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推动竹缠绕复合材料应用引领中国迈向材料强国

发表时间: 2021-01-15 14:55:18

作者: 叶 柃1 焦 健2

来源: 世界竹藤通讯公众号

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(1 ***林业和草原局竹缠绕复合材料工程技术研究中心杭州 311253;2 中国能源研究会能效与投资评估专业委员会北京 100053)

摘 要:竹缠绕复合材料是以天然竹材为基材, 以树脂为胶黏剂, 采用缠绕工艺加工成型的新型生物基材料, 具有质量轻、 强度高、 综合造价低、 承压能力强、 保温性能好、 抗震抗沉降能力强、 绿色环保、 节能低碳等特点, 可替代钢材、 塑料、 水泥等传统材料, 广泛应用于城建、 市政、 交通、 水利、 航空、 国防等领域, 可大幅度减少不可再生材料的使用。 竹缠绕复合材料的推广应用, 对于推动传统行业高质量发展, 促进中国向世界材料强国迈进以及人类社会的可持续发展意义重大。 文章分析了竹缠绕复合材料的发展潜力、 产业化现状及前景, 对进一步推动竹缠绕复合材料应用提出了建议。

关键词:竹缠绕复合材料;生物基材料;绿色经济;可持续发展材料是国民经济建设、社会进步和国防安全的物质基础,是实现产业结构优化升级和提升装备制造业的保证,也是发展新兴产业的先导,历来都被各国视为提高产业竞争力的关键。中国经过40 余年的改革开放,已经发展成为一个材料大国,许多基础材料的产能已居全球之冠,新材料产业的重要性也在不断提升。然而,中国材料产业与世界发达***相比还有很大差距。实现材料大国向材料强国的转变,将是未来中国材料产业最重要的目标之一。

随着石油资源的日渐趋紧以及环保压力的不断增加,生物能源产业和生物制造产业逐渐成为全球发展的热点。作为全球战略性新兴产业,生物制造以其资源可再生、能源消耗低、环境污染少等特有属性,成为支撑未来全球社会经济可持续发展的重要保障。作为生物制造的基础,生物基材料主要来源于植物,较石油基材料减少了二氧化碳排放,缓解了人类对石油的依赖,同时生产过程更加绿色、更加环保。生物基材料有助于解决全球经济社会发展所面临的资源和能源短缺以及环境污染等问题,是当今世界新材料发展的重点,逐渐成为引领世界经济发展和科技创新的又一新兴主导产业。

近年来,中国生物基材料行业正以每年20%以上的速度增长,产品种类和市场不断扩大[1],为制造业发展提供了必要的生产原料。在“中国制造2025” 中,生物基材料和纳米材料被一同纳入新材料前沿研究领域,在“十三五” ***科技创新规划中,也明确提出要创制生物基材料等农业生物制品并实现产业化。“十四五” 作为实现社会主义现代化强国的新起点,也为生物基材料的发展提供了新机遇。生物基材料的发展不仅有助于中国实现材料强国的目标,同时将有效提升中国制造业的绿色化水平。

竹缠绕复合材料作为中国制造的全球首创新材料,是以天然竹材为基材,以树脂为胶黏剂,采用缠绕工艺加工成型的新型生物基材料,可替代钢材、水泥、金属、塑料、木材等传统基础性工业材料,广泛应用于管道、管廊、容器、大型储罐、房屋、运输工具壳体(高铁车厢、飞机机身、船只)、军工装备等产品制造,对推动传统行业的高质量发展,促进中国向世界材料强国迈进,以及人类社会的可持续发展意义重大[2]

1 竹子是全球分布最广泛的生物资源

竹子是一种优质的天然材料,具有生长速度快、再生能力强的特点。竹子是世界上生长最快的植物之一,3~5 年即可成材,并且一次栽培可永续利用。竹秆中的维管只有管束而没有形成层,因而新竹长成抽枝展叶后,竹子的体积不再随着年龄的增加而增大。毛竹林出笋成竹一般大小年明显,大年大量发笋成竹,次年(小年) 主要是换叶生鞭,出笋少,甚至不出笋,2 年为一周期交错进行。科学合理地采伐竹子不但不会破坏竹林,还能调节竹林结构,提高竹林质量,改善立地条件,促进竹林稳产高产,充分发挥竹林的经济效益、生态效益和社会效益[2-3]

