壓縮秸稈塑料在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景研究

朱 凱，劉 云，馬振宇

（蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215008）

塑料，是工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程中不可或缺的原材料。目前我國在綠色塑料研發(fā)領(lǐng)域進(jìn)程依然緩慢，在工業(yè)化生產(chǎn)中仍然以傳統(tǒng)的非綠色塑料為主，導(dǎo)致綠色設(shè)計(jì)與綠色生產(chǎn)的方針難以普及。近些年來，環(huán)境污染問題越來越受到民眾的關(guān)注，國民也逐漸意識到環(huán)境保護(hù)的重要性。在這樣的大背景下，探究利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的秸稈，通過生物技術(shù)制造出可以替代傳統(tǒng)塑料的新型塑料，正成為熱門話題。秸稈塑料的應(yīng)用，不僅可以解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中麥秸稈的處理問題，還對環(huán)境保護(hù)及綠色生產(chǎn)的落實(shí)有重要的推進(jìn)作用[1]。

1 壓縮秸稈塑料

壓縮秸稈塑料是用植物原生秸稈和有機(jī)化合材料按比例進(jìn)行混合的產(chǎn)物，其具有出色的材料性能與可降解性能。壓縮秸稈塑料可以通過原生植物的類型與混合化合物材料的類別分類。按照原生秸稈材料進(jìn)行分類包括稻壓縮秸稈塑料、小麥壓縮秸稈塑料、玉米壓縮秸稈塑料、高粱壓縮秸稈塑料和混合型植物壓縮塑料[2]。按照共混的有機(jī)化合材料的不同進(jìn)行分類，包括可降解基礎(chǔ)材料（脂肪族聚酯、聚乳酸）、不可降解基礎(chǔ)材料（PP、EPS）及天然高分子基礎(chǔ)材料（淀粉）[3]。按照基礎(chǔ)材料不同可分為可降解壓縮秸稈塑料與不可降解壓縮秸稈塑料，可降解基礎(chǔ)材料秸稈塑料中脂肪族聚酯和聚乳酸可以通過自然降解，不會對環(huán)境產(chǎn)生污染，在原料生產(chǎn)的過程中可以控制其降解的時(shí)間和效率。不可降解基礎(chǔ)材料的壓縮秸稈塑料是原生植物纖維和PP、EPS 等有機(jī)化合材料依照比例合成的復(fù)合型材料，但由于其中的PP、EPS 等化合物不可以降解，所以只能通過再生利用達(dá)到綠色環(huán)保的效果[4]。天然高分子基礎(chǔ)材料的可降解秸稈塑料完全可以通過自然降解，得益于其是由原生植物秸稈纖維和聚多糖等純天然的高分子混合而成，在廢棄后可以直接降解轉(zhuǎn)化為熱能，是最為環(huán)保的綠色材料[5]，天然高分子基礎(chǔ)材料的可降解秸稈塑料，如圖1所示。

圖1 天然高分子基礎(chǔ)材料的可降解秸稈

2 壓縮秸稈塑料的生產(chǎn)工藝

2.1 壓縮秸稈塑料產(chǎn)品的原料

壓縮秸稈塑料原料主要有麥、稻、高粱、玉米秸稈、廢草料、稻、麥殼、作物殼、根莖和再生纖維等，均來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)保原料[6]。其制造工藝是先將稻、麥和玉米等秸稈進(jìn)行物理粉碎成植物纖維束，然后與改性后的天然膠合劑混合成復(fù)合原料，如圖2所示。

圖2 秸稈原材料（系統(tǒng)）回收的一般過程

2.2 壓縮秸稈塑料產(chǎn)品主要生產(chǎn)工藝

（1）熱壓成型。對于如建筑板材、工業(yè)用板及復(fù)雜家具產(chǎn)品主要運(yùn)用熱壓成型加工工藝，這樣可以適應(yīng)大批量的生產(chǎn)[7]。

（2）注塑成型。主要面向大批量生產(chǎn)的日用品、玩具等制品，成型設(shè)備與傳統(tǒng)塑料制品相同。在注塑前期只需要對原材料進(jìn)行含水率管控，保持在0.3%以下即可進(jìn)行加工生產(chǎn)，各類塑料件可以用注塑、吹塑、吹膜、吸塑、層壓、發(fā)泡和紡絲等傳統(tǒng)成型方法進(jìn)行加工[8]。

