fèi)的竹林資源的開發(fā)利用也有了實(shí)現(xiàn)的可能。

通過(guò)自主研制的一套智能數(shù)控碳化成形一體化設(shè)備，以創(chuàng)新設(shè)計(jì)的碳化工藝流程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)竹材碳化成形火候、濕度和時(shí)間的精密智能化控制，進(jìn)行同質(zhì)碳化，破壞了竹材的營(yíng)養(yǎng)成分，重組其官能團(tuán)半纖維素，使碳化后的竹材，既基本保留竹材原有的基本性能和形狀，又具有很好的防腐、防蛀、防開裂、抗老化、耐候、耐酸堿等性能，可使竹材保存期延長(zhǎng)至70年以上，穩(wěn)定性良好，不含有害物質(zhì)。

智能碳化成形處理后的竹材密度可達(dá)1.02 g/m3，較處理前提高10%以上，平均含水率為4.1%，24 h吸水膨脹率為0.39%，硬度為47.1 GPa，同時(shí)竹材的脫脂率達(dá)80%以上，大部分有機(jī)物已經(jīng)溢出，防蟲蛀、抗腐蝕效果好，干縮率低于5%，竹材易干不易變形。

智能碳化成形技術(shù)，既是生產(chǎn)以竹代塑系列產(chǎn)品的基礎(chǔ)技術(shù)，又可以單獨(dú)生產(chǎn)防腐、防蛀的竹材、竹片等原材料，廣泛應(yīng)用于鄉(xiāng)村振興、旅游景區(qū)的竹建筑和景觀，還可以用于國(guó)家竹材儲(chǔ)備庫(kù)[1]的竹材防腐、防蛀。

1.1 碳化復(fù)合竹編土工格柵

碳化復(fù)合竹編土工格柵(圖1左)是以智能碳化成形技術(shù)生產(chǎn)的可以替代塑料的代表性產(chǎn)品[2]。該產(chǎn)品運(yùn)用了智能碳化成形及碳化涂層高分子預(yù)處理技術(shù)、天然高分子竹編復(fù)合技術(shù)、數(shù)控縱橫向應(yīng)力竹編技術(shù)等3項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)。其成本遠(yuǎn)低于常用的塑料格柵，在耐久性、耐候性、平整度、整體承載力方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、機(jī)場(chǎng)、碼頭、水利設(shè)施的軟基處理(圖1右)，還可用于設(shè)施農(nóng)業(yè)如種養(yǎng)殖圍欄網(wǎng)、作物棚架等。該產(chǎn)品由于其耐候性、抗伸縮性能好，相對(duì)于塑料土工格柵，在高寒生態(tài)脆弱地區(qū)使用更有優(yōu)勢(shì)[3]。

圖1 碳化復(fù)合竹編土工格柵及其在工程中的應(yīng)用Fig.1 The geogrid woven by carbonized bamboo composite and its application in engineering

該產(chǎn)品已正式投產(chǎn)。目前，在廣東潮州市已設(shè)計(jì)施工的4條“四好農(nóng)村路”總長(zhǎng)度150 km，用竹編土工格柵300萬(wàn)m2。因?yàn)樵摦a(chǎn)品無(wú)毒/無(wú)污染，制造成本低廉，未來(lái)市場(chǎng)替代空間至少在400億元產(chǎn)值以上。

1.2 竹微絲復(fù)合包裝材料

竹微絲復(fù)合包裝材料是利用物理法刨絲和切絲技術(shù)或碾壓揉搓成絲技術(shù)、竹微絲編織或竹絲揉壓翻搓混編技術(shù)以及高分子粘合劑復(fù)合技術(shù)，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的竹微絲、5%～10%的可降解高分子粘合劑制備而成[4-5]。該材料可以替代塑料編織袋和塑料袋，其拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)大于PE、PVC等傳統(tǒng)塑料包裝材料。

竹微絲復(fù)合包裝材料具有綠色環(huán)保、可降解的優(yōu)點(diǎn)，可被加工成日常使用的包裝袋、飯盒、水杯等產(chǎn)品，還可用于紡織業(yè)、建筑材料、軍工、醫(yī)療，以及汽車、火車、高鐵、飛機(jī)、航天器的內(nèi)飾板材等領(lǐng)域，能有效降低塑料的使用量。隨著電商、快遞和外賣等新業(yè)態(tài)的發(fā)展，塑料餐盒、塑料包裝等消耗量快速上升。如果用竹微絲復(fù)合包裝材料制作的編織袋來(lái)代替快遞行業(yè)每年使用的塑料包裝袋，僅此一項(xiàng)就會(huì)大大減少塑料對(duì)環(huán)境與水土造成的污染。

