費本華

(國際竹藤中心 北京100102)

據(jù)2017 年由國際竹藤中心、 國際竹藤組織和英國皇家植物園聯(lián)合出版的《世界竹藤名錄》 (World Checklist of Bamboo and Rattan) 權(quán)威發(fā)布， 全球竹類植物88 屬， 1 642 種， 面積約3 200 多萬hm2。 最新發(fā)布的中國第九次森林資源清查結(jié)果表明， 我國竹林面積641 萬hm2， 約占全球總量的20%， 僅2018 年， 我國大徑竹產(chǎn)量達31.55 億根， 是世界上竹資源最豐富的國家。

在我國古代， 竹子與我們的精神生活聯(lián)系緊密，具有豐富的文化內(nèi)涵。 在現(xiàn)代， 通過竹產(chǎn)品為載體可以傳遞東方生活美學， 表達美與綠色的文化理念。更重要的是， 竹子生長迅速， 成材率高， 一次性種植， 永續(xù)利用， 是巨大的、 綠色的可再生資源寶庫和能源寶庫[1]。 因此， 竹子在文化、 生態(tài)、 材料等方面均具有重要的研究價值， 三者高度一體化是任何其他植物無法相比的。

本文主要對竹子作為材料在家居、 工程等領(lǐng)域的應用進行探討。 在材料研究領(lǐng)域， 竹材輕質(zhì)高強，再生速度快， 與化石能源相比， 有無可比擬的優(yōu)點。據(jù)統(tǒng)計， 相同面積的建筑物， 竹材的能耗是混凝土能耗的1/8， 鋼鐵能耗的1/50， 木材能耗的1/3[2]。隨著竹材工業(yè)化水平的發(fā)展， 研究人員先后開發(fā)了竹膠合板、 竹刨花板、 竹層積材、 竹集成材、 竹重組材等結(jié)構(gòu)材料和裝飾材料， 為竹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了必要條件[3]。 本文重點對比竹材與木材、 塑料、鋼材、 陶瓷等材料的優(yōu)劣性， 指出竹材在家居、 工程等領(lǐng)域的獨特性能優(yōu)勢， 實現(xiàn)人居與竹材共生共榮， 在改善人居環(huán)境、 提升人民生活質(zhì)量方面有重要的推動作用。

1 竹木并舉

20 世紀50 年代至20 世紀末， 由于國家建設(shè)的大量需求， 以及不合理的、 破壞性采伐利用， 天然成熟用材林幾乎消失殆盡， 木材資源嚴重短缺。2018 年， 我國原木進口量為5 968.6 萬m3， 鋸材進口量為3 673.6 萬m3， 二者進口總額達211.1 億美元， 成為全球最大的木材消費國和進口國， 對外依存度已超過60%， 木材安全問題日益凸顯。 此外，隨著國家生態(tài)建設(shè)系列政策的出臺， 以及對國有林場、 國有林區(qū)禁止商業(yè)性采伐政策的實施， 國產(chǎn)木材供應量銳減， 木材將無法滿足未來建筑行業(yè)發(fā)展的需要。 相比之下， 產(chǎn)量大、 生長周期短的竹子資源， 可成為天然建筑材料等諸多領(lǐng)域的新成員， 可以更好地服務(wù)于國民經(jīng)濟建設(shè)。

竹子的生長速度在木質(zhì)植物中最為快速， 一天的高生長可達1 m。 不同竹種經(jīng)濟成熟的時間不同，筇竹2 年、 慈竹3～4 年、 毛竹4～5 年材性就能達到最優(yōu)值， 符合建筑材料所需標準。 而樹木一般需要15 年以上方可成材， 有的50 年才能成材， 難以滿足快速發(fā)展的經(jīng)濟建設(shè)、 高質(zhì)量發(fā)展的需求， 且這種供需矛盾會隨著環(huán)保舉措的強化日益顯著。

竹材除了資源優(yōu)勢外， 還具有優(yōu)良的力學性質(zhì)。竹材在順紋方向上有非常優(yōu)良的抗拉性能， 平均抗拉強度為100 ～250 MPa， 是木材抗拉強度的1.5 ～2.0 倍， 約為同比重下鋼材抗拉強度的3 ～4 倍。 毛竹纖維的平均抗拉強度為1 543.77 MPa， 平均彈性模量為33.86 GPa， 與落葉松晚材纖維(410 ～1 422 MPa) 和挪威云杉纖維(1 186 MPa) 相比， 毛竹抗拉強度遠遠大于木纖維的抗拉強度平均值[4]。 此外，竹材還具有超強的徑向抗壓能力， 用竹材建造的穹頂可以承受近10 t 的負荷。 竹材的綜合性能相比石材、 鋼材等也毫不遜色[5-6]。

