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        推動竹纏繞復合材料應用引領中國邁向材料強國

        作者:葉 柃1 焦 健2 瀏覽: 發表時間:2021-01-15 14:55:18 來源:世界竹藤通訊公眾號

        (1 國家林業和草原局竹纏繞復合材料工程技術研究中心杭州 311253;2 中國能源研究會能效與投資評估專業委員會北京 100053)

        摘 要:竹纏繞復合材料是以天然竹材為基材, 以樹脂為膠黏劑, 采用纏繞工藝加工成型的新型生物基材料, 具有質量輕、 強度高、 綜合造價低、 承壓能力強、 保溫性能好、 抗震抗沉降能力強、 綠色環保、 節能低碳等特點, 可替代鋼材、 塑料、 水泥等傳統材料, 廣泛應用于城建、 市政、 交通、 水利、 航空、 國防等領域, 可大幅度減少不可再生材料的使用。 竹纏繞復合材料的推廣應用, 對于推動傳統行業高質量發展, 促進中國向世界材料強國邁進以及人類社會的可持續發展意義重大。 文章分析了竹纏繞復合材料的發展潛力、 產業化現狀及前景, 對進一步推動竹纏繞復合材料應用提出了建議。

        關鍵詞:竹纏繞復合材料;生物基材料;綠色經濟;可持續發展材料是國民經濟建設、社會進步和國防安全的物質基礎,是實現產業結構優化升級和提升裝備制造業的保證,也是發展新興產業的先導,歷來都被各國視為提高產業競爭力的關鍵。中國經過40 余年的改革開放,已經發展成為一個材料大國,許多基礎材料的產能已居全球之冠,新材料產業的重要性也在不斷提升。然而,中國材料產業與世界發達國家相比還有很大差距。實現材料大國向材料強國的轉變,將是未來中國材料產業最重要的目標之一。

        隨著石油資源的日漸趨緊以及環保壓力的不斷增加,生物能源產業和生物制造產業逐漸成為全球發展的熱點。作為全球戰略性新興產業,生物制造以其資源可再生、能源消耗低、環境污染少等特有屬性,成為支撐未來全球社會經濟可持續發展的重要保障。作為生物制造的基礎,生物基材料主要來源于植物,較石油基材料減少了二氧化碳排放,緩解了人類對石油的依賴,同時生產過程更加綠色、更加環保。生物基材料有助于解決全球經濟社會發展所面臨的資源和能源短缺以及環境污染等問題,是當今世界新材料發展的重點,逐漸成為引領世界經濟發展和科技創新的又一新興主導產業。

        近年來,中國生物基材料行業正以每年20%以上的速度增長,產品種類和市場不斷擴大[1],為制造業發展提供了必要的生產原料。在“中國制造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域,在“十三五” 國家科技創新規劃中,也明確提出要創制生物基材料等農業生物制品并實現產業化?!笆奈濉?作為實現社會主義現代化強國的新起點,也為生物基材料的發展提供了新機遇。生物基材料的發展不僅有助于中國實現材料強國的目標,同時將有效提升中國制造業的綠色化水平。

        竹纏繞復合材料作為中國制造的全球首創新材料,是以天然竹材為基材,以樹脂為膠黏劑,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、木材等傳統基礎性工業材料,廣泛應用于管道、管廊、容器、大型儲罐、房屋、運輸工具殼體(高鐵車廂、飛機機身、船只)、軍工裝備等產品制造,對推動傳統行業的高質量發展,促進中國向世界材料強國邁進,以及人類社會的可持續發展意義重大[2]。

        1 竹子是全球分布最廣泛的生物資源

        竹子是一種優質的天然材料,具有生長速度快、再生能力強的特點。竹子是世界上生長最快的植物之一,3~5 年即可成材,并且一次栽培可永續利用。竹稈中的維管只有管束而沒有形成層,因而新竹長成抽枝展葉后,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 年為一周期交錯進行??茖W合理地采伐竹子不但不會破壞竹林,還能調節竹林結構,提高竹林質量,改善立地條件,促進竹林穩產高產,充分發揮竹林的經濟效益、生態效益和社會效益[2-3]。