（3）氮?dú)廨o助成型。通過氮?dú)獯禋饧庸こ鲋黧w部分，其余的結(jié)構(gòu)件采用注塑工藝，1 個(gè)模穴并行多個(gè)塑料件。由于壓縮秸稈塑料獨(dú)特的化學(xué)穩(wěn)定性，只需要在前期注意含水率即可，在后期的注塑完成后一般不會出現(xiàn)外觀缺陷的問題[9]。壓縮秸稈塑料加工相比傳統(tǒng)塑料成型方式具有顯著的技術(shù)特點(diǎn)。其同時(shí)可以按不同用途的配方要求進(jìn)行配比混合，依照物件的要求由機(jī)器成型。結(jié)構(gòu)強(qiáng)，容易組裝，各類原生物料都是由回收物組成，在生產(chǎn)過程中節(jié)約了資源同時(shí)也保護(hù)了環(huán)境，完全符合現(xiàn)在大力提倡的綠色生產(chǎn)方針。

3 壓縮秸稈塑料產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特色

3.1 壓縮秸稈塑料產(chǎn)品的環(huán)保性能

壓縮秸稈塑料作為一種新型復(fù)合材料，繼承了傳統(tǒng)塑料的性能優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在成本上更具優(yōu)勢。當(dāng)前，已經(jīng)有很多生產(chǎn)廠家把壓縮秸稈塑料實(shí)際應(yīng)用于生產(chǎn)，其中最具代表的是“名創(chuàng)優(yōu)品”“無印良品”等企業(yè)。如圖3所示，使用壓縮秸稈塑料制造的環(huán)保牙刷，壓縮秸稈塑料被設(shè)計(jì)成各類日用產(chǎn)品，受到大量消費(fèi)者的青睞，此舉不僅體現(xiàn)出企業(yè)環(huán)保的設(shè)計(jì)理念，也為環(huán)境保護(hù)作出貢獻(xiàn)[10]。壓縮秸稈塑料的原材料全部來自植物秸稈纖維、廢棄塑料等，在生產(chǎn)的過程中可以大量地減少木材、石油和煤炭等資源的開發(fā)，極大地保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，秸稈資源豐富，在利用的同時(shí)也是一種回收行為，可以有效減少大量焚燒秸稈所帶來的環(huán)境污染問題?；厥帐褂玫慕斩捓w維和塑料所制成的新型壓縮秸稈塑料對比傳統(tǒng)的塑料，不但成本低而且具有傳統(tǒng)塑料所不具備的性能優(yōu)點(diǎn)，不含對人體有害的物質(zhì)，是未來綠色材料研發(fā)的趨勢。

圖3 使用壓縮秸稈塑料制造的環(huán)保牙刷

3.2 壓縮秸稈塑料產(chǎn)品的穩(wěn)定性

壓縮秸稈塑料的加工方式簡單，物理性能優(yōu)異，由表1可知壓縮秸稈塑料的物理性能。多數(shù)壓縮秸稈塑料可以用普通的塑料成型方法加工，如PBS 塑料的加工多樣性（注塑、壓塑和吸塑等）。與普通塑料相比，壓縮秸稈塑料的機(jī)械加工性能更強(qiáng)，同時(shí)具備刨削釘?shù)忍攸c(diǎn)，可以加工出各種截面形狀的成品，制造成型后的成品外觀呈現(xiàn)自然之美，同時(shí)具備防水防油防污的特點(diǎn)[11]。其應(yīng)用范圍更廣，目前可以廣泛適用于包裝材料、日用制品、工程用料、家裝用品和裝飾用品等領(lǐng)域。

