“以竹代塑”低碳理念下生態(tài)產(chǎn)品竹纖維餐盒的優(yōu)化設(shè)計(jì)

宋怡琪 劉 嬌 柴瑤婕 竇 營

(浙江外國語學(xué)院 杭州 310000)

隨著塑料制品在日常生活中被廣泛應(yīng)用，塑料污染問題也逐漸暴露在大眾面前。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署2021年發(fā)布的報(bào)告顯示，1950—2017年全球累計(jì)生產(chǎn)92億t塑料制品，其中約有70億t成了塑料垃圾，而這些塑料垃圾的回收率不足10%[1]。未被回收的塑料不僅影響生態(tài)環(huán)境，還影響了碳循環(huán)，加快了溫室效應(yīng)；溫室效應(yīng)又會(huì)導(dǎo)致一系列環(huán)境問題。2020年9月我國明確提出2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”目標(biāo)，表明控制碳排放已上升為國家戰(zhàn)略。因此，解決改變碳循環(huán)的塑料污染問題已變得更為重要。竹子作為可再生的自然資源，因其獨(dú)特的材料屬性成為替代木材和塑料的最佳選擇。

竹類植物生長迅速，資源充裕，一次性種植可長久利用，是理想的生物質(zhì)資源。目前全球竹林面積約為3 200萬hm2，中國竹林面積為701萬hm2。竹材可加工成建筑、家居、裝飾、日用品等多種產(chǎn)品，是低碳、可再生、可循環(huán)利用的優(yōu)質(zhì)材料，也是耐用型塑料的理想替代品。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，塑料包裝是當(dāng)今世界塑料工業(yè)中用量最大的領(lǐng)域，占塑料總消費(fèi)量的25%左右，其中食品塑料包裝具有較大的可替代潛力和消費(fèi)市場?；诖耍疚囊灾窭w維餐盒的概念設(shè)計(jì)為案例，展開對(duì)替代塑料產(chǎn)品的研究與實(shí)踐探索，創(chuàng)新創(chuàng)意利用目前的竹加工技術(shù)和工藝，進(jìn)行竹纖維餐盒的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并從產(chǎn)品性能和環(huán)保效益方面闡述產(chǎn)品特色與優(yōu)勢，并最終歸納“以竹代塑”助力“雙碳”目標(biāo)的邏輯理路，以期展示竹子在減塑消費(fèi)和綠色發(fā)展中的突出優(yōu)勢，推進(jìn)“以竹代塑”理念的市場推廣和消費(fèi)普及，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)提升和減碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1 設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

1.1 低碳經(jīng)濟(jì)理論

“低碳經(jīng)濟(jì)”最早見諸于政府文件是在2003年的英國能源白皮書《我們能源的未來：創(chuàng)建低碳經(jīng)濟(jì)》。在此之前，20世紀(jì)90年代初加拿大生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)家提出生態(tài)足跡理論，用以衡量自然資源與人類經(jīng)濟(jì)發(fā)展的互補(bǔ)關(guān)系。后又有學(xué)者提出環(huán)境庫茲涅茨曲線假說(EKC)，認(rèn)為大多數(shù)污染物的變化趨勢與人均國民收入變動(dòng)趨勢之間呈現(xiàn)倒U形關(guān)系；也有學(xué)者提出“脫鉤”理論，用來分析經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源消耗之間的相應(yīng)關(guān)系；此外，還有“城市礦山”理論等，這些理論都為低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展初步奠定了理論基礎(chǔ)。

所謂“低碳經(jīng)濟(jì)”是指通過技術(shù)創(chuàng)新、制度創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和新能源開發(fā)等多種方式，盡可能減少高碳能源的消耗，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)雙贏的一種良性平衡的發(fā)展形態(tài)。低碳經(jīng)濟(jì)具有3大特點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性、動(dòng)態(tài)性，即在保持經(jīng)濟(jì)以一定速度發(fā)展的前提下，通過各種技術(shù)手段減少碳排放[2]，進(jìn)一步有效融合創(chuàng)新技術(shù)和創(chuàng)新機(jī)制，倡導(dǎo)低碳生活方式和低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，進(jìn)而促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。在“雙碳”目標(biāo)引領(lǐng)下，倡導(dǎo)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，有效地減少碳排放，改善生態(tài)環(huán)境，對(duì)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康發(fā)展具有重要意義。

