生物基復(fù)合材料在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品中的應(yīng)用與前景

王琪 李波濤

摘要：為使生物基復(fù)合材料進(jìn)一步參與工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品制作中，文章對(duì)其原料現(xiàn)狀、國(guó)家相關(guān)政策以及國(guó)際動(dòng)態(tài)并以現(xiàn)有市面產(chǎn)品進(jìn)行分析。工業(yè)設(shè)計(jì)正處在一個(gè)全球關(guān)注，國(guó)家推進(jìn)時(shí)代。面對(duì)世界性能源與環(huán)境問(wèn)題，促使產(chǎn)品選材親近用戶與自然，生物基復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。有著綠色環(huán)保概念的生物基復(fù)合材料是設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)真正綠色理念為數(shù)不多的一類素材。因此全球工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域、國(guó)家層面、設(shè)計(jì)企業(yè)都在以不同的方式推動(dòng)著生物基復(fù)合材料在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：生物基復(fù)合材料 綠色環(huán)保 國(guó)家政策 工業(yè)產(chǎn)品材料應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TB47

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2019）02-0137-03

引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，面對(duì)能源危機(jī)以及全球氣候變暖，人們?cè)谑澜绶秶鷥?nèi)興起了對(duì)生物基復(fù)合材料的研究與利用，力求通過(guò)減少塑料等這一類以石油副產(chǎn)物為原料制造的材料對(duì)環(huán)境的傷害，大力改善和保護(hù)環(huán)境，同時(shí)加快綠色生活的發(fā)展速度。隨著社會(huì)的發(fā)展和人類精神文明的進(jìn)步，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求不僅僅停留在滿足生理需求的這一層面，更多的是對(duì)生活質(zhì)量的需求和人與環(huán)境的互動(dòng)。這就要求人們生活中的使用品和生活格調(diào)要與自然有著天然的親近感，因此，人們將研究方向轉(zhuǎn)于被大自然所親近和接受的材料——生物基復(fù)合材料。現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)也應(yīng)當(dāng)不同于以往的設(shè)計(jì)，需要添加的因子是要跟隨時(shí)代和消費(fèi)者以及國(guó)家發(fā)展訴求的。設(shè)計(jì)師不僅要考慮造型本身的成本，也要考慮使用，材料的社會(huì)成本，以及后續(xù)回收成本和產(chǎn)品壽命殆盡被拋棄到自然中，自然界為此付出的“代價(jià)成本”;所以以生物為主要原料的新型復(fù)合材料以其天然的優(yōu)勢(shì)，將會(huì)成為未來(lái)產(chǎn)品材料應(yīng)用領(lǐng)域的“新生代主力軍”。

一、什么是生物基復(fù)合材料

由于人類對(duì)自然過(guò)度開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致石油等資源逐漸枯竭，而以其為原材料生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品在自然環(huán)境中很難在短時(shí)間內(nèi)分解，焚燒又會(huì)加劇溫室效應(yīng)。因此隨著人類對(duì)環(huán)境和能源關(guān)注度的提高，生物基漸漸走入人們的視野。

什么是生物基？目前應(yīng)用最廣的是除去糧食和其他主要作物產(chǎn)品后所剩余的木質(zhì)纖維素類農(nóng)林廢棄物，比如小麥秸稈。廣義性地講生物基原材料可以取用于自然界中動(dòng)、植物甚至微生物等可再生資源。什么是生物基復(fù)合材料（如圖1）所示？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是生物基+，即通過(guò)特殊的加工工藝實(shí)現(xiàn)與其他材料的復(fù)合再造，加工出滿足人類不同層次需求的一類新材料。按照生物基原材料的加工方式，可分兩種：一種是不經(jīng)過(guò)化學(xué)等工藝處理的天然高分子生物基復(fù)合材料;一種是經(jīng)過(guò)生化等技術(shù)手段先將生物基材料轉(zhuǎn)化為低分子量的化合物單體，再實(shí)現(xiàn)向新材料的轉(zhuǎn)化的合成高分子生物基復(fù)合材料[1]。生物基復(fù)合材料的使用將大幅度減少對(duì)石油的開(kāi)采加工，降低對(duì)環(huán)境中不可再生資源的使用率，同時(shí)增加環(huán)境保護(hù)力度，實(shí)現(xiàn)環(huán)境和資源的同步可持續(xù)發(fā)展。到目前為止，關(guān)于生物基復(fù)合材料的明確性使用標(biāo)準(zhǔn)仍較模糊，但它仍是目前有最大可能取代石油化工材料、促進(jìn)資源可持續(xù)發(fā)展的新興材料之一。