表1 壓縮秸稈塑料的物理性能

4 壓縮秸稈塑料產(chǎn)品的應(yīng)用前景

4.1 環(huán)保日用品

目前壓縮秸稈塑料制品在很多廠家已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)，各行業(yè)的生產(chǎn)與加工工藝已經(jīng)相較成熟，規(guī)?；a(chǎn)已經(jīng)大量地展開。壓縮秸稈塑料制成的日用品，具備傳統(tǒng)塑料制品的特點(diǎn)同時(shí)，又具備極強(qiáng)的可降解性，在生產(chǎn)制造、用戶使用、回收等過程中無任何污染，壓縮秸稈塑料產(chǎn)品的生命周期過程，如圖4所示。傳統(tǒng)的日用制品在廢棄后可能需要幾年甚至十幾年時(shí)間才能初步降解，由此變成了“白色污染”，而壓縮秸稈塑料在自然環(huán)境中降解只需4 個(gè)月左右，便可以通過微生物或自然腐化轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料，這些日用品在使用完畢后，還可以回收利用，也可以直接堆放在土地里進(jìn)行自然降解，實(shí)現(xiàn)了從自然中來到自然中去的目的[12]。

圖4 壓縮秸稈塑料產(chǎn)品的生命周期過程

4.2 環(huán)保包裝

21世紀(jì)以來，“白色污染”成為了人們關(guān)注的重要問題，可降解的秸稈塑料是取代傳統(tǒng)發(fā)泡型泡沫材料的一個(gè)重要途徑。目前，以“星巴克”為首的包裝依賴型企業(yè)已經(jīng)逐步推行使用環(huán)保包裝，秸稈壓縮材料所制作成的包裝、禮物袋、杯和餐具正逐步取代傳統(tǒng)塑料制品[13]，使用壓縮秸稈塑料生產(chǎn)的環(huán)保杯，如圖5所示。傳統(tǒng)的發(fā)泡型餐盒及塑料袋、尼龍袋等制品，在生產(chǎn)制造初期就會對環(huán)境產(chǎn)生大量污染，以傳統(tǒng)EVA 發(fā)泡材料為例：EVA 材料在發(fā)泡時(shí)會產(chǎn)生大量的氣體，如果不對煙塵進(jìn)行過濾，將會破壞大氣層，飄落的煙塵還對人體產(chǎn)生致癌的危害。可降解的秸稈塑料在產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程中，大大減少了有毒有害物質(zhì)的排放，因?yàn)槠浔旧淼募兲烊粚傩?，所以在產(chǎn)品制造過程中幾乎沒有污染的問題。

圖5 使用壓縮秸稈塑料生產(chǎn)的環(huán)保杯

4.3 家裝建材

早在幾千年前人類就已經(jīng)開始利用秸稈作為建筑材料，隨著新材料研發(fā)能力的提升及人們對環(huán)保意識的加強(qiáng)，秸稈作為生產(chǎn)和建筑塑料應(yīng)用再次被重視[14]。傳統(tǒng)的秸稈利用，一般作為墻體和屋面的建筑塑料。現(xiàn)在對秸稈的利用方式更加多樣，通過機(jī)加工后可以制作成模板、裝飾板等建筑材料，使用壓縮秸稈制成的裝飾板材，如圖6所示。這些秸稈建材具有無醛環(huán)保的特點(diǎn)，秸稈塑料同樣也可以制造無醛家具、環(huán)保強(qiáng)化地板和吊頂用工程塑料等。

圖6 使用壓縮秸稈制成的裝飾板材

5 基于壓縮秸稈塑料的產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)方法

5.1 材料自身屬性與人文美學(xué)相統(tǒng)一

從設(shè)計(jì)美學(xué)中看，壓縮秸稈塑料由于其自然、生態(tài)的特性，具備了傳統(tǒng)石油化工材料所無法具備的“自然美”。在產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)更多的體現(xiàn)自然、人文兩者相交互的過程，設(shè)計(jì)過程不僅要滿足產(chǎn)品本身的功能、價(jià)值、屬性和生命周期等要素，還要深刻地考慮產(chǎn)品功能以外的人文關(guān)懷、自然關(guān)懷和美學(xué)情懷等元素。壓縮秸稈塑料具有與木紋相類似的肌理與紋路，外觀上呈現(xiàn)自然的木本原色，在肌理、色彩和美學(xué)特征中保留了原生材料的特征，因而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中為保存自然生態(tài)的產(chǎn)品特性，無需過多地對產(chǎn)品進(jìn)行色彩、造型的修飾，遵循“少即是多”的設(shè)計(jì)原則。