1.3 碳化竹編基復(fù)合管

碳化竹編基復(fù)合管是以碳化成形竹編+竹絲竹片廢料、沙(海沙)石、高分子復(fù)合劑、水泥等為原料，采用碳化成形竹編防腐、防蛀及加強(qiáng)技術(shù)、加強(qiáng)復(fù)合混凝及抗海沙技術(shù)、無(wú)醛高分子粘合劑技術(shù)等復(fù)合混凝制備而成(圖2)。

注：a) 碳化成形竹編基體；b)碳化竹編基復(fù)合管結(jié)構(gòu)；c) 碳化竹編基復(fù)合管產(chǎn)品。圖2 碳化竹編基復(fù)合管Fig.2 The composite pipe woven by carbonized bamboo

當(dāng)前國(guó)內(nèi)工程中的塑料管使用量達(dá)1 760萬(wàn)t，塑料產(chǎn)品制造消耗石化原料，其資源日益減少，價(jià)格日益提高，且難以降解，易老化，在老化過(guò)程中會(huì)不斷釋放微塑粒，成為嚴(yán)重的水土污染源。碳化竹編基復(fù)合管可以代替塑料波紋管和塑料鋼帶管，廣泛用于市政給水、排水、排污，以及工業(yè)及農(nóng)田水利管道設(shè)施，多項(xiàng)性能優(yōu)于相應(yīng)的塑料管，并且成本低。該產(chǎn)品已投入生產(chǎn)。

2 以竹治污新產(chǎn)品——復(fù)合竹瀝竹碳素土壤改良產(chǎn)品

復(fù)合竹瀝竹碳素土壤改良產(chǎn)品是利用以竹代塑竹類新材料生產(chǎn)線的下腳料、副產(chǎn)品及城鄉(xiāng)分類廚余垃圾、農(nóng)業(yè)種養(yǎng)殖廢棄物、秸稈等為原料，采用3項(xiàng)核心技術(shù)(復(fù)合碳技術(shù)、竹瀝多糖提取融合技術(shù)、綜合去毒增效技術(shù))，以物理、生物學(xué)方法制造生產(chǎn)，可用于改良、治理嚴(yán)重板結(jié)及重金屬污染的土壤。

復(fù)合竹瀝竹碳素土壤改良產(chǎn)品具有獨(dú)特的復(fù)合碳優(yōu)勢(shì)(含碳量≥40%)，不僅能夠改良土壤，還可顯著提升土壤有機(jī)肥力和肥效。與市場(chǎng)同類產(chǎn)品相比，改良土壤效果好，成本低，對(duì)于推動(dòng)全國(guó)土壤有機(jī)化改良，確保農(nóng)業(yè)安全、糧食安全和鄉(xiāng)村振興具有重要意義。根據(jù)預(yù)測(cè)，該產(chǎn)品未來(lái)市場(chǎng)空間極大，產(chǎn)值潛能在6 000億元以上。該產(chǎn)品已投入生產(chǎn)。

3 竹質(zhì)能源與飼料產(chǎn)品

利用以竹代塑新材料產(chǎn)品及復(fù)合竹瀝竹碳素產(chǎn)品生產(chǎn)線的副產(chǎn)品還可以生產(chǎn)生物質(zhì)能源產(chǎn)品和動(dòng)物飼料，從而減少化石能源及糧食消耗。

3.1 竹質(zhì)能源

竹材的平均燃燒熱值達(dá)19 331.2 J/g[6]，高于多數(shù)草本植物，是綠色生物質(zhì)能源的優(yōu)質(zhì)原料，以竹發(fā)電、以竹制氫對(duì)環(huán)境污染少，發(fā)電穩(wěn)定，熱解后的竹瀝竹碳，經(jīng)生物復(fù)合加工后具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

竹材加工后的廢料資源化利用，在熱解、干餾制取復(fù)合竹瀝竹碳素中產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品：一氧化碳、甲醇、甲烷等可燃?xì)?，采用特定的設(shè)備收集、提煉，生產(chǎn)制備出“竹氣”新能源，可代替汽油、柴油，用于氫能汽車、甲醇汽車等，生產(chǎn)工藝流程如圖3。目前，第1臺(tái)生物質(zhì)“竹氣”發(fā)電廠正籌建中。

圖3 竹質(zhì)能源生產(chǎn)工藝流程Fig.3 The production process of bamboo energy

3.2 復(fù)合竹瀝竹屑動(dòng)物飼料

竹子本身富含生物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，利用以竹代塑等生產(chǎn)線的副產(chǎn)品、下腳料(如竹瀝、竹屑、竹葉等)進(jìn)行生物學(xué)反應(yīng)可以制取復(fù)合竹瀝竹屑動(dòng)物飼料。