有别于其他植物,竹子具有优异的轴向拉伸强度和柔韧性,这也是竹子能生产各种竹缠绕复合产品的关键原因。从结构上看,竹子由韧皮部、导管、纤维及基本组织薄壁细胞构成,竹青至竹黄的维管束密度的梯度变化形成渐变组织结构,同时竹子具有多孔结构。这种渐变组织结构和多孔多级结构有利于竹材的弯曲形变,使得竹材具有很好的柔韧性和轴向拉伸强度。4 年生毛竹单根纤维拉伸强度高达1 710 MPa,比30 年生杉木晚材单根纤维的拉伸强度(1258 MPa) 高36%,比洋麻 (1 019 MPa)和苎麻(1 001 MPa) 高70%左右;4 年生毛竹单根纤维的弹性模量为 27.1 GPa,远高于苎麻(11.4 GPa),比30 年生杉木晚材(19.9 GPa) 要高36%,与洋麻相差不大(30.8 GPa)。同时,竹子的多孔结构也使竹产品具有良好的耐寒与保温性能。

竹资源分布非常广泛。全世界有竹类植物88 属1 642 种,总面积约3 200 万hm2[4],分为亚洲太平洋竹区、美洲竹区、非洲竹区3 大竹区。其中,亚太竹区是世界上***的竹区,竹林面积和竹种资源分别约占世界总量的45%和80%。中国是世界上最主要的产竹国,竹类资源、竹林面积、竹材蓄积和产量均居世界首位。目前,中国竹材年产量约为4 000万t,仅占竹林可砍伐量的1/4 左右,每年约有1.1 亿t 竹材未被开发利用,中国竹资源尚属于闲置资源,可利用空间巨大[2,5]

2 竹缠绕复合材料已具备产业化推广基础

竹缠绕复合材料由浙江鑫宙竹基复合材料科技有限公司和国际竹藤中心研发团队经过10 余年攻关研制而成。该材料是将竹子剖成篾并作为基材,以树脂为胶黏剂,采用缠绕工艺加工成型的一种生物基复合材料。竹缠绕复合材料保持了竹子原有的物理特性,充分发挥了竹子轴向拉伸强度高和柔韧性好的天然优势,将竹材的轴向拉伸强度应用至***化,并在产品结构中形成无应力缺陷分布。

竹缠绕复合材料具有质量轻、强度高、综合造价低、承压能力强、保温性能突出、抗震和抗沉降能力强、绿色环保、节能低碳等特点,可替代钢材、塑料、水泥等传统材料,广泛应用于城建、市政、交通、水利、航空、国防等领域,大幅减少了不可再生材料的使用。作为一种新型的生物基复合材料,竹缠绕复合材料是中国自主研发、具有独立完整知识产权的新型生物基材料,改变了人类对竹子应用的传统认知。目前,竹缠绕复合材料可用于生产管道、管廊、高铁车厢、房屋等产品,初步建立了标准体系,并获得社会广泛认可,已经基本具备产业化推广基础。

2.1 竹缠绕复合材料可生产多种产品

竹缠绕复合材料可生产制造成管道、管廊、高铁车厢、房屋、飞机机身、大型储罐等产品,对于国民经济发展具有重要作用。目前,竹缠绕复合管、竹缠绕管廊、竹缠绕整体组合式房屋已进入推广应用和产业化阶段[2]

竹缠绕复合管是中国***的原创性管道,于2007 年成功研发,2009 年在浙江、安徽工程中成功试用,并通过省级新产品鉴定。2013 年在***水利部的组织下,竹缠绕复合管在新疆、浙江、黑龙江3 种不同气候环境下进行了示范应用,获得成功。从2015 年7 月开始,在全国各地陆续建成了竹缠绕复合管生产基地,如今已在湖北襄阳、山东临沂、内蒙古乌海、广西玉林、福建龙岩、河南南阳分别建成投产年产万吨竹缠绕复合管生产基地,为竹缠绕复合材料项目在全国范围内的产业化推进奠定了基础。

竹缠绕复合管是世界***根可工业化生产的生物基管道,可替代由水泥、金属、塑料和玻璃钢等材料制成的传统管道。由美国北德克萨斯州大学进行的“竹缠绕与聚氯乙烯(PVC) 给水管生命周期评估比较” 结果显示,与聚氯乙烯管相比,给水系统使用竹缠绕复合管的累计能源需求明显下降,全球气候变暖可能性、酸化、人类健康、富营养化、生态毒性、烟雾、水消耗等环境影响主要指标均显著降低。此外,加拿大***林产品创新研究院对竹缠绕复合材料加速老化的试验结果表明,在自然条件下使用56 年后,其强度保留率为74%;中国***农业灌排设备质量监督检验中心对竹缠绕复合管进行的10 000 h 静水压试验结果表明,在20 ℃、50年、95%置信下限,管材长期静液压强度预测值(LPL) 为0.74 MPa,即在正常使用条件下,竹缠绕复合管的使用寿命可达50 年以上,长期寿命优于水泥、钢材和塑料等传统材料。

