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生物基复合材料工业产品应用前景

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摘要:为使生物基复合材料进一步参与工业设计产品制作中,文章对其原料现状、国家相关政策以及国际动态并以现有市面产品进行分析。工业设计正处在一个全球关注,国家推进时代。面对世界性能源与环境问题,促使产品选材亲近用户与自然,生物基复合材料应运而生。有着绿色环保概念的生物基复合材料是设计中实现真正绿色理念为数不多的一类素材。因此全球工业设计领域、国家层面、设计企业都在以不同的方式推动着生物基复合材料在现代工业产品中的应用。

关键词:生物基复合材料;绿色环保;国家政策;工业产品材料应用

引言

进入21世纪以来,面对能源危机以及全球气候变暖,人们在世界范围内兴起了对生物基复合材料的研究与利用,力求通过减少塑料等这一类以石油副产物为原料制造的材料对环境的伤害,大力改善和保护环境,同时加快绿色生活的发展速度。随着社会的发展和人类精神文明的进步,人们对生活质量的要求不仅仅停留在满足生理需求的这一层面,更多的是对生活质量的需求和人与环境的互动。这就要求人们生活中的使用品和生活格调要与自然有着天然的亲近感,因此,人们将研究方向转于被大自然所亲近和接受的材料——生物基复合材料。现代工业产品设计也应当不同于以往的设计,需要添加的因子是要跟随时代和消费者以及国家发展诉求的。设计师不仅要考虑造型本身的成本,也要考虑使用,材料的社会成本,以及后续回收成本和产品寿命殆尽被抛弃到自然中,自然界为此付出的“代价成本”;所以以生物为主要原料的新型复合材料以其天然的优势,将会成为未来产品材料应用领域的“新生代主力军”。

一、什么是生物基复合材料

由于人类对自然过度开发,导致石油等资源逐渐枯竭,而以其为原材料生产的相关产品在自然环境中很难在短时间内分解,焚烧又会加剧温室效应。因此随着人类对环境和能源关注度的提高,生物基渐渐走入人们的视野。什么是生物基?目前应用最广的是除去粮食和其他主要作物产品后所剩余的木质纤维素类农林废弃物,比如小麦秸秆。广义性地讲生物基原材料可以取用于自然界中动、植物甚至微生物等可再生资源。什么是生物基复合材料(如图1)所示?简单来说是生物基+,即通过特殊的加工工艺实现与其他材料的复合再造,加工出满足人类不同层次需求的一类新材料。按照生物基原材料的加工方式,可分两种:一种是不经过化学等工艺处理的天然高分子生物基复合材料;一种是经过生化等技术手段先将生物基材料转化为低分子量的化合物单体,再实现向新材料的转化的合成高分子生物基复合材料[1]。生物基复合材料的使用将大幅度减少对石油的开采加工,降低对环境中不可再生资源的使用率,同时增加环境保护力度,实现环境和资源的同步可持续发展。到目前为止,关于生物基复合材料的明确性使用标准仍较模糊,但它仍是目前有最大可能取代石油化工材料、促进资源可持续发展的新兴材料之一。

