竹纏繞：一項我國原創(chuàng)的新材料發(fā)明技術(shù)，將逐漸走進人們的生活

孫公新　彭仕國

竹子在三千萬年前來到地球，給大地帶來一片綠色。人們從古至今對竹子的贊美從未間斷，“寧可食無肉，不可居無竹”，表達出人們對竹子的最高敬意。如今，竹子又將進一步成為人們賴以生存的方式之一，發(fā)揮其不可估量的作用。而使竹子具備這種功能是來自于我國科學家原創(chuàng)性的發(fā)明——竹纏繞復(fù)合材料技術(shù)。竹纏繞復(fù)合材料技術(shù)突破了幾千年來人們對竹子應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域，可以將竹子加工成涉及工業(yè)生產(chǎn)、建筑材料、交通工具以及國防裝備設(shè)施等領(lǐng)域的眾多產(chǎn)品，比如大口徑壓力管道、城市綜合管廊、組合式房屋、高鐵車廂、船體、飛機部件、武器和軍事設(shè)施等?？梢哉f，竹纏繞是本世紀的一項偉大發(fā)明。

竹纏繞技術(shù)原理

要說竹纏繞的原理，首先從竹子的特性說起。竹子生長得又細又高，最高可達45米，卻能經(jīng)受住大風的吹拽而不倒。勞動人民把竹子剖成竹篾扭成竹繩，能夠承受幾百公斤的重力。古代人們把竹子做成弓，拉滿弓后能把箭射出100米以外。以上的表現(xiàn)，都來自于竹子的天然特性。一是順竹子垂直方向的拉伸強度非常高，可達到鋼材的二分之一，這種強度在植物類算得上是最頂級的，竹纏繞壓力管道就是利用了這一特性，保證管道能承受很大的壓力；其二，竹子的抗彎能力很強，這是竹子內(nèi)部有著如石墨烯般很大的比表面積的原因，物質(zhì)的比表面積越大，其強度越高這是科學定理，加上竹子又是天然的柔性材料，所以在竹子壓到很彎時能夠保持不折斷、不屈服，反而反彈力越大，所以，弓箭越拉到接近滿弓時，射程就越遠。同理，竹纏繞管廊埋在地下，能承受沉重的土和車輛的重量，當重量使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生形變時，其承重能力就越強。竹纏繞技術(shù)就是利用了竹子軸向拉伸強度高、橫向抗形變能力強的特性，把竹子加工成既有強度又具有彈性的新材料。

同時竹纏繞還有耐腐蝕性能好、使用壽命長的優(yōu)點，這一優(yōu)點同樣來自于竹子的天然屬性。竹子是生物，生物屬于大分子物質(zhì)，大分子物質(zhì)非常惰性，很難與氧、酸堿等物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，如一千多年前福建永定土樓中的竹片，二千年前都江堰填石筑壩的竹籠，三千年前魯國的竹簡，至今均保持得較為完好，充分體現(xiàn)了竹子有穩(wěn)定的耐環(huán)境性能和很長的壽命。因此，竹纏繞復(fù)合材料強度高、使用壽命長等優(yōu)點都是來自于竹子的天然特性，是上天賜給人類的瑰寶。

竹纏繞復(fù)合材料的工藝

我們給竹纏繞復(fù)合材料的定義是：以竹子為基本材料，水溶性樹脂為膠粘劑，采用纏繞方式加工成型的生物質(zhì)復(fù)合材料。該材料的工藝特征是：在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中沒有平面和角的設(shè)計，將產(chǎn)品加工成圓形或弧形，從而把竹子的優(yōu)點發(fā)揮至最大化。比如管道管廊是圓形，把房屋、車廂的平面設(shè)計成弧形，四個角也加工成小弧形，避免產(chǎn)品有受力方面的明顯缺陷。

竹纏繞加工過程為：首先竹農(nóng)在竹林里砍伐下竹子，在家里通過剖竹機、成片機、拉絲機、編織機加工成像竹席一般的竹篾帶，將竹篾帶卷成一卷一卷的竹篾卷，這就是制作竹纏繞的原材料；其次，在工廠里將浸過膠粘劑的竹篾帶一層一層纏繞到鋼制的模具上，直至纏繞到產(chǎn)品設(shè)計厚度；而后再進行固化、修整、脫模后就制成了竹纏繞產(chǎn)品。

竹纏繞產(chǎn)品優(yōu)點

竹纏繞產(chǎn)品具有重量輕，強度高，耐腐蝕、絕緣、保溫、隔音、隱身性能好，使用壽命長，成本低等優(yōu)點。比如重量輕，竹纏繞管道的重量是鋼管、球墨鑄鐵管的四分之一，竹纏繞管廊重量是鋼筋混凝土管廊的十五分之一。強度高，竹纏繞管道管廊應(yīng)用過程中遭遇地勢發(fā)生沉降不均勻造成一定的扭曲情況下，仍可安全使用，竹纏繞房屋經(jīng)得起最強臺風和地震的侵害。保溫、隔音性能好，能使埋設(shè)在凍土層中的竹纏繞管道里的水在整個冬季不結(jié)冰，加上竹子能平衡干濕的特性，使人住在竹纏繞房屋中會覺得特別舒適。同樣，乘坐在竹纏繞高鐵車廂里，會感到非常安靜。特別是高鐵在發(fā)生極端情況下，其柔韌性能和抗形變性能會大大降低對人體的傷害。

