加快發(fā)展竹纏繞復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)助力實現(xiàn)碳達峰碳中和

高紅

一、概述

中國是世界上主要的產(chǎn)竹國，素有“竹子王國”之譽。全國竹林面積641萬公頃，立竹數(shù)量超過280億株，竹材總蓄積量約5億噸。在碳達峰碳中和的背景下，竹產(chǎn)業(yè)以新型的復(fù)合材料和固碳能力，展現(xiàn)在人們面前。

竹纏繞復(fù)合材料以竹材為基材、以樹脂為膠黏劑，采用無應(yīng)力缺陷的纏繞工藝加工而成。充分發(fā)揮了竹材軸向拉伸強度高、彈性模量大的特點，具有重量輕，強度高、絕緣性和耐腐蝕性好、使用壽命長等特點。竹纏繞復(fù)合材料制成的管道、管廊、房屋等產(chǎn)品，可廣泛應(yīng)用于城市給排水、農(nóng)田灌溉、水利輸送、城市管廊、新農(nóng)村建設(shè)等領(lǐng)域，有效減少鋼鐵、水泥、塑料等高耗能產(chǎn)品的需求量。完全自主創(chuàng)新，技術(shù)水平國際領(lǐng)先。

竹纏繞復(fù)合材料具有優(yōu)良的技術(shù)指標，測試表明，在埋地1米深、地面車載90噸的情況下，竹纏繞管廊最大豎向變形量不到1%，遠低于3%的控制標準;在管道形變超過30%時，抗壓強度還可以繼續(xù)上升，彎曲強度保留率為108.4%，彎曲彈性模量保留率為112.4%;國家農(nóng)業(yè)灌排設(shè)備監(jiān)督檢驗中心對竹纏繞復(fù)合管進行1萬小時靜水壓試驗，竹纏繞復(fù)合管在正常件下，使用壽命可達50年以上。加拿大國家林產(chǎn)品創(chuàng)新研究院對竹纏繞復(fù)合材料進行加速老化試驗，表明竹纏繞復(fù)合材料在自然條件下使用56年后，強度保留率為74%。

竹纏繞復(fù)合材料的生產(chǎn)全過程能耗和碳排放均要明顯小于鋼筋混凝土產(chǎn)品，以壓力等級為0.6兆帕、管徑為1000毫米的管道為例，能耗僅為54.9千克標準煤/米。分別比焊接鋼管、塑料管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、鋼筋混凝土排水管節(jié)能77.6%、64.2%、77.3%、38.3%、32.2%。

二、竹纏繞復(fù)合材料的市場應(yīng)用潛力寬廣

近年來的發(fā)展，竹纏繞復(fù)合材料技術(shù)的產(chǎn)品定位更加明確，產(chǎn)品包括竹纏繞復(fù)合管、竹纏繞管廊、竹纏繞高鐵車廂、竹纏繞房屋、竹纏繞廁所、竹纏繞軍工產(chǎn)品等六個系列。其中，竹纏繞復(fù)合管和竹纏繞管廊已經(jīng)進入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段，其余4種產(chǎn)品已經(jīng)研制成功，取得突破性進展。

（一）竹纏繞復(fù)合管

竹纏繞復(fù)合管是首款研制成功并開展工程應(yīng)用的竹纏繞產(chǎn)品，主要包括三層結(jié)構(gòu)，沿管徑方向，由內(nèi)到外依次為內(nèi)襯層、增強層和外防護層，三者由不同的材料組成，發(fā)揮不同的作用。內(nèi)襯層采用防腐性能優(yōu)異且符合食品安全標準的樹脂和竹纖維無紡布、竹針織氈制成，防滲且內(nèi)壁光滑;增強層由竹篾、生物填料和氨基樹脂制成;外防護層一般采用防水防腐性能較好的樹脂和防輻射填料制成。竹纏繞復(fù)合管的生產(chǎn)工藝主要包括竹材加工、氨基樹脂生產(chǎn)、內(nèi)襯制作、增強層纏繞、加熱固化、修整脫模、外防護層涂刷等流程。

