葉 柃 焦 健
(1 國(guó)家林業(yè)和草原局竹纏繞復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心杭州 311253;2 中國(guó)能源研究會(huì)能效與投資評(píng)估專業(yè)委員會(huì)北京 100053)
材料是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)進(jìn)步和國(guó)防安全的物質(zhì)基礎(chǔ),是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)和提升裝備制造業(yè)的保證,也是發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)的先導(dǎo),歷來(lái)都被各國(guó)視為提高產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。中國(guó)經(jīng)過(guò)40 余年的改革開(kāi)放,已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)材料大國(guó),許多基礎(chǔ)材料的產(chǎn)能已居全球之冠,新材料產(chǎn)業(yè)的重要性也在不斷提升。然而,中國(guó)材料產(chǎn)業(yè)與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大差距。實(shí)現(xiàn)材料大國(guó)向材料強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變,將是未來(lái)中國(guó)材料產(chǎn)業(yè)最重要的目標(biāo)之一。
隨著石油資源的日漸趨緊以及環(huán)保壓力的不斷增加,生物能源產(chǎn)業(yè)和生物制造產(chǎn)業(yè)逐漸成為全球發(fā)展的熱點(diǎn)。作為全球戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),生物制造以其資源可再生、能源消耗低、環(huán)境污染少等特有屬性,成為支撐未來(lái)全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。作為生物制造的基礎(chǔ),生物基材料主要來(lái)源于植物,較石油基材料減少了二氧化碳排放,緩解了人類對(duì)石油的依賴,同時(shí)生產(chǎn)過(guò)程更加綠色、更加環(huán)保。生物基材料有助于解決全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所面臨的資源和能源短缺以及環(huán)境污染等問(wèn)題,是當(dāng)今世界新材料發(fā)展的重點(diǎn),逐漸成為引領(lǐng)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技創(chuàng)新的又一新興主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。
近年來(lái),中國(guó)生物基材料行業(yè)正以每年20%以上的速度增長(zhǎng),產(chǎn)品種類和市場(chǎng)不斷擴(kuò)大[1],為制造業(yè)發(fā)展提供了必要的生產(chǎn)原料。在“中國(guó)制造2025” 中,生物基材料和納米材料被一同納入新材料前沿研究領(lǐng)域,在“十三五” 國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃中,也明確提出要?jiǎng)?chuàng)制生物基材料等農(nóng)業(yè)生物制品并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。“十四五” 作為實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)的新起點(diǎn),也為生物基材料的發(fā)展提供了新機(jī)遇。生物基材料的發(fā)展不僅有助于中國(guó)實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)國(guó)的目標(biāo),同時(shí)將有效提升中國(guó)制造業(yè)的綠色化水平。
竹纏繞復(fù)合材料作為中國(guó)制造的全球首創(chuàng)新材料,是以天然竹材為基材,以樹(shù)脂為膠黏劑,采用纏繞工藝加工成型的新型生物基材料,可替代鋼材、水泥、金屬、塑料、木材等傳統(tǒng)基礎(chǔ)性工業(yè)材料,廣泛應(yīng)用于管道、管廊、容器、大型儲(chǔ)罐、房屋、運(yùn)輸工具殼體(高鐵車廂、飛機(jī)機(jī)身、船只)、軍工裝備等產(chǎn)品制造,對(duì)推動(dòng)傳統(tǒng)行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展,促進(jìn)中國(guó)向世界材料強(qiáng)國(guó)邁進(jìn),以及人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展意義重大[2]。