竹缠绕管廊是竹缠绕复合材料产业研发中的重大创新产品,可取代目前现浇或预制式钢筋混凝土制作的管廊。2018 年4 月世界***根直径3 200 mm的竹缠绕管廊示范工程在内蒙古元亨石墨产业园完成。2019 年11 月竹缠绕管廊***应用在山西省大同市同煤快线(南中环) 段第3 标段综合管廊工程中,采用直径3 200 mm 竹缠绕管廊,长度为279.3 m。

2.2 竹缠绕复合材料标准体系初步建立

经过10 多年的发展,竹缠绕复合材料已经初步建立了标准化体系。2017 年中国工程建设标准化协会发布了《竹缠绕复合管道工程技术规程》 (T/CECS 470—2017),自2017 年10 月1 日起正式实施。2019 年《竹缠绕复合管》 (GB/T 37805—2019)***标准正式发布,于2020 年3 月1 日起正式实施;其中规定了原材料标准,要求竹篾的含水率应控制在7%~13%。2020 年3 月***林业和草原局颁布了《竹缠绕管廊》 (LY/T 3202-2020) 行业标准,于2020 年10 月1 日起开始实施。

标准体系的初步建立,为竹缠绕复合材料产业向专业化、规范化和标准化方向发展提供了保障,有助于提升材料的性能和品质,推动产业的可持续性发展。

2.3 竹缠绕复合材料获得社会广泛认可

作为新型环保低碳材料,竹缠绕复合材料的研发与推广得到了全国人大、全国政协、***发改委、***林草局、水利部、住建部、科技部、生态环境部、工信部、农业农村部等***部委的高度重视和大力支持;同时还得到科技、能源、环保等行业的关注与参与。

竹缠绕复合管已先后取得相关部门和行业的技术评定,获得广泛认可。竹缠绕复合管被***林业局鉴定为“国际***水平”,并被列入《2016 年重点推广林业科技成果100 项》,以及《林业产业发展“十三五” 规划》 中的林业产业发展重点领域;被水利部列入《2015 年度水利先进实用技术重点推广指导目录》,并被认定为“水利先进实用技术”;被住建部评估为 “国际先进技术水平”,并被列入《海绵城市建设先进适用技术与产品目录》 《2015 年全国建设行业科技成果推广项目》;被***发改委列入《***重点推广的低碳技术目录》;被科技部列入2016 年度***重点研发计划“林业资源培育及高效利用技术创新” 重点专项。

3 竹缠绕复合材料的推广应用具有重要意义

竹缠绕复合材料技术是林业行业贯彻落实国务院对新兴产业发展战略部署的重要成果之一,符合***“资源可再生及综合利用、生产过程节能环保、产品可固碳储碳” 等战略导向,对于维护***能源与资源安全、推动绿色发展、兑现节能减排国际承诺、兴林富民和贫困人口脱贫等具有重要意义。

3.1 有助于绿色发展与应对气候变化

竹缠绕复合材料可替代钢材、水泥、玻璃钢、塑料等不可回收的高污染和高耗能原材料,是绿色发展的重要创新。首先,竹子作为竹缠绕复合材料的主要原料,具有很强的固碳储碳能力,在生长过程中可储存大量二氧化碳,其固碳量是杉木的1.46倍、热带雨林的1.33 倍[6]。因此,与钢铁、水泥、塑料等传统材料相比,竹缠绕复合材料具有良好的固碳储碳效益,对缓解温室气体排放具有重要意义。其次,以竹缠绕复合材料为原料生产的各种产品,可替代由钢材、塑料、水泥制成的产品,使人类在一定范围内摆脱了对石化和矿物质资源的依赖,为维护***能源安全和资源安全开辟了新渠道,有助于减少环境污染,有助于中国政府应对全球气候变化行动、兑现节能减排的国际承诺,对全球绿色发展具有重要意义。目前中国每年有1.1 亿t 竹子未被充分利用,如果将这些竹资源加工成为竹缠绕复合材料产品,用以替代钢铁、水泥和塑料制品,每年可以节省约1.4 亿t 标准煤,减少3.5 亿t 二氧化碳排放[7]