1.2 產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)理論

產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)是將綜合預(yù)防污染和節(jié)約資源的理念用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，以開發(fā)環(huán)境友好的、經(jīng)濟(jì)可行的、可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)品體系。綠色設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)是節(jié)約資源、預(yù)防污染、保持環(huán)境、維持生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展，以支撐長期的、有活力的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。因而在產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)中就必須引入新的思想和方法：其一是從“以人為中心”的產(chǎn)品設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向既考慮人的需求，又考慮生態(tài)系統(tǒng)安全的綠色設(shè)計(jì)；其二是從產(chǎn)品開發(fā)概念階段，就引進(jìn)生態(tài)環(huán)境變量，并與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)因子如成本、質(zhì)量、技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)有效性等進(jìn)行綜合考慮。

將綠色設(shè)計(jì)思想引入產(chǎn)品設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)領(lǐng)域觀念的一次重大變革。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法開展了多維度的研究與應(yīng)用。Justel等[3]從TRIZ進(jìn)化理論的角度提出產(chǎn)品可拆卸的設(shè)計(jì)方法[4]；任新宇等[5]提出產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)的3個(gè)具體特征，即環(huán)境友好特性、功能的全生命周期化和創(chuàng)新的價(jià)值理念；楊錦隴[6]從技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的角度考慮綠色產(chǎn)品的設(shè)計(jì)問題，提出基于TRIZ理論的產(chǎn)品綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，解決綠色設(shè)計(jì)整個(gè)過程中遇到的突出問題。

低碳創(chuàng)新設(shè)計(jì)緊密貼合產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)理論，凸顯低碳環(huán)保、節(jié)能減排理念，是一種更具積極性、主動(dòng)性和環(huán)境友好性的設(shè)計(jì)方式。隨著低碳設(shè)計(jì)理念的日益普及，產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)將成為產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計(jì)的主要發(fā)展趨勢。在生態(tài)產(chǎn)品竹纖維餐盒設(shè)計(jì)中要堅(jiān)持低碳環(huán)保理念，充分利用先進(jìn)科學(xué)與工藝技術(shù)，提高竹資源利用率，以減輕對(duì)環(huán)境的污染，推行低碳消費(fèi)。

2 竹纖維餐盒優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于“以竹代塑”理念，本文提出了一種將甘蔗渣和竹原纖維混合用于生產(chǎn)食品包裝餐盒產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，其效果圖如圖1(參考圖片來源于伊德威爾一次性餐盒產(chǎn)品)，并為該產(chǎn)品設(shè)計(jì)了標(biāo)識(shí)(logo)(圖2)。這款竹纖維餐盒可作為塑料餐盒的替代品，體現(xiàn)了資源節(jié)約和清潔生產(chǎn)的理念。制糖工業(yè)中的剩余物甘蔗渣可安全地用于食品領(lǐng)域；竹子的天然材性優(yōu)勢結(jié)合簡單預(yù)處理，可以制備優(yōu)勢突出的竹纖維原料。因此，竹纖維餐盒采取了一種混合纖維策略，即將長竹纖維與短甘蔗纖維混合形成豐富的物理交織，使竹纖維餐盒具有食品容器所需的優(yōu)異性能，包括高拉伸強(qiáng)度、優(yōu)異的油穩(wěn)定性、疏水性和低重金屬含量等。同時(shí)，竹纖維餐盒在自然條件下可在60 d內(nèi)生物降解，顯著少于合成塑料的降解時(shí)間。此外，與用聚苯乙烯生產(chǎn)餐盒產(chǎn)品相比，生產(chǎn)竹纖維餐盒產(chǎn)生的二氧化碳排放量要少得多。因此，該款產(chǎn)品可作為塑料食品包裝的替代品，為解決目前因過度使用塑料而造成的嚴(yán)重“白色污染”問題開辟了新途徑。

圖1 竹纖維餐盒效果圖Fig.1 The rendering of bamboo fiber lunch box

圖2 竹纖維餐盒l(wèi)ogoFig.2 The logo of bamboo fiber lunch box

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)特色與助力“雙碳”目標(biāo)的邏輯理路

基于“以竹代塑”低碳理念設(shè)計(jì)的竹纖維餐盒，具有環(huán)境友好、低成本、可生物降解等突出優(yōu)勢，其設(shè)計(jì)特色體現(xiàn)在技術(shù)特異化、產(chǎn)品功能化、設(shè)計(jì)新穎化以及加工極致化等方面，是助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的生動(dòng)實(shí)踐。