5.2 生命周期與4R 原則相統(tǒng)一

從產(chǎn)品生命周期中看，產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的整個(gè)生命周期，從材料生產(chǎn)—制品加工—商品消費(fèi)—使用后廢棄—回收處理—再生，每個(gè)過程中產(chǎn)品都和外界自然環(huán)境進(jìn)行直接接觸與能量交換，材料自身周期過程中每個(gè)階段都和環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生著直接的聯(lián)系。產(chǎn)品的4R 原則包括了產(chǎn)品的“減量”“復(fù)用”“再生”“能源回收利用”，因而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，需要減少冗雜的多余設(shè)計(jì)，遵循“形式追隨功能”的設(shè)計(jì)原則；在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，對油漆和涂層等化學(xué)生產(chǎn)工序，以天然的染料及涂料進(jìn)行替代，平替石油化工輔料的使用從而減少“碳排放”；在產(chǎn)品包裝過程中，將包裝設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的一體化、材料的減量化、外觀的簡約化，從而減少產(chǎn)品包裝的過度使用。

5.3 產(chǎn)品適用性與層次化相統(tǒng)一

產(chǎn)品層次化是基于AHP 層次分析所衍生的設(shè)計(jì)方法，使用壓縮秸稈塑料進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮產(chǎn)品的適用性，適用性則需要更深刻地建立在用戶的層次化分析之中，實(shí)現(xiàn)兩者的有機(jī)統(tǒng)一。從產(chǎn)品功能上看，使用秸稈塑料要充分考慮用戶的人機(jī)工學(xué)特征，在產(chǎn)品適用地域、舒適感和滿足感等領(lǐng)域深入考量；從材料本身看，要充分考慮產(chǎn)品適用結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和安規(guī)，不同的結(jié)構(gòu)部件，設(shè)計(jì)適用的強(qiáng)度、載荷要符合產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)；從精神層次看，產(chǎn)品要滿足用戶的心理需求、生理需求、精神需求和文化需求，比如將“文化創(chuàng)意”融入秸稈塑料產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，可以為農(nóng)村剩余農(nóng)作物的處理提供一條新思路。

5.4 產(chǎn)品創(chuàng)新性與多元化相統(tǒng)一

產(chǎn)品的多元化屬性是指文化的多元化、人文理念的多元化和設(shè)計(jì)風(fēng)格的多元化，隨著各國多元文化的融合發(fā)展，設(shè)計(jì)文化與設(shè)計(jì)理念的概念也逐漸模糊。秸稈塑料的產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)方法所表達(dá)的是多元層次的產(chǎn)品創(chuàng)新，其不拘泥于產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)，更融合了新材料、新工藝和新技術(shù)，以內(nèi)涵提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展。在設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品的創(chuàng)新與多元化要素緊密結(jié)合，通過融入人文情感，使產(chǎn)品的精神內(nèi)涵得到了升華；通過新材料、新技術(shù)的應(yīng)用，使產(chǎn)品的功能價(jià)值、環(huán)保屬性得到了體現(xiàn)。多元化不僅體現(xiàn)在設(shè)計(jì)本身層次，更多地體現(xiàn)了產(chǎn)品“服務(wù)于人”“歸于自然”的根本理想。秸稈塑料的多元化與創(chuàng)新性的相統(tǒng)一，除了適用產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，更可以帶動其他人本生活領(lǐng)域思想的發(fā)展。

6 結(jié)束語

壓縮秸稈塑料所生產(chǎn)的產(chǎn)品比普通的塑料產(chǎn)品更為綠色環(huán)保。在生產(chǎn)上，可以通過不同的生產(chǎn)工藝達(dá)成需求，工藝上更為簡單，能源和材料消耗量更小，效率高，更少的消耗能源和合理地利用資源。在使用中，壓縮秸稈塑料制品相較于普通產(chǎn)品質(zhì)量更輕，使用過程中損壞率更低。同時(shí)，壓縮秸稈塑料強(qiáng)大的可降解性能解決塑料制品的環(huán)保問題，極大地解決了制造業(yè)廢物循環(huán)利用，延長了產(chǎn)品的生命周期，具有十分廣闊的前景。農(nóng)業(yè)秸稈的再生利用解決了大量環(huán)境問題，在未來幾十年中，隨著研發(fā)能力的不斷提升，壓縮秸稈塑料制作出的各式各樣產(chǎn)品一定會真正走入尋常百姓家，實(shí)現(xiàn)完全替代傳統(tǒng)塑料的設(shè)想。