3.2 可有效促进竹产业发展

竹缠绕复合材料产业化可盘活大量闲置竹资源,能充分利用竹资源和劳动力,有效解决传统竹产业加工制造分散、技术粗放、高耗能、附加值低、牺牲环境、徒耗资源等弊端,引领竹产业向集约型、低能耗、高附加值、智能化方向转型,大幅提高竹产业产值,有效促进竹产业发展。

3.3 可助力林业精准扶贫

竹缠绕复合材料涉及竹林培育、竹材加工、产品生产等诸多环节,可提供大量的就业岗位,有利于优化农村产业结构,提高农民经济收入。在竹林培育环节,可以带动全球8 000 万农户就业,户均增收600 美元;在竹材加工环节,将竹资源进行加工生产出6 000 万t 竹原材料,按照人均年收入4 500美元计算,可以解决900 万农村劳动力就业;在产品生产环节,生产15 000 万t 竹缠绕产品,可以提供就业岗位145 万个,人均年收入可达到9 000美元。

3.4 有利于带动国际合作

“一带一路” 沿线亚洲***以及部分非洲***,具有丰富的竹资源,但竹材加工能力弱,工业化和产业化规模比较小。在国际合作中,竹缠绕复合材料可成为“南南合作” “一带一路” 走出去的亮点技术和产业,不仅有助于带动中国对外合作,还可有效提高全球竹资源的利用效率,对全球应对气候变化和实现可持续发展具有重要意义。

4 加快竹缠绕复合材料推广应用的建议

作为一种新型生物基材料,人们对竹缠绕复合材料及相关产品的认知还非常有限,产品推广应用亟待加强。建议***在产业政策方面给予更为明确的支持,同时需不断加强研发,完善标准体系,并不断提升信息化水平,加快示范应用,助力中国及全球的绿色发展。

1) 将以竹缠绕复合材料为代表的生物基材料,更加清晰地纳入到***新材料相关政策中,充分发挥生物基材料对产业升级和建设制造强国的作用。

2) 在***层面,加大竹缠绕复合材料的研发力度,开展竹子产地与性能研究、材料形成机理研究,分析优质竹资源的分布规律,进一步提高竹材质量,提升竹缠绕复合材料的各种性能,丰富竹缠绕复合产品,拓宽应用领域。

3) 逐步建立竹篾、树脂等各类原材料的标准,提高原材料识别能力,继续完善各种竹缠绕产品的标准,力争上升为国际通行标准,并建立产品测试和认证系统,为竹缠绕复合材料的推广应用及产业健康发展提供依据。

4) 在产业化过程中,提高竹缠绕复合材料在生产和使用过程中的信息化与智能化水平,利用AI 技术提升竹缠绕复合材料的便利性,推动传统材料的可持续发展。

5) 加强示范,大力开展各类产品的示范项目,对应用效果进行评估,积累应用数据,广泛宣传示范结果,提高公众对竹缠绕复合材料产品的认可度,吸引更多潜在应用。

6) 建议由***有关部门牵头,组织相关部门加强国际合作交流,把竹缠绕复合材料技术与产品纳入“一带一路”,以及其他多边及双边国际合作项目,充分发挥国际竹藤组织的作用,与更多的***和地区共同分享竹缠绕复合材料技术,使中国原创的生物基材料技术在应对全球气候变化中发挥更大的作用。

参考文献

[1] 戴丽昕.生物基材料将成为未来发展重点[N].上海科技报,2019-12-20(科普纵贯线).

[2] 江泽慧,叶柃,费本华.竹缠绕复合材料的研发、应用及产业化现状与前景[J].世界竹藤通讯,2020,18(2): 1-11.

[3] 杨阳.竹缠绕绿色低碳的中国创造[J].中国农村科技,2020(3): 38-41.

[4] 费本华.践行新理念提速竹产业[J].世界竹藤通讯,2019,17(2): 1-6.

[5] 吴文娟.竹缠绕复合材料掀起绿色发展新浪潮[J].浙江林业,2016(9): 20-21.

[6] 周国模,姜培坤.毛竹林的碳密度和碳贮量及其空间分布[J].林业科学,2004,40(6):20-24.

[7] 刘惠兰.竹缠绕复合材料我国新材料领域的重大创新[N].经济日报-中国经济网,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

***作者: 叶柃,***林业和草原局竹缠绕复合材料工程技术研究中心主任,主要从事竹缠绕复合材料研究工作。E-mail: tbchi@163.com。

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