二、生物基復(fù)合原料的國(guó)內(nèi)關(guān)注與重視

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2017年全國(guó)塑料制品行業(yè)匯總統(tǒng)計(jì)企業(yè)累計(jì)完成產(chǎn)量75155.4kt，同比增長(zhǎng)3.44%。但是，隨著國(guó)家環(huán)境保護(hù)力度的加大，部分企業(yè)由于生產(chǎn)過(guò)程中的污染問(wèn)題被迫關(guān)停整改，小型企業(yè)的生存空間不斷壓縮[2]。因此，減少石油的開(kāi)發(fā)利用、塑料制品的生產(chǎn)加工，就必須找到一種能夠與自然和諧相處并可以代替部分塑料制品在生活中的角色的新型材料。

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，上世紀(jì)70年代以前我國(guó)農(nóng)業(yè)主產(chǎn)地區(qū)，農(nóng)業(yè)稻殼秸稈等副產(chǎn)物常用來(lái)作為日常燃料和家畜飼料。由于技術(shù)的相對(duì)落后，農(nóng)作物產(chǎn)量相對(duì)不足，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量也很難達(dá)到人們的使用需求。隨著科技經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，農(nóng)作物的種植培育技術(shù)得以提升，各種作物產(chǎn)量也在增加，隨之產(chǎn)生的秸稈等農(nóng)作物纖維類產(chǎn)品產(chǎn)量也在大幅度提升[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年全國(guó)秸稈理論資源量為10.4億噸，但實(shí)際得到有效利用的只有7.2億噸?，F(xiàn)階段我國(guó)雖然已經(jīng)出臺(tái)了一系列對(duì)秸稈稻殼的處理規(guī)定，但是由于運(yùn)輸成本和回收利潤(rùn)的問(wèn)題，大多仍采用私下焚燒或拋棄路邊，造成火災(zāi)和資源浪費(fèi)。

21世紀(jì)以來(lái)，不管是國(guó)家層面還是社會(huì)層面，各方都在關(guān)注環(huán)境能源問(wèn)題。“十一五”期間我國(guó)提出了“生物基材料高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)”?！罢雇濉毕盗袌?bào)告會(huì)提出“全面實(shí)施精準(zhǔn)扶貧、精準(zhǔn)脫貧方略、堅(jiān)決打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)”，“以改善環(huán)境質(zhì)量為核心補(bǔ)齊生態(tài)環(huán)境突出短板”的報(bào)告。如果把作物副產(chǎn)品作為扶貧中的一項(xiàng)內(nèi)容，不僅能夠引導(dǎo)人們保護(hù)環(huán)境節(jié)約資源，還可以通過(guò)回收秸稈等產(chǎn)物提高收入。將由此類作物制造設(shè)計(jì)的產(chǎn)品回放到千家萬(wàn)戶的生活中，在提高生活質(zhì)量的同時(shí)也提升了人們對(duì)環(huán)保的認(rèn)識(shí)，從源頭上解決了資源的浪費(fèi)和處理問(wèn)題。生物基材料是中國(guó)近期新興材料之一，也是“十三五規(guī)劃”中明確提出的重點(diǎn)研發(fā)材料之一?！瓣P(guān)于編制‘十三五秸稈綜合利用實(shí)施方案的指導(dǎo)意見(jiàn)”中明確提到，鼓勵(lì)以秸稈為原料生產(chǎn)餐具、板材、復(fù)合材料等產(chǎn)品，提高秸稈產(chǎn)業(yè)化利用水平，推廣秸稈代木、秸稈生物基等產(chǎn)品[4]。此外，黨的十九大報(bào)告中，新時(shí)代堅(jiān)持和發(fā)展中國(guó)特色社會(huì)主義基本方略中明確指出要“堅(jiān)持人與自然和諧共生”，把“生態(tài)文明建設(shè)”歸入中國(guó)特色社會(huì)主義“五位一體”總體布局和“四個(gè)全面”戰(zhàn)略布局中——“我們要建設(shè)的現(xiàn)代化是人與自然和諧共生的現(xiàn)代化，既要?jiǎng)?chuàng)造更多物質(zhì)財(cái)富和精神財(cái)富以滿足人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要，也要提供更多優(yōu)質(zhì)生態(tài)產(chǎn)品以滿足人民日益增長(zhǎng)的優(yōu)美生態(tài)環(huán)境需要”。