與焊接鋼管、塑料管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管等傳統(tǒng)管道相比，竹纏繞復(fù)合管具有明顯的性能優(yōu)勢、施工優(yōu)勢和價格優(yōu)勢。性能方面，竹纏繞復(fù)合管使用壽命長、保溫性能突出、糙率系數(shù)低、水流性能佳、抗震性能好、防滲性能好等優(yōu)異性能，符合生活飲用水輸配水設(shè)備安全性評價標準，具備最優(yōu)化的縱向和環(huán)向力學(xué)性能，可廣泛應(yīng)用于水利輸送、農(nóng)田節(jié)水灌溉、城市給排水等管道運輸行業(yè)。竹纏繞復(fù)合管在安裝施工過程，管道鋪設(shè)接頭少，運輸方便，施工效率高，勞動強度和技術(shù)要求低，不需要特別的墊土層。

（二）竹纏繞管廊

竹纏繞管廊是在城市綜合地下管廊大規(guī)模建設(shè)的背景下開始研制的。2017年，5米直徑的竹纏繞管廊研制成功;2020年7月，我國首根8米直徑的竹纏繞管廊研制成功，并達到世界領(lǐng)先水平。

竹纏繞管廊也是以竹篾、生物填料為基體材料、樹脂為膠黏劑，采用纏繞工藝制作而成，具有防火耐水、抗震抗沉降能力強、初始力學(xué)性能好、穩(wěn)定性高、使用壽命長、綜合造價低、施工安裝方便等優(yōu)勢，實現(xiàn)了資源可再生、節(jié)能低碳。與鋼筋混凝土管廊相比，竹纏繞管廊的工程施工周期僅為其30%，綜合成本僅為其70%—80%。完全可代替鋼筋混凝土制作的管廊。

（三）竹纏繞房屋

竹纏繞房屋也是竹纏繞產(chǎn)品之一。2017年10月，世界上第一款竹纏繞整體組合式房屋研制成功。除整體組合式房屋外，竹纏繞房屋還包括新時代農(nóng)居、單體公寓等類型。

竹纏繞房屋是以竹材為基體材料、秸稈為填充材料、樹脂為膠黏劑，采用纏繞工藝制作而成，具有資源可再生、節(jié)能低碳、抗震、保溫、隔音、防火、建造速度極快等優(yōu)勢，可取代目前使用鋼筋、水泥建設(shè)的房屋。最終將實現(xiàn)今后農(nóng)村建房中不再使用鋼筋、水泥、磚頭和瓦片的目標。

竹纏繞房屋的建造流程包括主體纏繞、房屋起吊、房屋運輸、房屋組裝、光伏安裝五個環(huán)節(jié)。其中，主體纏繞是以每間房屋為單位在工廠中進行整體纏繞成型、裝修、放置家具。房屋運輸也是每間房屋整體運輸。在現(xiàn)場進行組裝時，200平方米的二層房屋一般只需2—4小時即可組裝好。

（四）竹纏繞高鐵車廂

2017年6月，竹纏繞高鐵車廂樣品研制成功。竹纏繞高鐵車廂具有資源可再生、低碳環(huán)保、質(zhì)輕、抗震、保溫、隔音、防火、安全性好、綜合成本低等優(yōu)勢，符合國家提出的發(fā)展綠色、輕量化交通的要求。由于竹纏繞復(fù)合材料具有吸收緩沖撞擊力的天然屬性，車廂在受到極限外力的情況下，能減少乘客受到?jīng)_撞力，減少事故的傷亡率，可極大提高高鐵在極端情況下的安全性能。目前，竹纏繞高鐵車廂正在進行全面測試。