        有別于其他植物,竹子具有優異的軸向拉伸強度和柔韌性,這也是竹子能生產各種竹纏繞復合產品的關鍵原因。從結構上看,竹子由韌皮部、導管、纖維及基本組織薄壁細胞構成,竹青至竹黃的維管束密度的梯度變化形成漸變組織結構,同時竹子具有多孔結構。這種漸變組織結構和多孔多級結構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度。4 年生毛竹單根纖維拉伸強度高達1 710 MPa,比30 年生杉木晚材單根纖維的拉伸強度(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,竹子的多孔結構也使竹產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hm2[4],分為亞洲太平洋竹區、美洲竹區、非洲竹區3 大竹區。其中,亞太竹區是世界上最大的竹區,竹林面積和竹種資源分別約占世界總量的45%和80%。中國是世界上最主要的產竹國,竹類資源、竹林面積、竹材蓄積和產量均居世界首位。目前,中國竹材年產量約為4 000萬t,僅占竹林可砍伐量的1/4 左右,每年約有1.1 億t 竹材未被開發利用,中國竹資源尚屬于閑置資源,可利用空間巨大[2,5]。

        2 竹纏繞復合材料已具備產業化推廣基礎

        竹纏繞復合材料由浙江鑫宙竹基復合材料科技有限公司和國際竹藤中心研發團隊經過10 余年攻關研制而成。該材料是將竹子剖成篾并作為基材,以樹脂為膠黏劑,采用纏繞工藝加工成型的一種生物基復合材料。竹纏繞復合材料保持了竹子原有的物理特性,充分發揮了竹子軸向拉伸強度高和柔韌性好的天然優勢,將竹材的軸向拉伸強度應用至最大化,并在產品結構中形成無應力缺陷分布。

        竹纏繞復合材料具有質量輕、強度高、綜合造價低、承壓能力強、保溫性能突出、抗震和抗沉降能力強、綠色環保、節能低碳等特點,可替代鋼材、塑料、水泥等傳統材料,廣泛應用于城建、市政、交通、水利、航空、國防等領域,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合材料,竹纏繞復合材料是中國自主研發、具有獨立完整知識產權的新型生物基材料,改變了人類對竹子應用的傳統認知。目前,竹纏繞復合材料可用于生產管道、管廊、高鐵車廂、房屋等產品,初步建立了標準體系,并獲得社會廣泛認可,已經基本具備產業化推廣基礎。

        2.1 竹纏繞復合材料可生產多種產品

        竹纏繞復合材料可生產制造成管道、管廊、高鐵車廂、房屋、飛機機身、大型儲罐等產品,對于國民經濟發展具有重要作用。目前,竹纏繞復合管、竹纏繞管廊、竹纏繞整體組合式房屋已進入推廣應用和產業化階段[2]。

        竹纏繞復合管是中國唯一的原創性管道,于2007 年成功研發,2009 年在浙江、安徽工程中成功試用,并通過省級新產品鑒定。2013 年在國家水利部的組織下,竹纏繞復合管在新疆、浙江、黑龍江3 種不同氣候環境下進行了示范應用,獲得成功。從2015 年7 月開始,在全國各地陸續建成了竹纏繞復合管生產基地,如今已在湖北襄陽、山東臨沂、內蒙古烏海、廣西玉林、福建龍巖、河南南陽分別建成投產年產萬噸竹纏繞復合管生產基地,為竹纏繞復合材料項目在全國范圍內的產業化推進奠定了基礎。

        竹纏繞復合管是世界第一根可工業化生產的生物基管道,可替代由水泥、金屬、塑料和玻璃鋼等材料制成的傳統管道。由美國北德克薩斯州大學進行的“竹纏繞與聚氯乙烯(PVC) 給水管生命周期評估比較” 結果顯示,與聚氯乙烯管相比,給水系統使用竹纏繞復合管的累計能源需求明顯下降,全球氣候變暖可能性、酸化、人類健康、富營養化、生態毒性、煙霧、水消耗等環境影響主要指標均顯著降低。此外,加拿大國家林產品創新研究院對竹纏繞復合材料加速老化的試驗結果表明,在自然條件下使用56 年后,其強度保留率為74%;中國國家農業灌排設備質量監督檢驗中心對竹纏繞復合管進行的10 000 h 靜水壓試驗結果表明,在20 ℃、50年、95%置信下限,管材長期靜液壓強度預測值(LPL) 為0.74 MPa,即在正常使用條件下,竹纏繞復合管的使用壽命可達50 年以上,長期壽命優于水泥、鋼材和塑料等傳統材料。

        竹纏繞管廊是竹纏繞復合材料產業研發中的重大創新產品,可取代目前現澆或預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蒙古元亨石墨產業園完成。2019 年11 月竹纏繞管廊首次應用在山西省大同市同煤快線(南中環) 段第3 標段綜合管廊工程中,采用直徑3 200 mm 竹纏繞管廊,長度為279.3 m。