這些政策表明我國(guó)對(duì)以生物基為主要原料的材料利用的重視。綠色生態(tài)、環(huán)境友好型產(chǎn)品無(wú)疑將會(huì)成為未來(lái)工業(yè)產(chǎn)品領(lǐng)域的主力軍，這不僅滿足我國(guó)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的政策要求，也是順應(yīng)自然和人類發(fā)展規(guī)律的。我國(guó)林木資源短缺，農(nóng)作物秸稈、竹材、野生植物莖稈以及木質(zhì)廢棄物的再加工循環(huán)利用，縮減了我國(guó)每年伐木量和進(jìn)口原材料費(fèi)用。充分利用綠色資源給予人們所不斷追求的健康生活環(huán)境。

三、生物基復(fù)合材料的國(guó)際國(guó)內(nèi)發(fā)展形式

邁進(jìn)21世紀(jì)，全球十分注重生物質(zhì)材料的開(kāi)發(fā)與利用。世界普遍關(guān)注的科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)之一就是新型材料的研究發(fā)展。在木材吃緊的狀態(tài)下，有必要研發(fā)出一系列綠色高性能、多功能的新材料，為工業(yè)設(shè)計(jì)行業(yè)提供產(chǎn)品設(shè)計(jì)的無(wú)限可能。

美國(guó)能源部助理部長(zhǎng)安迪·卡斯納（Andy Karsner）在出席2015年“可再生能源金融論壇”被采訪時(shí)提到，美國(guó)已經(jīng)加大了秸稈綜合回收利用的研發(fā)力度，極力推動(dòng)可再生能源事業(yè)的發(fā)展。國(guó)外相關(guān)企業(yè)如美國(guó)Nature Works公司旗下品牌Ingeo推出的Inge0 3801X生物塑料，以優(yōu)良的耐高溫抗沖擊性能以及友好的加工成型優(yōu)勢(shì)可廣泛應(yīng)用到玩具、辦公、美妝等產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域[5]。

在國(guó)內(nèi)，由中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所和DT高分子在線主辦的2017國(guó)際生物基材料技術(shù)與應(yīng)用論壇搭建了一個(gè)高水平的國(guó)際性交流平臺(tái)，聚集全球力量研發(fā)生物基材料以應(yīng)用到全球各個(gè)生活工作領(lǐng)域，推動(dòng)新材料新產(chǎn)品的健康發(fā)展。

四、生物基復(fù)合材料在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及前景

國(guó)家“十二五”規(guī)劃綱要明確指出，要“加快發(fā)展研發(fā)設(shè)計(jì)業(yè)，促進(jìn)工業(yè)設(shè)計(jì)從外觀設(shè)計(jì)向高端綜合設(shè)計(jì)服務(wù)轉(zhuǎn)變”，我國(guó)工業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)歷史跨越性時(shí)期。生物基復(fù)合材料作為新興的一種環(huán)境友好型材料正在一步步從研究領(lǐng)域走人大眾生活，而這種潮流是無(wú)法阻擋的。

（一）工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的新型3D打印材料

作為一種快速成型技術(shù)，3D打印以數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)通過(guò)使用粉末狀金屬或者塑料等可黏結(jié)性材料將預(yù)設(shè)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)逐層打印制造出產(chǎn)品。作為工業(yè)設(shè)計(jì)的模型制造或成品制造，3D打印技術(shù)的工藝在不斷發(fā)展。3D打印材料很多，各種塑料、木質(zhì)、金屬粉末、光敏樹(shù)脂、陶瓷、食材等。隨著綠色環(huán)保的推進(jìn)，2015年12月14日，東北林業(yè)大學(xué)舉辦“農(nóng)林業(yè)廢棄物3D打印材料全國(guó)媒體介紹會(huì)”，會(huì)上重點(diǎn)介紹了本校機(jī)電工程學(xué)院郭艷玲教授研發(fā)的以農(nóng)林廢棄物粉末為原料經(jīng)過(guò)復(fù)合加工制備出的新型3D激光打印材料[6]。這種材料利用田間廢棄的秸稈稻殼等廢料制備，東北稻米較多就近取材，減少了運(yùn)輸成本;制作過(guò)程少污染、耗能少;制作出來(lái)的材料在一些性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的打印材料。