三、產(chǎn)業(yè)基地擴大

2015年7月，首個年產(chǎn)2萬噸管道的生產(chǎn)單元在湖北襄陽建成投產(chǎn)，開創(chuàng)了林產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的先河;山東、內(nèi)蒙古、廣西、福建、河南、重慶等地也陸續(xù)建設(shè)了竹纏繞生產(chǎn)基地，產(chǎn)業(yè)化基地不斷擴大。截至目前，竹纏繞產(chǎn)業(yè)已有7個產(chǎn)業(yè)化基地先后建成投產(chǎn)，建設(shè)投資4.5億元，年產(chǎn)能11萬噸。全部達產(chǎn)后產(chǎn)值預(yù)計可達到16.5億元。

同時，河南、湖北、湖南、四川等地有4個竹纏繞生產(chǎn)基地正在建設(shè)過程中，建設(shè)投資總計4.7億元，預(yù)期產(chǎn)能為10萬噸，預(yù)期產(chǎn)值為15億元。

國內(nèi)另有9個生產(chǎn)基地已經(jīng)簽約，分別位于浙江、貴州、陜西、廣西、四川（2個）、山東、江蘇、重慶8個省市，預(yù)期投資為11.7億元，預(yù)期產(chǎn)能26萬噸，預(yù)期產(chǎn)值39億元。為了擴展海外市場，國內(nèi)竹纏繞相關(guān)企業(yè)與菲律賓、緬甸、尼泊爾也分別開展合作，目前已簽約3個國際項目。

具有一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化基地是一個產(chǎn)業(yè)發(fā)展成熟的基本條件。另外一項條件是原料供應(yīng)基本保障。全國竹材總蓄積量超過5億噸，每年可砍伐量約1.5億噸。而當前竹材每年砍伐消耗量僅4000萬噸。顯而易見，國內(nèi)豐富的竹資源為竹纏繞產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了較為充足的原材料。從地區(qū)分布來看，中國竹資源主要集中在福建、江西、浙江、湖南、四川等地，5個地區(qū)的竹林面積約451.4萬公頃，占全國竹林面積的70%。為了保證原料供應(yīng)，竹纏繞產(chǎn)業(yè)將在南方部分有竹省份建立數(shù)百個竹材加工基地，向竹纏繞產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)供應(yīng)竹材500萬噸。

四、竹纏繞產(chǎn)業(yè)具有顯著的減碳固碳與社會經(jīng)濟效益

一是顯著經(jīng)濟效益，竹纏繞復(fù)合管使用竹材作為增強層材料，并以樹脂為膠黏劑，每噸竹纏繞復(fù)合管可以相應(yīng)產(chǎn)出1.1萬元的產(chǎn)值，和9000元的輔產(chǎn)品產(chǎn)值。以當前技術(shù)最成熟、工業(yè)化應(yīng)用最多的竹纏繞復(fù)合管為例，當竹纏繞復(fù)合管分別替代焊接鋼管、塑料管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、鋼筋混凝土排水管五種傳統(tǒng)管道75%的產(chǎn)量時，僅投資2280億元，竹纏繞復(fù)合管產(chǎn)量將達到3800萬噸，消耗竹材1.1億噸，產(chǎn)值可實現(xiàn)7600億元，形成減碳固碳總量1.54億噸二氧化碳。

城市排水管網(wǎng)領(lǐng)域現(xiàn)有73.5萬公里排水管，如果全部用竹纏繞復(fù)合管進行更新，消耗8900萬噸竹材，可以創(chuàng)造1.78萬億元的竹纏繞復(fù)合管的產(chǎn)值。同時竹材培育、竹篾加工、管道生產(chǎn)三個環(huán)節(jié)，共增收3740億元。

在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域，如果全部采用竹纏繞復(fù)合管，建設(shè)2億畝高標準農(nóng)田所需的120萬公里農(nóng)業(yè)灌溉管道，需求1400萬噸竹纏繞復(fù)合管的生產(chǎn)，可以創(chuàng)造2800億元的產(chǎn)值，竹材培育、竹篾加工、管道生產(chǎn)三個環(huán)節(jié)共可增收600億元。