竹子是一種優(yōu)質(zhì)的天然材料,具有生長(zhǎng)速度快、再生能力強(qiáng)的特點(diǎn)。竹子是世界上生長(zhǎng)最快的植物之一,3~5 年即可成材,并且一次栽培可永續(xù)利用。竹稈中的維管只有管束而沒(méi)有形成層,因而新竹長(zhǎng)成抽枝展葉后,竹子的體積不再隨著年齡的增加而增大。毛竹林出筍成竹一般大小年明顯,大年大量發(fā)筍成竹,次年(小年) 主要是換葉生鞭,出筍少,甚至不出筍,2 年為一周期交錯(cuò)進(jìn)行??茖W(xué)合理地采伐竹子不但不會(huì)破壞竹林,還能調(diào)節(jié)竹林結(jié)構(gòu),提高竹林質(zhì)量,改善立地條件,促進(jìn)竹林穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn),充分發(fā)揮竹林的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益[2-3]。
有別于其他植物,竹子具有優(yōu)異的軸向拉伸強(qiáng)度和柔韌性,這也是竹子能生產(chǎn)各種竹纏繞復(fù)合產(chǎn)品的關(guān)鍵原因。從結(jié)構(gòu)上看,竹子由韌皮部、導(dǎo)管、纖維及基本組織薄壁細(xì)胞構(gòu)成,竹青至竹黃的維管束密度的梯度變化形成漸變組織結(jié)構(gòu),同時(shí)竹子具有多孔結(jié)構(gòu)。這種漸變組織結(jié)構(gòu)和多孔多級(jí)結(jié)構(gòu)有利于竹材的彎曲形變,使得竹材具有很好的柔韌性和軸向拉伸強(qiáng)度。4 年生毛竹單根纖維拉伸強(qiáng)度高達(dá)1 710 MPa,比30 年生杉木晚材單根纖維的拉伸強(qiáng)度(1258 MPa) 高36%,比洋麻 (1 019 MPa)和苧麻(1 001 MPa) 高70%左右;4 年生毛竹單根纖維的彈性模量為 27.1 GPa,遠(yuǎn)高于苧麻(11.4 GPa),比30 年生杉木晚材(19.9 GPa) 要高36%,與洋麻相差不大(30.8 GPa)。同時(shí),竹子的多孔結(jié)構(gòu)也使竹產(chǎn)品具有良好的耐寒與保溫性能。
竹資源分布非常廣泛。全世界有竹類植物88 屬1 642 種,總面積約3 200 萬(wàn)hm2[4],分為亞洲太平洋竹區(qū)、美洲竹區(qū)、非洲竹區(qū)3 大竹區(qū)。其中,亞太竹區(qū)是世界上最大的竹區(qū),竹林面積和竹種資源分別約占世界總量的45%和80%。中國(guó)是世界上最主要的產(chǎn)竹國(guó),竹類資源、竹林面積、竹材蓄積和產(chǎn)量均居世界首位。目前,中國(guó)竹材年產(chǎn)量約為4 000萬(wàn)t,僅占竹林可砍伐量的1/4 左右,每年約有1.1 億t 竹材未被開(kāi)發(fā)利用,中國(guó)竹資源尚屬于閑置資源,可利用空間巨大[2,5]。
竹纏繞復(fù)合材料由浙江鑫宙竹基復(fù)合材料科技有限公司和國(guó)際竹藤中心研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)10 余年攻關(guān)研制而成。該材料是將竹子剖成篾并作為基材,以樹(shù)脂為膠黏劑,采用纏繞工藝加工成型的一種生物基復(fù)合材料。竹纏繞復(fù)合材料保持了竹子原有的物理特性,充分發(fā)揮了竹子軸向拉伸強(qiáng)度高和柔韌性好的天然優(yōu)勢(shì),將竹材的軸向拉伸強(qiáng)度應(yīng)用至最大化,并在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中形成無(wú)應(yīng)力缺陷分布。
竹纏繞復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、綜合造價(jià)低、承壓能力強(qiáng)、保溫性能突出、抗震和抗沉降能力強(qiáng)、綠色環(huán)保、節(jié)能低碳等特點(diǎn),可替代鋼材、塑料、水泥等傳統(tǒng)材料,廣泛應(yīng)用于城建、市政、交通、水利、航空、國(guó)防等領(lǐng)域,大幅減少了不可再生材料的使用。作為一種新型的生物基復(fù)合材料,竹纏繞復(fù)合材料是中國(guó)自主研發(fā)、具有獨(dú)立完整知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型生物基材料,改變了人類對(duì)竹子應(yīng)用的傳統(tǒng)認(rèn)知。目前,竹纏繞復(fù)合材料可用于生產(chǎn)管道、管廊、高鐵車廂、房屋等產(chǎn)品,初步建立了標(biāo)準(zhǔn)體系,并獲得社會(huì)廣泛認(rèn)可,已經(jīng)基本具備產(chǎn)業(yè)化推廣基礎(chǔ)。