        2.2 竹纏繞復合材料標準體系初步建立

        經過10 多年的發展,竹纏繞復合材料已經初步建立了標準化體系。2017 年中國工程建設標準化協會發布了《竹纏繞復合管道工程技術規程》 (T/CECS 470—2017),自2017 年10 月1 日起正式實施。2019 年《竹纏繞復合管》 (GB/T 37805—2019)國家標準正式發布,于2020 年3 月1 日起正式實施;其中規定了原材料標準,要求竹篾的含水率應控制在7%~13%。2020 年3 月國家林業和草原局頒布了《竹纏繞管廊》 (LY/T 3202-2020) 行業標準,于2020 年10 月1 日起開始實施。

        標準體系的初步建立,為竹纏繞復合材料產業向專業化、規范化和標準化方向發展提供了保障,有助于提升材料的性能和品質,推動產業的可持續性發展。

        2.3 竹纏繞復合材料獲得社會廣泛認可

        作為新型環保低碳材料,竹纏繞復合材料的研發與推廣得到了全國人大、全國政協、國家發改委、國家林草局、水利部、住建部、科技部、生態環境部、工信部、農業農村部等國家部委的高度重視和大力支持;同時還得到科技、能源、環保等行業的關注與參與。

        竹纏繞復合管已先后取得相關部門和行業的技術評定,獲得廣泛認可。竹纏繞復合管被國家林業局鑒定為“國際領先水平”,并被列入《2016 年重點推廣林業科技成果100 項》,以及《林業產業發展“十三五” 規劃》 中的林業產業發展重點領域;被水利部列入《2015 年度水利先進實用技術重點推廣指導目錄》,并被認定為“水利先進實用技術”;被住建部評估為 “國際先進技術水平”,并被列入《海綿城市建設先進適用技術與產品目錄》 《2015 年全國建設行業科技成果推廣項目》;被國家發改委列入《國家重點推廣的低碳技術目錄》;被科技部列入2016 年度國家重點研發計劃“林業資源培育及高效利用技術創新” 重點專項。

        3 竹纏繞復合材料的推廣應用具有重要意義

        竹纏繞復合材料技術是林業行業貫徹落實國務院對新興產業發展戰略部署的重要成果之一,符合國家“資源可再生及綜合利用、生產過程節能環保、產品可固碳儲碳” 等戰略導向,對于維護國家能源與資源安全、推動綠色發展、兌現節能減排國際承諾、興林富民和貧困人口脫貧等具有重要意義。

        3.1 有助于綠色發展與應對氣候變化

        竹纏繞復合材料可替代鋼材、水泥、玻璃鋼、塑料等不可回收的高污染和高耗能原材料,是綠色發展的重要創新。首先,竹子作為竹纏繞復合材料的主要原料,具有很強的固碳儲碳能力,在生長過程中可儲存大量二氧化碳,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、塑料等傳統材料相比,竹纏繞復合材料具有良好的固碳儲碳效益,對緩解溫室氣體排放具有重要意義。其次,以竹纏繞復合材料為原料生產的各種產品,可替代由鋼材、塑料、水泥制成的產品,使人類在一定范圍內擺脫了對石化和礦物質資源的依賴,為維護國家能源安全和資源安全開辟了新渠道,有助于減少環境污染,有助于中國政府應對全球氣候變化行動、兌現節能減排的國際承諾,對全球綠色發展具有重要意義。目前中國每年有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合材料產品,用以替代鋼鐵、水泥和塑料制品,每年可以節省約1.4 億t 標準煤,減少3.5 億t 二氧化碳排放[7]。

        3.2 可有效促進竹產業發展

        竹纏繞復合材料產業化可盤活大量閑置竹資源,能充分利用竹資源和勞動力,有效解決傳統竹產業加工制造分散、技術粗放、高耗能、附加值低、犧牲環境、徒耗資源等弊端,引領竹產業向集約型、低能耗、高附加值、智能化方向轉型,大幅提高竹產業產值,有效促進竹產業發展。

        3.3 可助力林業精準扶貧

        竹纏繞復合材料涉及竹林培育、竹材加工、產品生產等諸多環節,可提供大量的就業崗位,有利于優化農村產業結構,提高農民經濟收入。在竹林培育環節,可以帶動全球8 000 萬農戶就業,戶均增收600 美元;在竹材加工環節,將竹資源進行加工生產出6 000 萬t 竹原材料,按照人均年收入4 500美元計算,可以解決900 萬農村勞動力就業;在產品生產環節,生產15 000 萬t 竹纏繞產品,可以提供就業崗位145 萬個,人均年收入可達到9 000美元。

        3.4 有利于帶動國際合作

        “一帶一路” 沿線亞洲國家以及部分非洲國家,具有豐富的竹資源,但竹材加工能力弱,工業化和產業化規模比較小。在國際合作中,竹纏繞復合材料可成為“南南合作” “一帶一路” 走出去的亮點技術和產業,不僅有助于帶動中國對外合作,還可有效提高全球竹資源的利用效率,對全球應對氣候變化和實現可持續發展具有重要意義。