3.1 技術(shù)特異化

竹材具有強(qiáng)度大、韌性好、培育周期短的優(yōu)點(diǎn)。竹纖維長1～4 mm，微纖絲角較小，長細(xì)比大，具有良好的機(jī)械性能[7]。竹材的抗拉強(qiáng)度是木材的2倍，抗壓強(qiáng)度也略高于木材。竹纖維的戊糖及木質(zhì)素含量較高，易于高溫模壓形成挺度高、耐滲性強(qiáng)、耐久性好的環(huán)保竹纖維復(fù)合材料。該款竹纖維餐盒，能夠較為充分地發(fā)揮竹子的材性特點(diǎn)，與聚苯乙烯系列塑料餐盒相比具有較高的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量。竹纖維餐盒采用了纖維雜交策略，將長竹纖維與短甘蔗渣纖維混合，交織形成緊密相互作用的網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步增強(qiáng)了衍生的最終產(chǎn)品的機(jī)械性能，使其可以滿足高承載能力和在潮濕環(huán)境中運(yùn)輸安全的要求。因此，在竹產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，應(yīng)利用竹材強(qiáng)度大、韌性好、梯度變化等特點(diǎn)的纏繞、編織與深度模壓等創(chuàng)新技術(shù)，研發(fā)出區(qū)別于木材的高附加值產(chǎn)品[8]。

3.2 產(chǎn)品功能化

耐油性和耐水性是衡量食品餐具質(zhì)量的2個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。紙漿餐盒優(yōu)異的耐水性和耐油性的機(jī)理在于紙漿中添加的烷基烯酮二聚體(AKD)。AKD的活性基團(tuán)(內(nèi)酯基)可以與纖維素的伯羥基通過酯化反應(yīng)形成β-羰基酯鍵；同時(shí)，疏水基團(tuán)(長鏈烷基)轉(zhuǎn)向背離纖維素表面，以賦予纖維素“拒液性”。因此，在竹產(chǎn)品設(shè)計(jì)中要針對(duì)竹材天然生物質(zhì)材料特點(diǎn)，進(jìn)行防水、防霉、防裂、防變色、阻燃等的功能化改良，從而利用竹質(zhì)材料設(shè)計(jì)開發(fā)出滿足日常需要的多功能新產(chǎn)品。可以通過環(huán)保水性涂料改性強(qiáng)化阻水性能并與疏水物質(zhì)的結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械穩(wěn)定性較高、耐久性較好的防水效果，還可以通過防水處理提高竹材尺寸穩(wěn)定性以及用低分子樹脂充脹等方法實(shí)現(xiàn)防裂。

3.3 設(shè)計(jì)新穎化

在中國源遠(yuǎn)流長的文化史上，從竹簡到竹紙，竹子在文化發(fā)展史上的地位始終不可撼動(dòng)，對(duì)保存人類知識(shí)、形成中華民族積厚流光的歷史文化發(fā)揮了重要作用。隨著時(shí)間的推移，竹子已滲透到人們物質(zhì)和精神生活的方方面面，積淀成具有中國特色的竹文化。而今在新時(shí)代背景下，竹子的生態(tài)效益也越來越受到重視，開展竹林生態(tài)旅游，接受竹文化熏陶，已成為當(dāng)今人們生態(tài)文化需求的重要內(nèi)容。在竹產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，依照傳統(tǒng)竹文化、現(xiàn)代美學(xué)及用戶個(gè)性化需求，融入竹材天然紋理、色澤、氣味、多節(jié)結(jié)構(gòu)等特性，開展符合人體功效學(xué)的竹質(zhì)日用品、家居產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過材料的質(zhì)感、性能、紋理、色彩、構(gòu)成等要素產(chǎn)生的“肌理”構(gòu)筑成型，發(fā)揮高柔韌性和環(huán)保優(yōu)勢，可開發(fā)出高曲率、多層次組合與仿生學(xué)的精美新產(chǎn)品[9]。