竹纏繞復(fù)合材料可生產(chǎn)制造成管道、管廊、高鐵車廂、房屋、飛機(jī)機(jī)身、大型儲(chǔ)罐等產(chǎn)品,對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。目前,竹纏繞復(fù)合管、竹纏繞管廊、竹纏繞整體組合式房屋已進(jìn)入推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化階段[2]。
竹纏繞復(fù)合管是中國(guó)唯一的原創(chuàng)性管道,于2007 年成功研發(fā),2009 年在浙江、安徽工程中成功試用,并通過(guò)省級(jí)新產(chǎn)品鑒定。2013 年在國(guó)家水利部的組織下,竹纏繞復(fù)合管在新疆、浙江、黑龍江3 種不同氣候環(huán)境下進(jìn)行了示范應(yīng)用,獲得成功。從2015 年7 月開(kāi)始,在全國(guó)各地陸續(xù)建成了竹纏繞復(fù)合管生產(chǎn)基地,如今已在湖北襄陽(yáng)、山東臨沂、內(nèi)蒙古烏海、廣西玉林、福建龍巖、河南南陽(yáng)分別建成投產(chǎn)年產(chǎn)萬(wàn)噸竹纏繞復(fù)合管生產(chǎn)基地,為竹纏繞復(fù)合材料項(xiàng)目在全國(guó)范圍內(nèi)的產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。
竹纏繞復(fù)合管是世界第一根可工業(yè)化生產(chǎn)的生物基管道,可替代由水泥、金屬、塑料和玻璃鋼等材料制成的傳統(tǒng)管道。由美國(guó)北德克薩斯州大學(xué)進(jìn)行的“竹纏繞與聚氯乙烯(PVC) 給水管生命周期評(píng)估比較” 結(jié)果顯示,與聚氯乙烯管相比,給水系統(tǒng)使用竹纏繞復(fù)合管的累計(jì)能源需求明顯下降,全球氣候變暖可能性、酸化、人類健康、富營(yíng)養(yǎng)化、生態(tài)毒性、煙霧、水消耗等環(huán)境影響主要指標(biāo)均顯著降低。此外,加拿大國(guó)家林產(chǎn)品創(chuàng)新研究院對(duì)竹纏繞復(fù)合材料加速老化的試驗(yàn)結(jié)果表明,在自然條件下使用56 年后,其強(qiáng)度保留率為74%;中國(guó)國(guó)家農(nóng)業(yè)灌排設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)竹纏繞復(fù)合管進(jìn)行的10 000 h 靜水壓試驗(yàn)結(jié)果表明,在20 ℃、50年、95%置信下限,管材長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)值(LPL) 為0.74 MPa,即在正常使用條件下,竹纏繞復(fù)合管的使用壽命可達(dá)50 年以上,長(zhǎng)期壽命優(yōu)于水泥、鋼材和塑料等傳統(tǒng)材料。
竹纏繞管廊是竹纏繞復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)研發(fā)中的重大創(chuàng)新產(chǎn)品,可取代目前現(xiàn)澆或預(yù)制式鋼筋混凝土制作的管廊。2018 年4 月世界第一根直徑3 200 mm的竹纏繞管廊示范工程在內(nèi)蒙古元亨石墨產(chǎn)業(yè)園完成。2019 年11 月竹纏繞管廊首次應(yīng)用在山西省大同市同煤快線(南中環(huán)) 段第3 標(biāo)段綜合管廊工程中,采用直徑3 200 mm 竹纏繞管廊,長(zhǎng)度為279.3 m。
經(jīng)過(guò)10 多年的發(fā)展,竹纏繞復(fù)合材料已經(jīng)初步建立了標(biāo)準(zhǔn)化體系。2017 年中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)發(fā)布了《竹纏繞復(fù)合管道工程技術(shù)規(guī)程》 (T/CECS 470—2017),自2017 年10 月1 日起正式實(shí)施。2019 年《竹纏繞復(fù)合管》 (GB/T 37805—2019)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布,于2020 年3 月1 日起正式實(shí)施;其中規(guī)定了原材料標(biāo)準(zhǔn),要求竹篾的含水率應(yīng)控制在7%~13%。2020 年3 月國(guó)家林業(yè)和草原局頒布了《竹纏繞管廊》 (LY/T 3202-2020) 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),于2020 年10 月1 日起開(kāi)始實(shí)施。
標(biāo)準(zhǔn)體系的初步建立,為竹纏繞復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)向?qū)I(yè)化、規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展提供了保障,有助于提升材料的性能和品質(zhì),推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。