二、生物基复合原料的国内关注与重视

据统计,我国2017年全国塑料制品行业汇总统计企业累计完成产量75155.4kt,同比增长3.44%。但是,随着国家环境保护力度的加大,部分企业由于生产过程中的污染问题被迫关停整改,小型企业的生存空间不断压缩[2]。因此,减少石油的开发利用、塑料制品的生产加工,就必须找到一种能够与自然和谐相处并可以代替部分塑料制品在生活中的角色的新型材料。我国是农业大国,上世纪70年代以前我国农业主产地区,农业稻壳秸秆等副产物常用来作为日常燃料和家畜饲料。由于技术的相对落后,农作物产量相对不足,农作物秸秆产量也很难达到人们的使用需求。随着科技经济的进步,农作物的种植培育技术得以提升,各种作物产量也在增加,随之产生的秸秆等农作物纤维类产品产量也在大幅度提升[3]。据统计,2015年全国秸秆理论资源量为10.4亿吨,但实际得到有效利用的只有7.2亿吨。现阶段我国虽然已经出台了一系列对秸秆稻壳的处理规定,但是由于运输成本和回收利润的问题,大多仍采用私下焚烧或抛弃路边,造成火灾和资源浪费。21世纪以来,不管是国家层面还是社会层面,各方都在关注环境能源问题。“十一五”期间我国提出了“生物基材料高技术产业化专项”。“展望十三五”系列报告会提出“全面实施精准扶贫、精准脱贫方略、坚决打赢脱贫攻坚战”,“以改善环境质量为核心补齐生态环境突出短板”的报告。如果把作物副产品作为扶贫中的一项内容,不仅能够引导人们保护环境节约资源,还可以通过回收秸秆等产物提高收入。将由此类作物制造设计的产品回放到千家万户的生活中,在提高生活质量的同时也提升了人们对环保的认识,从源头上解决了资源的浪费和处理问题。生物基材料是中国近期新兴材料之一,也是“十三五规划”中明确提出的重点研发材料之一。“关于编制‘十三五’秸秆综合利用实施方案的指导意见”中明确提到,鼓励以秸秆为原料生产餐具、板材、复合材料等产品,提高秸秆产业化利用水平,推广秸秆代木、秸秆生物基等产品[4]。此外,党的十九大报告中,新时代坚持和发展中国特色社会主义基本方略中明确指出要“坚持人与自然和谐共生”,把“生态文明建设”归入中国特色社会主义“五位一体”总体布局和“四个全面”战略布局中——“我们要建设的现代化是人与自然和谐共生的现代化,既要创造更多物质财富和精神财富以满足人民日益增长的美好生活需要,也要提供更多优质生态产品以满足人民日益增长的优美生态环境需要”。这些政策表明我国对以生物基为主要原料的材料利用的重视。绿色生态、环境友好型产品无疑将会成为未来工业产品领域的主力军,这不仅满足我国国家可持续发展的政策要求,也是顺应自然和人类发展规律的。我国林木资源短缺,农作物秸秆、竹材、野生植物茎秆以及木质废弃物的再加工循环利用,缩减了我国每年伐木量和进口原材料费用。充分利用绿色资源给予人们所不断追求的健康生活环境。

三、生物基复合材料的国际国内发展形式

迈进21世纪,全球十分注重生物质材料的开发与利用。世界普遍关注的科学技术发展的重点之一就是新型材料的研究发展。在木材吃紧的状态下,有必要研发出一系列绿色高性能、多功能的新材料,为工业设计行业提供产品设计的无限可能。美国能源部助理部长安迪•卡斯纳(AndyKarsner)在出席2015年“可再生能源金融论坛”被采访时提到,美国已经加大了秸秆综合回收利用的研发力度,极力推动可再生能源事业的发展。国外相关企业如美国NatureWorks公司旗下品牌Ingeo推出的Ingeo3801X生物塑料,以优良的耐高温抗冲击性能以及友好的加工成型优势可广泛应用到玩具、办公、美妆等产品设计领域[5]。在国内,由中科院宁波材料技术与工程研究所和DT高分子在线主办的2017国际生物基材料技术与应用论坛搭建了一个高水平的国际性交流平台,聚集全球力量研发生物基材料以应用到全球各个生活工作领域,推动新材料新产品的健康发展。四、生物基复合材料在工业产品设计中的应用及前景国家“十二五”规划纲要明确指出,要“加快发展研发设计业,促进工业设计从外观设计向高端综合设计服务转变”,我国工业设计已经进入了一个历史跨越性时期。生物基复合材料作为新兴的一种环境友好型材料正在一步步从研究领域走入大众生活,而这种潮流是无法阻挡的。