        4 加快竹纏繞復合材料推廣應用的建議

        作為一種新型生物基材料,人們對竹纏繞復合材料及相關產品的認知還非常有限,產品推廣應用亟待加強。建議國家在產業政策方面給予更為明確的支持,同時需不斷加強研發,完善標準體系,并不斷提升信息化水平,加快示范應用,助力中國及全球的綠色發展。

        1) 將以竹纏繞復合材料為代表的生物基材料,更加清晰地納入到國家新材料相關政策中,充分發揮生物基材料對產業升級和建設制造強國的作用。

        2) 在國家層面,加大竹纏繞復合材料的研發力度,開展竹子產地與性能研究、材料形成機理研究,分析優質竹資源的分布規律,進一步提高竹材質量,提升竹纏繞復合材料的各種性能,豐富竹纏繞復合產品,拓寬應用領域。

        3) 逐步建立竹篾、樹脂等各類原材料的標準,提高原材料識別能力,繼續完善各種竹纏繞產品的標準,力爭上升為國際通行標準,并建立產品測試和認證系統,為竹纏繞復合材料的推廣應用及產業健康發展提供依據。

        4) 在產業化過程中,提高竹纏繞復合材料在生產和使用過程中的信息化與智能化水平,利用AI 技術提升竹纏繞復合材料的便利性,推動傳統材料的可持續發展。

        5) 加強示范,大力開展各類產品的示范項目,對應用效果進行評估,積累應用數據,廣泛宣傳示范結果,提高公眾對竹纏繞復合材料產品的認可度,吸引更多潛在應用。

        6) 建議由國家有關部門牽頭,組織相關部門加強國際合作交流,把竹纏繞復合材料技術與產品納入“一帶一路”,以及其他多邊及雙邊國際合作項目,充分發揮國際竹藤組織的作用,與更多的國家和地區共同分享竹纏繞復合材料技術,使中國原創的生物基材料技術在應對全球氣候變化中發揮更大的作用。

        參考文獻

        [1] 戴麗昕.生物基材料將成為未來發展重點[N].上??萍紙?,2019-12-20(科普縱貫線).

        [2] 江澤慧,葉柃,費本華.竹纏繞復合材料的研發、應用及產業化現狀與前景[J].世界竹藤通訊,2020,18(2): 1-11.

        [3] 楊陽.竹纏繞綠色低碳的中國創造[J].中國農村科技,2020(3): 38-41.

        [4] 費本華.踐行新理念提速竹產業[J].世界竹藤通訊,2019,17(2): 1-6.

        [5] 吳文娟.竹纏繞復合材料掀起綠色發展新浪潮[J].浙江林業,2016(9): 20-21.

        [6] 周國模,姜培坤.毛竹林的碳密度和碳貯量及其空間分布[J].林業科學,2004,40(6):20-24.

        [7] 劉惠蘭.竹纏繞復合材料我國新材料領域的重大創新[N].經濟日報-中國經濟網,2019-03-20.


        Promoting the Application of Bamboo Winding Composites to Lead China towards a Material Powerful Country

        Ye Ling1,Jiao Jian2
        (1.National Forestry and Grassland Administration Engineering Research Center for Bamboo Winding Composites,Hangzhou 311253,China;2.China Energy Efficiency Investment and Assessment Committee CERS,Beijing 100053,China)

        Abstract:Bamboo winding composite is a new bio-based material processed by winding technology,with natural bamboo as base material and resin as adhesive.Bamboo winding composite is a green,environmental-friendly,energy saving and low-carbon material which is characterized with light weight,high strength,low comprehensive cost,great pressure resistance,good thermal insulation performance as well as strong resistance to seismic and subsidence movement.It can be widely used in the fields of urban infrastructures,municipal administration,transportation,water conservancy,aviation and national defense as a replacement for traditional materials such as steel,plastic and cement,thereby dramatically reducing the use of non-renewable materials.The promotion and application of bamboo winding composite are of great significance for advancing the high-quality development of traditional industries,facilitating China's stride forward to the world material power and sustainable development of human society.This paper analyzes the development potential,industrialization status and prospect of bamboo winding composite,and comes up with the suggestions on further promotion of the application of bamboo winding composite.

        Key words:bamboo winding composite,bio-based material,green economy,sustainable development

        DOI:10.12168/sjzttx.2020.06.001

        第一作者: 葉柃,國家林業和草原局竹纏繞復合材料工程技術研究中心主任,主要從事竹纏繞復合材料研究工作。E-mail: tbchi@163.com。

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