竹纏繞具有明顯的成本優(yōu)勢，同等規(guī)格的竹纏繞管道成本是鋼管、球墨鑄鐵管、承壓塑料管的70～85%，竹纏繞管廊成本是鋼筋混凝土管廊的70%以下，竹纏繞房屋是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋成本的85～90%。竹纏繞產(chǎn)品的使用壽命均長于鋼材、水泥等傳統(tǒng)產(chǎn)品，竹纏繞管道使用壽命超過50年，竹纏繞管廊使用壽命超過100年，房屋超過100年。

竹纏繞產(chǎn)業(yè)資源豐富、規(guī)模大、

社會需求面廣

竹纏繞主要原材料是竹子，竹子是速生植物，一般生長3年即可應(yīng)用，而且一次栽培，可永久砍伐。全世界竹林面積約為3200萬公頃，中國約為756萬公頃。在我國每年可砍伐的竹材為1.5億噸，如果對竹林進行有效管理，竹材產(chǎn)量還可以翻1～2番。目前我國每年竹材只應(yīng)用了0.4億噸，大部分竹資源仍被閑置。1噸剛砍伐的竹子，平均可生產(chǎn)0.7噸竹纏繞產(chǎn)品，0.7噸竹纏繞產(chǎn)品的產(chǎn)值為3.15萬元，如果將閑置的1.1億噸竹子加工成竹纏繞產(chǎn)品，每年可形成近5萬億的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，加上通過對竹林的培育，增加竹資源量，竹材最起碼支撐10萬億以上的新產(chǎn)業(yè)，等于又創(chuàng)造出一個新林業(yè)產(chǎn)業(yè)（2023年我國林業(yè)總產(chǎn)值9.2萬億）。

竹纏繞應(yīng)用領(lǐng)域廣，社會需求量大。在我國，僅管道、管廊每年有超過萬億以上的潛在市場，房屋更是有10萬億級以上的市場需求，還不包括新建農(nóng)村住房。僅以上兩類產(chǎn)品就有30萬億以上的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，如加上交通工具、工程施工等，竹纏繞產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)潛在規(guī)模則更大。

竹纏繞技術(shù)成熟度

竹纏繞技術(shù)發(fā)明人、現(xiàn)國家林業(yè)和草原局竹纏繞復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心主任葉柃先生于2007年帶領(lǐng)團隊開始研發(fā)竹纏繞技術(shù)，至今已經(jīng)整整十七年。葉柃先生能發(fā)明出竹纏繞技術(shù)，來源于他從事三十余年的非金屬纏繞壓力材料的基礎(chǔ)。竹纏繞管道、管廊經(jīng)過了十余年的示范應(yīng)用，取得良好應(yīng)用效果。目前竹纏繞技術(shù)已建立起完整的工藝、標準、專利、示范工廠建設(shè)體系，中鐵建等大型央企已專門成立竹纏繞公司在全國乃至全球布局生產(chǎn)竹纏繞產(chǎn)品。

竹纏繞技術(shù)得到國家相關(guān)部門高度認可，并已列入國家戰(zhàn)略。

2011年7月??? 竹纏繞復(fù)合管技術(shù)通過省級鑒定，技術(shù)成果評為“達到國際先進水平”。2011年11月竹纏繞復(fù)合管被水利部評為科技成果推廣項目。2013年，水利部組織在新疆、黑龍江、浙江進行竹纏繞管示范工程建設(shè)，2014年6月水利部對“竹纏繞復(fù)合壓力管的推廣應(yīng)用”進行先進實用技術(shù)評價。2014年8月國家林業(yè)局對“竹纏繞復(fù)合壓力管”技術(shù)成果鑒定評價為達到國際領(lǐng)先水平。2015年10月住建部對“竹纏繞管道”技術(shù)成果鑒定評價為技術(shù)水平達到國際先進水平。2015年12月竹纏繞復(fù)合管技術(shù)入選國家發(fā)改委的《國家重點推廣的低碳技術(shù)目錄》（第二批）。2015年1月、12月竹纏繞復(fù)合管技術(shù)被評為水利部、住建部科技成果推廣項目。2016年3月竹纏繞復(fù)合材料被列為國家林業(yè)局2016年重點推廣科技成果，2016年7月被列為“十三五”國家重點研發(fā)計劃專項“竹資源全產(chǎn)業(yè)鏈增值增效技術(shù)集成與示范”項目。2016年12月竹纏繞復(fù)合管被科技部、環(huán)保部、工信部列入“節(jié)能減排與低碳技術(shù)成果轉(zhuǎn)化推廣清單”。2017年5月竹纏繞項目被國家發(fā)改委等11部委聯(lián)合發(fā)布《林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展十三五規(guī)劃》中列為重點林產(chǎn)戰(zhàn)略項目。2018年1月竹纏繞復(fù)合管技術(shù)被評為水利部科技成果推廣項目。2020年9月竹纏繞管道入選“國家節(jié)能中心重點節(jié)能技術(shù)應(yīng)用典型案例”。2021年11月竹纏繞復(fù)合材料被國家林草局、國家發(fā)改委等10部門列入《關(guān)于加快推進竹產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的意見》。2022年5月竹纏繞技術(shù)被國家發(fā)改委列入“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃。2022年7月住建部對“竹纏繞管廊”技術(shù)成果鑒定評價為達到國際領(lǐng)先水平。2023年10月竹纏繞列入國家發(fā)改委、經(jīng)信委、財政部、林草局聯(lián)合發(fā)布《加快“以竹代塑”發(fā)展三年行動計劃》重要應(yīng)用產(chǎn)品。