在工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師往往會(huì)通過(guò)結(jié)構(gòu)模型和3D打印手板來(lái)推敲產(chǎn)品的外觀和結(jié)構(gòu)。這些過(guò)程中的成本費(fèi)用最后是通過(guò)銷售價(jià)格抵消的。而此種新型打印材料取材于田間廢棄物，成本低;對(duì)于生產(chǎn)地來(lái)說(shuō)，就地取材，運(yùn)輸成本低，極大縮減了成本開(kāi)支。在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，有些產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)3D打印成品，隨著3D新材料的應(yīng)用以及技術(shù)的發(fā)展，使用此類材料實(shí)現(xiàn)對(duì)日常用品的生產(chǎn)將會(huì)極大地降低成本讓利消費(fèi)者，以達(dá)到綠色生活的追求。

（二）工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的小麥秸稈+

近年來(lái)不斷出現(xiàn)在人們視野的小麥秸稈+食品級(jí)PP材料的生活用品（如圖4、5）所示，以其綠色環(huán)保、自然麥香、可降解的優(yōu)異性能被越來(lái)越多的消費(fèi)者所接受，并以產(chǎn)品覆蓋類型多元化的趨勢(shì)迅猛發(fā)展?，F(xiàn)在市面上很多以小麥秸稈作為宣傳點(diǎn)的生活用品，如牙杯、餐具、砧板等都是以綠色環(huán)保健康為最大的銷售點(diǎn)。

小麥秸稈+食品級(jí)PP其實(shí)是谷物纖維復(fù)合材料的一種，這類材料通過(guò)對(duì)天然植物纖維稻殼秸稈加工并加入高分子樹(shù)脂PP復(fù)合成型。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，谷物纖維復(fù)合材料依賴于本身的化學(xué)可降解性能已經(jīng)滿足了現(xiàn)代設(shè)計(jì)和生活的綠色要求。此外，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)有時(shí)會(huì)傾向于使用產(chǎn)品所選材料本身的紋理來(lái)作為對(duì)產(chǎn)品的裝飾，而谷物纖維系列的復(fù)合材料除了有耐熱、硬度高、易成型的特點(diǎn)外，在材料表面有些秸稈顆粒的紋理，在設(shè)計(jì)時(shí)，這種紋理可以直接為設(shè)計(jì)師所采用而不需要特殊處理;這些紋理顆粒在經(jīng)過(guò)處理后還可以達(dá)到只有近距離才可見(jiàn)的效果;所以，谷物纖維復(fù)合材料在生活類工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品中的使用會(huì)隨著加工成型技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展而不斷深入。

（三）工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的咖啡渣+

咖啡是世界三大飲品之一，世界咖啡生產(chǎn)量巨大，每年制作咖啡的廢棄物也很多?？Х榷乖谘心ブ袝?huì)產(chǎn)生大量咖啡渣，這些廢料大多被扔掉。曾有一位哥倫比亞咖啡研磨師洛克賽·肖卡利用咖啡渣建造了一座房子。他使用咖啡渣與綠色環(huán)保的PS粉混合物通過(guò)特殊的材料加工工藝制作出復(fù)合材料，并取名為咖啡渣復(fù)合物。在加工材料的過(guò)程中由于材料本身的特性不使用膠水釘子也不會(huì)產(chǎn)生甲醛，非常符合綠色理念。隨后經(jīng)過(guò)研究發(fā)展，他利用此材料建造了一棟堅(jiān)固的樣品房[7]。由此，咖啡渣的應(yīng)用研究不斷發(fā)展。2018年德國(guó)紅點(diǎn)獎(jiǎng)，最佳產(chǎn)品設(shè)計(jì)獎(jiǎng)——啡渣回收杯，由柏林Kaffeeform公司設(shè)計(jì)制作。利用咖啡渣、山毛櫸木材料的特殊平衡比例混合咖啡渣木質(zhì)顆粒、木質(zhì)素制作了可回收利用的杯子。由于原材料以咖啡渣為主，這種材料本身具有深色棕櫚木視覺(jué)效果，并且有怡人的咖啡味道[8]。