(一)工业产品设计中的新型3D打印材料作为一种快速成型技术,3D打印以数据模型为基础通过使用粉末状金属或者塑料等可黏结性材料将预设产品经过逐层打印制造出产品。作为工业设计的模型制造或成品制造,3D打印技术的工艺在不断发展。3D打印材料很多,各种塑料、木质、金属粉末、光敏树脂、陶瓷、食材等。随着绿色环保的推进,2015年12月14日,东北林业大学举办“农林业废弃物3D打印材料全国媒体介绍会”,会上重点介绍了本校机电工程学院郭艳玲教授研发的以农林废弃物粉末为原料经过复合加工制备出的新型3D激光打印材料[6]。这种材料利用田间废弃的秸秆稻壳等废料制备,东北稻米较多就近取材,减少了运输成本;制作过程少污染、耗能少;制作出来的材料在一些性能上远远优于传统的打印材料。在工业设计过程中,设计师往往会通过结构模型和3D打印手板来推敲产品的外观和结构。这些过程中的成本费用最后是通过销售价格抵消的。而此种新型打印材料取材于田间废弃物,成本低;对于生产地来说,就地取材,运输成本低,,极大缩减了成本开支。在工业产品设计中,有些产品已经实现3D打印成品,随着3D新材料的应用以及技术的发展,使用此类材料实现对日常用品的生产将会极大地降低成本让利消费者,以达到绿色生活的追求。

(二)工业产品设计中的小麦秸秆+近年来不断出现在人们视野的小麦秸秆+食品级PP材料的生活用品(如图4、5)所示,以其绿色环保、自然麦香、可降解的优异性能被越来越多的消费者所接受,并以产品覆盖类型多元化的趋势迅猛发展。现在市面上很多以小麦秸秆作为宣传点的生活用品,如牙杯、餐具、砧板等都是以绿色环保健康为最大的销售点。小麦秸秆+食品级PP其实是谷物纤维复合材料的一种,这类材料通过对天然植物纤维稻壳秸秆加工并加入高分子树脂PP复合成型。在产品设计过程中,谷物纤维复合材料依赖于本身的化学可降解性能已经满足了现代设计和生活的绿色要求。此外,设计师在设计产品时有时会倾向于使用产品所选材料本身的纹理来作为对产品的装饰,而谷物纤维系列的复合材料除了有耐热、硬度高、易成型的特点外,在材料表面有些秸秆颗粒的纹理,在设计时,这种纹理可以直接为设计师所采用而不需要特殊处理;这些纹理颗粒在经过处理后还可以达到只有近距离才可见的效果;所以,谷物纤维复合材料在生活类工业设计产品中的使用会随着加工成型技术的进一步发展而不断深入。

(三)工业产品设计中的咖啡渣+咖啡是世界三大饮品之一,世界咖啡生产量巨大,每年制作咖啡的废弃物也很多。咖啡豆在研磨中会产生大量咖啡渣,这些废料大多被扔掉。曾有一位哥伦比亚咖啡研磨师洛克赛•肖卡利用咖啡渣建造了一座房子。他使用咖啡渣与绿色环保的PS粉混合物通过特殊的材料加工工艺制作出复合材料,并取名为咖啡渣复合物。在加工材料的过程中由于材料本身的特性不使用胶水钉子也不会产生甲醛,非常符合绿色理念。随后经过研究发展,他利用此材料建造了一栋坚固的样品房[7]。由此,咖啡渣的应用研究不断发展。2018年德国红点奖,最佳产品设计奖——啡渣回收杯,由柏林Kaffeeform公司设计制作。利用咖啡渣、山毛榉木材料的特殊平衡比例混合咖啡渣木质颗粒、木质素制作了可回收利用的杯子。由于原材料以咖啡渣为主,这种材料本身具有深色棕榈木视觉效果,并且有怡人的咖啡味道[8]。咖啡壳是一种与普通木质材料成分不同的木材,对高温环境敏感,在加工过程中充分考虑到加工工艺可以制备出满足需求的咖啡渣复合材料。目前世界对新材料的研发非常关注,因此,作为日常用品的废弃物,咖啡壳渣以其客观的纤维素和半纤维素以及天然的清香味道将会在工业设计产品的材料选择中占有一定比重[9]。现在市面上也已经存在此种复合材料,随着技术的发展和精进将会出现性能更完美的咖啡渣复合材料。