二是竹纏繞復(fù)合材料的應(yīng)用有助于減少高耗能產(chǎn)業(yè)比重，加速產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，不僅是實現(xiàn)碳減排與碳中和的重要抓手，還是緩解能源安全問題與環(huán)境問題的重要途徑。竹纏繞復(fù)合材料的應(yīng)用可充分發(fā)揮基礎(chǔ)材料的作用，有助于促進國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，保證新基建的高質(zhì)量推進，推動制造強國戰(zhàn)略的實施。

三是減碳固碳，發(fā)展竹纏繞產(chǎn)業(yè)是實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵舉措。在當前化石能源消費占比仍高達85%的情況下，竹纏繞產(chǎn)品替代高耗能產(chǎn)品產(chǎn)生的節(jié)能效益可形成顯著的減碳效益。除以上分析之外，竹林的固碳能力遠超普通林木，是杉木的1.46倍，熱帶雨林的1.33倍。每年可實現(xiàn)減碳1.97億噸、固碳1.05億噸，減碳固碳總量達到3.02億噸，約占2019年中國碳排放總量的3.1%，對實現(xiàn)碳達峰碳中和具有重要推動作用。

五、竹纏繞產(chǎn)業(yè)的展望

（一）社會影響力不斷提高

早在2014年，竹纏繞復(fù)合壓力管就已通過國家林業(yè)和草原局的科技成果鑒定，該成果達到國際領(lǐng)先水平。2015年以來，竹纏繞復(fù)合材料技術(shù)陸續(xù)被列入水利部、國家發(fā)展和改革委員會、國家林業(yè)和草原局、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、科學(xué)技術(shù)部、工業(yè)和信息化部等部委發(fā)布的相關(guān)技術(shù)目錄中，并被評為全國建設(shè)行業(yè)科技成果推廣項目、綠色建筑節(jié)能推薦產(chǎn)品、工程建設(shè)推薦產(chǎn)品;來自政府部門與社會各界的廣泛肯定，強化了竹纏繞復(fù)合材料技術(shù)的品牌效應(yīng)，對技術(shù)推廣起到了重要的推動作用。

（二）壯大自主創(chuàng)新力量，推動制造強國戰(zhàn)略的實施

竹纏繞復(fù)合材料是中國制造的首創(chuàng)新材料，完全自主創(chuàng)新，是真正的中國制造。截至2020年，累計專利250余項，其中發(fā)明專利45項，國際專利14項。形成1項國家標準、2項行業(yè)標準、1項團體標準，質(zhì)量控制體系初步建立。分別成立了國家林業(yè)和草原局竹纏繞復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心與國家林業(yè)和草原局推進竹纏繞產(chǎn)業(yè)發(fā)展領(lǐng)導(dǎo)小組，機構(gòu)建設(shè)不斷完善。壯大了中國自主創(chuàng)新力量，將成為中國實施制造強國戰(zhàn)略、實現(xiàn)制造強國目標的重要推動力量。

（三）發(fā)揮基礎(chǔ)材料的作用，促進國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展

新材料研發(fā)與應(yīng)用。作為一種新型生物基材料，竹纏繞復(fù)合材料以天然竹材為基材，具有原料可再生、能源消耗低、環(huán)境污染少、碳排放少等特點，充分發(fā)揮了生物基材料的優(yōu)勢，避免了鋼鐵、水泥、塑料等傳統(tǒng)材料帶來的高能耗、高排放問題，在城市給排水、農(nóng)田水利、城市管廊、鄉(xiāng)村振興等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，中國仍有1.1億噸閑置竹資源，若將其全部生產(chǎn)化，生產(chǎn)竹纏繞復(fù)合管等產(chǎn)品，竹纏繞復(fù)合管年產(chǎn)量增加31.8萬千米，實現(xiàn)年產(chǎn)值為7600億元，可形成4600萬噸標準煤的節(jié)能能力，減排二氧化碳1.18億噸，可形成固碳量3600萬噸，減碳固碳總量1.54億噸。因此，新型竹纏繞復(fù)合材料應(yīng)用前景遠大，可期待大力發(fā)展。

（作者單位：國家節(jié)能中心）