3.4 加工極致化

竹材半纖維素含量高，非結(jié)晶區(qū)大，打漿過程“潤脹效果”明顯；細(xì)胞壁由寬窄相間的十幾個(gè)亞層交替形成，更易產(chǎn)生內(nèi)帚化現(xiàn)象，打漿過程的優(yōu)化有利于提升餐盒的交織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升其挺度和耐滲性能。竹纖維天然的材性優(yōu)勢結(jié)合亞硫酸鈉、蒸汽爆破等簡單的預(yù)處理方式，可制備性能優(yōu)異的竹纖維餐盒原料。在模制紙漿制造的熱壓過程中，作為天然粘合劑，剩余的木質(zhì)素可以增強(qiáng)不同組分之間的結(jié)合和微纖維之間的氫鍵。同時(shí)，紙漿中的殘余木質(zhì)素和纖維表面改性可能有助于紙漿模塑產(chǎn)品的耐水性和挺度。因此，要?jiǎng)?chuàng)新竹纖維環(huán)保餐容器功能化設(shè)計(jì)與自動(dòng)化、智能化加工技術(shù)，研發(fā)可控降解竹纖維餐盒新材料。在微觀水平上，將傳統(tǒng)竹產(chǎn)品品質(zhì)、加工精細(xì)化程度與穩(wěn)定性做到極致；在元素利用上，將竹材纖維與薄壁細(xì)胞、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等組分精準(zhǔn)利用到極致。

3.5 助力“雙碳”目標(biāo)的邏輯理路

竹纖維餐盒的設(shè)計(jì)是助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的一次生動(dòng)實(shí)踐。在“以竹代塑”理念引領(lǐng)下的生態(tài)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與推廣，為代塑、降污、減排提供了基于自然的竹子解決方案，引導(dǎo)了竹產(chǎn)品科技創(chuàng)新、拓展應(yīng)用領(lǐng)域的協(xié)同行動(dòng)路徑，并推動(dòng)進(jìn)一步打造高附加值、優(yōu)質(zhì)竹產(chǎn)品有效供給體系，充分發(fā)揮生態(tài)產(chǎn)品“固碳增匯”的功能?！耙灾翊堋碑a(chǎn)品的研發(fā)不斷推動(dòng)增長動(dòng)能的轉(zhuǎn)換、高新技術(shù)的更迭和綠色消費(fèi)的升級(jí)，助推“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)(圖3)。

圖3 “以竹代塑”助力“雙碳”目標(biāo)的邏輯理路Fig.3 The inner logic of “bamboo as a substitute for plastic” helping “double carbon” goal

4 應(yīng)用前景與展望

通過代塑產(chǎn)品竹纖維餐盒的設(shè)計(jì)分析不難發(fā)現(xiàn)，在全球禁塑、限塑的背景下，竹子在破解塑料污染問題、推進(jìn)節(jié)能減排、應(yīng)對(duì)氣候變化方面具有巨大潛力和突出優(yōu)勢。相比于塑料餐盒，以“竹纖維+甘蔗渣”為原料制備的竹纖維餐盒具有顯著的資源、材性和環(huán)保優(yōu)勢，在替代塑料制品上具有巨大可行性。除了制作碗、盤、打包盒、餐碟等日用品外，其應(yīng)用領(lǐng)域還將進(jìn)一步拓展，有著巨大的消費(fèi)市場和發(fā)展前景。未來隨著竹材利用技術(shù)和工藝手段的更新迭代，“以竹代塑”的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)變得越來越廣，在生產(chǎn)與生活、各行各業(yè)的賦能也將越來越強(qiáng)。同時(shí)，竹類新材料科研成果的產(chǎn)業(yè)化作為新型生態(tài)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，也將為經(jīng)濟(jì)發(fā)展開辟新的增長點(diǎn)。

發(fā)展是人類社會(huì)的永恒主題?；诘吞祭砟畹摹耙灾翊堋鄙鷳B(tài)產(chǎn)品的有效供給，為實(shí)現(xiàn)我國“雙碳”目標(biāo)提供了減塑、代塑的竹子解決方案，引導(dǎo)了高值化、優(yōu)質(zhì)竹生態(tài)產(chǎn)品科技創(chuàng)新、多元領(lǐng)域應(yīng)用的行動(dòng)路徑，并且有力促進(jìn)了增長動(dòng)能轉(zhuǎn)換、高新技術(shù)更迭、綠色消費(fèi)升級(jí)，形成了闡述代塑生態(tài)產(chǎn)品研發(fā)實(shí)踐中“以竹代塑”理念與“雙碳”目標(biāo)之間價(jià)值契合、行動(dòng)統(tǒng)一與科技賦能的邏輯理路?！耙灾翊堋背h被納入全球發(fā)展高層對(duì)話會(huì)成果清單，是“以竹代塑”的一個(gè)新起點(diǎn)，隨著完善政策支持、提升科技水平、加大市場推廣等一系列舉措的逐項(xiàng)落地[10]，“以竹代塑”也將在國家倡議、企業(yè)行動(dòng)和公民支持下，推動(dòng)人們改變生活方式、改善環(huán)境，推動(dòng)建成一個(gè)低碳和綠色的社會(huì)。