(四)工业产品设计中的竹纤维+竹子,草本植物,种类繁多,生长速度快。我国是竹的原产地,资源丰富。其实竹子在古代就已经应用在产品中了:世界上最古老的自来水管就是用竹子做的,竹造纸早在9世纪德州农已经存在了。随着认了文明的进步,竹子的用途越来越多,建筑、家居等。在现代的工业设计产品中,竹子的使用也不再是最初的烘干压制编制。竹缠绕技术[10],借助于竹材柔韧特点以剖削的一定规格竹皮为最小单元缠绕制备出生物基复合材料。使用这种技术制作的复合压力管性能优良,非常符合我国生态文明建设的发展要求。可广泛应用在城市交通建设,并有望应用在航空等领域;竹纤维复合材料,在现在的市场上已经可以看到很多工业产品,通过对各类竹子通过纤维提取并加入复合物制作出表面光滑带有竹纹和自然竹香的复合材料。用于家居和办公等各场所的产品,以其环境友好型和装饰功能受到越来越多的青睐。各种植物类生物基复合新材料正在以不可阻挡的势头迅猛发展。

总结

处在世界性焦点的现代工业设计领域,机遇与挑战同在。随着世界资源的构架变化,人类不可能无休止向自然索取。绿色健康的可持续发展是历史总结也是历史必然,现代工业设计在其中扮演的角色也是不可或缺的。这就要求在设计中充分将用户和自然与产品“友好”结合,设计行业的服务人员也要紧跟时代发展方向,不仅要做到对产品结构的优化设计,同时在使用材料方面更要注重与使用者和环境的互动关系。绿色环保的生物基复合材料的使用是缓解能源危机的重要环节,是相应国家发展战略和国际呼吁的必然选择,更重要的是满足人类绿色健康生活的需求。作为优质健康的材料,给用户良好的使用体验,向用户传达绿色健康的设计理念和生活方式,引导人们通过自身的消费和选择为国家发展和全球性环境保护做出贡献。以生物基为主要原材料的复合材料将会以迅猛的速度席卷全球工业设计领域,并“进入寻常百姓家”。

参考文献

[1]尹海华.生物基复合材料大规模生产关键技术获得突破.2017-09-05.

[2]中国塑料加工工业协会.中国塑料加工工业[J].中国塑料,2018,32(4)1-5.

[3]王丽.李雪铭.许研.中国大陆秸秆露天焚烧的经济损失研究[J].干旱区资源与环境,2008.(2):170-175.

[4]国家发改委.关于编制‘十三五’秸秆综合利用实施方案的指导意见.2016-11-24.

[5]张波.生物基材料国际发展态势分析.2015-02-18.

[6]东北林业大学用生物基原材料秸秆制备3D打印材料[J].石油化工应用,2016,35(05):90.

[7]陈之杂.用咖啡渣盖房子[J].视野,2011.(06):40.

[8]汤正捷.咖啡壳在木质复合材料中的应用[J],2016(4)124-125.

[9]EmmaRedDot.咖啡渣回收杯KAFFEEFORMMATERIAL[J].设计2018(18)19.

[10]费本华.陈美玲.王戈.叶柃.陈琦.竹缠绕技术在国民经济发展中的地位与作用[J].世界竹藤通讯2018(4):1-4.

作者:王琪 李波涛 单位:武汉理工大学

生物基复合材料工业产品应用前景责任编辑:张雨    阅读:人次