咖啡殼是一種與普通木質(zhì)材料成分不同的木材，對(duì)高溫環(huán)境敏感，在加工過(guò)程中充分考慮到加工工藝可以制備出滿足需求的咖啡渣復(fù)合材料。目前世界對(duì)新材料的研發(fā)非常關(guān)注，因此，作為日常用品的廢棄物，咖啡殼渣以其客觀的纖維素和半纖維素以及天然的清香味道將會(huì)在工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的材料選擇中占有一定比重[9]?，F(xiàn)在市面上也已經(jīng)存在此種復(fù)合材料，隨著技術(shù)的發(fā)展和精進(jìn)將會(huì)出現(xiàn)性能更完美的咖啡渣復(fù)合材料。

（四）工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的竹纖維+

竹子，草本植物，種類繁多，生長(zhǎng)速度快。我國(guó)是竹的原產(chǎn)地，資源豐富。其實(shí)竹子在古代就已經(jīng)應(yīng)用在產(chǎn)品中了：世界上最古老的自來(lái)水管就是用竹子做的，竹造紙?jiān)缭?世紀(jì)德州農(nóng)已經(jīng)存在了。隨著認(rèn)了文明的進(jìn)步，竹子的用途越來(lái)越多，建筑、家居等。在現(xiàn)代的工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品中，竹子的使用也不再是最初的烘干壓制編制。

竹纏繞技術(shù)[10]，借助于竹材柔韌特點(diǎn)以剖削的一定規(guī)格竹皮為最小單元纏繞制備出生物基復(fù)合材料。使用這種技術(shù)制作的復(fù)合壓力管性能優(yōu)良，非常符合我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展要求?？蓮V泛應(yīng)用在城市交通建設(shè)，并有望應(yīng)用在航空等領(lǐng)域;竹纖維復(fù)合材料，在現(xiàn)在的市場(chǎng)上已經(jīng)可以看到很多工業(yè)產(chǎn)品，通過(guò)對(duì)各類竹子通過(guò)纖維提取并加入復(fù)合物制作出表面光滑帶有竹紋和自然竹香的復(fù)合材料。用于家居和辦公等各場(chǎng)所的產(chǎn)品，以其環(huán)境友好型和裝飾功能受到越來(lái)越多的青睞。

各種植物類生物基復(fù)合新材料正在以不可阻擋的勢(shì)頭迅猛發(fā)展。

總結(jié)

處在世界性焦點(diǎn)的現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，機(jī)遇與挑戰(zhàn)同在。隨著世界資源的構(gòu)架變化，人類不可能無(wú)休止向自然索取。綠色健康的可持續(xù)發(fā)展是歷史總結(jié)也是歷史必然，現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)在其中扮演的角色也是不可或缺的。這就要求在設(shè)計(jì)中充分將用戶和自然與產(chǎn)品“友好”結(jié)合，設(shè)計(jì)行業(yè)的服務(wù)人員也要緊跟時(shí)代發(fā)展方向，不僅要做到對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)在使用材料方面更要注重與使用者和環(huán)境的互動(dòng)關(guān)系。綠色環(huán)保的生物基復(fù)合材料的使用是緩解能源危機(jī)的重要環(huán)節(jié)，是相應(yīng)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略和國(guó)際呼吁的必然選擇，更重要的是滿足人類綠色健康生活的需求。作為優(yōu)質(zhì)健康的材料，給用戶良好的使用體驗(yàn)，向用戶傳達(dá)綠色健康的設(shè)計(jì)理念和生活方式，引導(dǎo)人們通過(guò)自身的消費(fèi)和選擇為國(guó)家發(fā)展和全球性環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)。以生物基為主要原材料的復(fù)合材料將會(huì)以迅猛的速度席卷全球工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，并“進(jìn)入尋常百姓家”。

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