國家標準《竹纏繞復(fù)合管》、中國工程建設(shè)標準化協(xié)會標準《竹纏繞復(fù)合管道工程技術(shù)規(guī)程》、林業(yè)行業(yè)標準《竹纏繞管廊》、中國工程建設(shè)標準化協(xié)會標準《竹纏繞管廊工程技術(shù)規(guī)程》均已頒布實施?！吨窭p繞管廊》國家標準、《竹纏繞房屋》團體標準正在編制中。

2022年5月竹纏繞復(fù)合材料技術(shù)列入國家首部生物經(jīng)濟規(guī)劃《國家“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》中。規(guī)劃指出，在生物環(huán)保領(lǐng)域，“培育壯大生物經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)、促進竹纏繞復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展，推動在城市綜合管廊等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中示范應(yīng)用?！敝窭p繞復(fù)合材料已被定位為國家重點戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。

2023年10月，國家發(fā)改委、工信部、財政部、林草局聯(lián)合發(fā)布的《加快“以竹代塑”發(fā)展三年行動計劃》中，在三大應(yīng)用類產(chǎn)品中，除日用品類外，在工業(yè)生產(chǎn)和建筑建材應(yīng)用類均列首位。

竹纏繞大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)條件已經(jīng)具備。

竹纏繞社會意義

節(jié)能減碳效益：我國每年有1.1億噸的竹資源被閑置，如果把這些閑置竹子充分利用起來，做成1億噸以上的竹纏繞產(chǎn)品，替代鋼材、水泥、塑料，每年可以減少碳排放4.48億噸。習近平總書記在2022年第二屆世界竹藤大會發(fā)出了“以竹代塑”倡議，為全球節(jié)能減排提出中國的解決方案之一。

在國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略中能發(fā)揮重要作用：通過發(fā)展竹纏繞復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)，如果將目前被閑置的1.1億噸竹資源加以充分利用，則在竹子砍伐及竹原材料加工方面，每年將給農(nóng)村帶來3168億元的經(jīng)濟收入。其中，在竹子種植、砍伐、出售環(huán)節(jié)，可為1200萬戶農(nóng)戶每戶每年增加收入5000元；在竹原材料加工環(huán)節(jié)，可幫助1000萬農(nóng)民在當?shù)鼐蜆I(yè)，每人每年收入超過30000元。

在一帶一路和南南合作中將發(fā)揮重要作用：3/4以上的竹資源分布在東南亞、中東非、中南美地區(qū)，且都生長在發(fā)展中國家。這些國家可以應(yīng)用竹纏繞技術(shù)，把當?shù)氐闹褓Y源很好地利用起來，加工成管道、房屋等產(chǎn)品，在綠色低碳的基礎(chǔ)上建設(shè)美麗家園；同時，可增加農(nóng)村經(jīng)濟收入，提高社會就業(yè)率，促進國民經(jīng)濟發(fā)展。竹纏繞復(fù)合材料服務(wù)“一帶一路”倡議，也可讓世界人民改變一直以來中國很少對外輸出原創(chuàng)技術(shù)的印象，從而成為“一帶一路”倡議中的光明使者。

竹纏繞將極大提升我國國際科技競爭力

竹纏繞復(fù)合材料是我國的原創(chuàng)技術(shù)，是世界發(fā)明技術(shù)，是我國林業(yè)領(lǐng)域一顆燦爛的新星。竹纏繞復(fù)合材料是一種類似鋼材、水泥、塑料的基礎(chǔ)性材料，這一新材料的誕生將對今后社會產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生活習慣產(chǎn)生重大影響。竹纏繞發(fā)明技術(shù)將極大提升我國的國際科技地位，在工業(yè)、交通、建材及軍工等多個領(lǐng)域可實現(xiàn)科技水平的彎道超車。竹纏繞復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)是典型的綠色產(chǎn)業(yè)，是新質(zhì)生產(chǎn)力的代表。竹纏繞在國家十四五生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃和加快以竹代塑發(fā)展三年行動計劃的引導下，將進一步得到國家層面上的高度重視，更廣泛的被人們所了解，使這一新材料技術(shù)早日造福于社會，為人類與地球和諧共存，實現(xiàn)人類社會的綠色可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。

（本文作者單位：孫公新，中國鐵建股份有限公司；彭仕國，中國林產(chǎn)工業(yè)協(xié)會竹纏繞復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)分會）