作為新型環(huán)保低碳材料,竹纏繞復(fù)合材料的研發(fā)與推廣得到了全國(guó)人大、全國(guó)政協(xié)、國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家林草局、水利部、住建部、科技部、生態(tài)環(huán)境部、工信部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等國(guó)家部委的高度重視和大力支持;同時(shí)還得到科技、能源、環(huán)保等行業(yè)的關(guān)注與參與。
竹纏繞復(fù)合管已先后取得相關(guān)部門(mén)和行業(yè)的技術(shù)評(píng)定,獲得廣泛認(rèn)可。竹纏繞復(fù)合管被國(guó)家林業(yè)局鑒定為“國(guó)際領(lǐng)先水平”,并被列入《2016 年重點(diǎn)推廣林業(yè)科技成果100 項(xiàng)》,以及《林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十三五” 規(guī)劃》 中的林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)領(lǐng)域;被水利部列入《2015 年度水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)重點(diǎn)推廣指導(dǎo)目錄》,并被認(rèn)定為“水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)”;被住建部評(píng)估為 “國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平”,并被列入《海綿城市建設(shè)先進(jìn)適用技術(shù)與產(chǎn)品目錄》 《2015 年全國(guó)建設(shè)行業(yè)科技成果推廣項(xiàng)目》;被國(guó)家發(fā)改委列入《國(guó)家重點(diǎn)推廣的低碳技術(shù)目錄》;被科技部列入2016 年度國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“林業(yè)資源培育及高效利用技術(shù)創(chuàng)新” 重點(diǎn)專項(xiàng)。
竹纏繞復(fù)合材料技術(shù)是林業(yè)行業(yè)貫徹落實(shí)國(guó)務(wù)院對(duì)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略部署的重要成果之一,符合國(guó)家“資源可再生及綜合利用、生產(chǎn)過(guò)程節(jié)能環(huán)保、產(chǎn)品可固碳儲(chǔ)碳” 等戰(zhàn)略導(dǎo)向,對(duì)于維護(hù)國(guó)家能源與資源安全、推動(dòng)綠色發(fā)展、兌現(xiàn)節(jié)能減排國(guó)際承諾、興林富民和貧困人口脫貧等具有重要意義。
竹纏繞復(fù)合材料可替代鋼材、水泥、玻璃鋼、塑料等不可回收的高污染和高耗能原材料,是綠色發(fā)展的重要?jiǎng)?chuàng)新。首先,竹子作為竹纏繞復(fù)合材料的主要原料,具有很強(qiáng)的固碳儲(chǔ)碳能力,在生長(zhǎng)過(guò)程中可儲(chǔ)存大量二氧化碳,其固碳量是杉木的1.46倍、熱帶雨林的1.33 倍[6]。因此,與鋼鐵、水泥、塑料等傳統(tǒng)材料相比,竹纏繞復(fù)合材料具有良好的固碳儲(chǔ)碳效益,對(duì)緩解溫室氣體排放具有重要意義。其次,以竹纏繞復(fù)合材料為原料生產(chǎn)的各種產(chǎn)品,可替代由鋼材、塑料、水泥制成的產(chǎn)品,使人類在一定范圍內(nèi)擺脫了對(duì)石化和礦物質(zhì)資源的依賴,為維護(hù)國(guó)家能源安全和資源安全開(kāi)辟了新渠道,有助于減少環(huán)境污染,有助于中國(guó)政府應(yīng)對(duì)全球氣候變化行動(dòng)、兌現(xiàn)節(jié)能減排的國(guó)際承諾,對(duì)全球綠色發(fā)展具有重要意義。目前中國(guó)每年有1.1 億t 竹子未被充分利用,如果將這些竹資源加工成為竹纏繞復(fù)合材料產(chǎn)品,用以替代鋼鐵、水泥和塑料制品,每年可以節(jié)省約1.4 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤,減少3.5 億t 二氧化碳排放[7]。
竹纏繞復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化可盤(pán)活大量閑置竹資源,能充分利用竹資源和勞動(dòng)力,有效解決傳統(tǒng)竹產(chǎn)業(yè)加工制造分散、技術(shù)粗放、高耗能、附加值低、犧牲環(huán)境、徒耗資源等弊端,引領(lǐng)竹產(chǎn)業(yè)向集約型、低能耗、高附加值、智能化方向轉(zhuǎn)型,大幅提高竹產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值,有效促進(jìn)竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