該產(chǎn)品屬綠色循環(huán)產(chǎn)品，適用于雞、鴨、兔、牛、羊的有機(jī)養(yǎng)殖及作為寵物貓、狗的食糧，也適用喂食野豬、黑豬。產(chǎn)品配方科學(xué)，醇香可口，富含動(dòng)物所需的生物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)及多種增強(qiáng)免疫力的成分，抗菌、抗病毒，促進(jìn)腸道健康，是代替玉米等糧食的優(yōu)質(zhì)竹類飼料。目前，該產(chǎn)品生產(chǎn)線正在建設(shè)中。

4 竹編無(wú)醛建材

竹編無(wú)醛建材以碳化成形技術(shù)改善耦合相容性，將竹纖維、竹絲或細(xì)薄竹片與高分子材料復(fù)合，利用竹材縱向拉伸強(qiáng)度高[7]的特點(diǎn)，通過(guò)二維編織或多維立體編織，形成縱橫向或立體的無(wú)應(yīng)力缺陷基體，以綠色無(wú)醛增強(qiáng)高分子材料為輔助劑(其柔性面則用熱塑性彈性體作為輔助劑)，復(fù)合生產(chǎn)出可柔可剛、有顏色層壓、有硅酸鹽和阻燃礦物質(zhì)添加的新型生物質(zhì)建筑、裝修和家具用材料，可用于裝配式建筑、軍用或抗震搶險(xiǎn)用拼裝式房屋、新型竹家具、裝修材料等，還可用于風(fēng)電葉片。

該產(chǎn)品以天然竹材為原料，充分利用傳統(tǒng)竹編的力學(xué)原理，通過(guò)智能碳化成形，在竹纖維表面形成了特殊堅(jiān)硬微孔粒層，降低了竹纖維的生物質(zhì)極性，顯著改善了竹纖維與非極性高分子復(fù)合物質(zhì)的界面相容性、浸潤(rùn)性，碳化成形改性后的竹纖維，與高分子輔料合成后，其拉伸強(qiáng)度也有提高。該產(chǎn)品不但在力學(xué)性能方面滿足新型建材和風(fēng)電葉片的標(biāo)準(zhǔn)，而且無(wú)甲醛污染、可降解、可循環(huán)、成本低廉。產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

5 竹類新產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化前景

1) 竹類新材料科研成果的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，對(duì)于固碳除碳助力碳中和潛力巨大。竹子是高固碳植物，具有速生成材、一次種植多次收獲、越收獲生長(zhǎng)越好的特點(diǎn)。全球有竹林面積約3 200多萬(wàn)hm2，資源極為豐富。中國(guó)是世界上竹資源最豐富的國(guó)家，竹林面積為641萬(wàn)hm2[8]，約占全球總量的20%。大力推動(dòng)先進(jìn)竹材技術(shù)，發(fā)展新型竹產(chǎn)業(yè)，將帶來(lái)竹林資源的巨量利用，經(jīng)過(guò)砍伐之后又快速生長(zhǎng)的竹林，可以對(duì)空氣中的二氧化碳進(jìn)行新一輪的大量吸收固定。同時(shí)，大規(guī)模使用竹新材料制品替代塑料、鋼鐵等產(chǎn)品，可大幅度減少碳排放，如果能大力發(fā)展“以竹發(fā)電”，用甲醇替代汽油柴油，其減排效果將更加巨大，從而有助于我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2) 竹類新材料科研成果的產(chǎn)業(yè)化屬于新型生態(tài)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，將為經(jīng)濟(jì)發(fā)展開辟新增長(zhǎng)點(diǎn)。以竹代塑、以竹治污產(chǎn)業(yè)是當(dāng)前國(guó)家急需實(shí)施的生態(tài)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，更是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)內(nèi)循環(huán)的重要撬動(dòng)點(diǎn)。利用竹材先進(jìn)技術(shù)的突破，大力發(fā)展生態(tài)產(chǎn)業(yè)，不僅可以帶來(lái)更大的GDP新增長(zhǎng)點(diǎn)，而且可以更好地踐行“綠水青山就是金山銀山”“依托豐富的竹子資源和良好的生態(tài)環(huán)境，變自然資源為經(jīng)濟(jì)資源”的理念，真正實(shí)現(xiàn)“發(fā)展竹產(chǎn)業(yè)，將竹林成為美麗鄉(xiāng)村的一道風(fēng)景線”的宏偉藍(lán)圖。同時(shí)，中國(guó)竹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，也將惠及世界上其他產(chǎn)竹國(guó)，特別是“一帶一路”國(guó)家，從而有力促進(jìn)人類命運(yùn)共同體的融合締造。