竹纏繞復(fù)合材料涉及竹林培育、竹材加工、產(chǎn)品生產(chǎn)等諸多環(huán)節(jié),可提供大量的就業(yè)崗位,有利于優(yōu)化農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),提高農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入。在竹林培育環(huán)節(jié),可以帶動(dòng)全球8 000 萬(wàn)農(nóng)戶就業(yè),戶均增收600 美元;在竹材加工環(huán)節(jié),將竹資源進(jìn)行加工生產(chǎn)出6 000 萬(wàn)t 竹原材料,按照人均年收入4 500美元計(jì)算,可以解決900 萬(wàn)農(nóng)村勞動(dòng)力就業(yè);在產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié),生產(chǎn)15 000 萬(wàn)t 竹纏繞產(chǎn)品,可以提供就業(yè)崗位145 萬(wàn)個(gè),人均年收入可達(dá)到9 000美元。
“一帶一路” 沿線亞洲國(guó)家以及部分非洲國(guó)家,具有豐富的竹資源,但竹材加工能力弱,工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模比較小。在國(guó)際合作中,竹纏繞復(fù)合材料可成為“南南合作” “一帶一路” 走出去的亮點(diǎn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè),不僅有助于帶動(dòng)中國(guó)對(duì)外合作,還可有效提高全球竹資源的利用效率,對(duì)全球應(yīng)對(duì)氣候變化和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
作為一種新型生物基材料,人們對(duì)竹纏繞復(fù)合材料及相關(guān)產(chǎn)品的認(rèn)知還非常有限,產(chǎn)品推廣應(yīng)用亟待加強(qiáng)。建議國(guó)家在產(chǎn)業(yè)政策方面給予更為明確的支持,同時(shí)需不斷加強(qiáng)研發(fā),完善標(biāo)準(zhǔn)體系,并不斷提升信息化水平,加快示范應(yīng)用,助力中國(guó)及全球的綠色發(fā)展。
1) 將以竹纏繞復(fù)合材料為代表的生物基材料,更加清晰地納入到國(guó)家新材料相關(guān)政策中,充分發(fā)揮生物基材料對(duì)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的作用。
2) 在國(guó)家層面,加大竹纏繞復(fù)合材料的研發(fā)力度,開(kāi)展竹子產(chǎn)地與性能研究、材料形成機(jī)理研究,分析優(yōu)質(zhì)竹資源的分布規(guī)律,進(jìn)一步提高竹材質(zhì)量,提升竹纏繞復(fù)合材料的各種性能,豐富竹纏繞復(fù)合產(chǎn)品,拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。
3) 逐步建立竹篾、樹(shù)脂等各類原材料的標(biāo)準(zhǔn),提高原材料識(shí)別能力,繼續(xù)完善各種竹纏繞產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn),力爭(zhēng)上升為國(guó)際通行標(biāo)準(zhǔn),并建立產(chǎn)品測(cè)試和認(rèn)證系統(tǒng),為竹纏繞復(fù)合材料的推廣應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展提供依據(jù)。
4) 在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中,提高竹纏繞復(fù)合材料在生產(chǎn)和使用過(guò)程中的信息化與智能化水平,利用AI 技術(shù)提升竹纏繞復(fù)合材料的便利性,推動(dòng)傳統(tǒng)材料的可持續(xù)發(fā)展。
5) 加強(qiáng)示范,大力開(kāi)展各類產(chǎn)品的示范項(xiàng)目,對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)估,積累應(yīng)用數(shù)據(jù),廣泛宣傳示范結(jié)果,提高公眾對(duì)竹纏繞復(fù)合材料產(chǎn)品的認(rèn)可度,吸引更多潛在應(yīng)用。
6) 建議由國(guó)家有關(guān)部門(mén)牽頭,組織相關(guān)部門(mén)加強(qiáng)國(guó)際合作交流,把竹纏繞復(fù)合材料技術(shù)與產(chǎn)品納入“一帶一路”,以及其他多邊及雙邊國(guó)際合作項(xiàng)目,充分發(fā)揮國(guó)際竹藤組織的作用,與更多的國(guó)家和地區(qū)共同分享竹纏繞復(fù)合材料技術(shù),使中國(guó)原創(chuàng)的生物基材料技術(shù)在應(yīng)對(duì)全球氣候變化中發(fā)揮更大的作用。