除了強度高的優(yōu)點外， 竹材還具備良好的韌性特征， 這與竹材獨特的梯度結(jié)構(gòu)密切相關(guān)， 其維管束分布密度由內(nèi)向外連續(xù)增大， 竹壁密度呈現(xiàn)顯著的梯度分布， 組織向外愈加致密化。 梯度結(jié)構(gòu)賦予了竹材優(yōu)良的抗彎性能， 纖維體積分數(shù)一定的條件下， 梯度材料比均質(zhì)材料的抗彎模量高30%。 竹材彎曲曲率是山毛櫸的2 倍， 云杉的3.5 倍[7-8]。 這種韌性使竹建筑具有很好的抗震效果， 在承受地震波時， 相比混凝土建筑不易坍塌， 留存時間較長， 抗震等級高。 20 世紀90 年代， 哥斯達黎加發(fā)生7.7 級大地震， 2 000 余幢建筑在地震中全部坍塌， 而700余座傳統(tǒng)竹屋卻未被破壞。

基于竹材這些優(yōu)良的性能品質(zhì)， 研究人員開發(fā)了多種竹質(zhì)板材， 以供家具、 建筑、 裝飾裝修等領(lǐng)域使用。 竹質(zhì)板材的種類繁多， 有竹膠合板、 竹刨花板、 竹層積材、 竹集成材、 竹重組材、 圓竹工程材等結(jié)構(gòu)材料和裝飾材料， 為竹產(chǎn)業(yè)服務(wù)經(jīng)濟建設(shè)提供了必要條件。 隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展， 可持續(xù)發(fā)展理念的不斷深入， 人們對綠色環(huán)保材料的需求越來越高， 在當前木質(zhì)資源匱乏的情況下， 優(yōu)質(zhì)的竹質(zhì)板材可以作為綠色環(huán)保材料的補充資源， 滿足多元化建筑的市場需求[9-10]。

2 以竹代塑

眾所周知， 塑料是一種以高分子量合成樹脂為主要成分的塑性材料， 在人們的生活中扮演著重要角色， 從飲水瓶到餐具， 從辦公用品到生活用具，無處不在。 然而， 這種難以降解的“白色垃圾” 對環(huán)境產(chǎn)生了災難性影響， 破壞海洋生態(tài)環(huán)境， 進而進入人們的食物鏈， 造成更大的破壞。

據(jù)推算， 全球每分鐘賣出100 萬個塑料飲料瓶，每年使用5 萬億個塑料袋， 這些東西轉(zhuǎn)眼就成了塑料垃圾。 2018 年6 月5 日， 聯(lián)合國環(huán)境署首次聚焦一次性塑料污染問題， 發(fā)布世界環(huán)境日的主題為“塑戰(zhàn)速決”。 2018 年10 月24 日， 歐洲議會投票通過禁止使用一次性塑料的立法提案， 以遏制日益嚴重的塑料廢棄物對海洋和生態(tài)環(huán)境的污染。 根據(jù)該禁令規(guī)定， 從2021 年起， 歐盟已經(jīng)發(fā)出禁塑令， 將于2021 年全面禁止生產(chǎn)和銷售一次性餐具、 棉簽、吸管等塑料制品， 這些用品將由紙、 秸稈或可重復使用的硬塑料替代。 因此， 發(fā)展可替代塑料使用的綠色用品成為必然并具有巨大的商機。

作為一種資源豐富的生物質(zhì)材料， 竹制品在很多領(lǐng)域都可以替代塑料產(chǎn)品。 包括日用品類、 包裝類、 建材類和汽車用材料等。

日用品領(lǐng)域的竹制品種類較多， 有吸管、 餐具等多種產(chǎn)品。 竹吸管一般由箭竹作為原材料， 由高溫蒸汽碳化處理后使用； 一株箭竹可以制作出8 支左右的竹吸管， 分為粗、 細等不同等級， 分別用來飲用冰水、 果汁等產(chǎn)品。 一次性餐具， 原材料可以是竹條或竹炭， 制作一次性餐具： 盤、 杯、 刀叉、勺； 竹炭攪拌棒， 目前已在日本市場進行售賣。 此外， 棉簽棒、 牙刷柄等材料都可以用竹材進行制作。

竹材在包裝領(lǐng)域可以用于制作包裝盒、 運輸用托盤等產(chǎn)品。 這種竹包裝產(chǎn)品既可以達到環(huán)保目的， 又能夠提高產(chǎn)品的文化價值， 具有廣闊的應用前景。

輕量化是當前汽車領(lǐng)域的重點發(fā)展方向， 寶馬、奧迪、 福特、 大眾、 豐田等全球知名汽車品牌均在關(guān)注天然新型輕質(zhì)材料， 這些材料可應用于噪聲屏蔽、 底部、 前端、 保險杠梁、 車門、 儀表板等多個部位。 其中， 竹纖維增強熱塑性復合材料越來越受到汽車制造商的青睞， 預計2020 年竹纖維增強復合材料潛在市場需求將達660 萬t， 市場空間廣闊。

此外， 以竹篾為基材， 采用纏繞工藝制備的竹纏繞復合材料近年來發(fā)展迅速， 這種竹纏繞管道具備原材料可再生、 產(chǎn)品可降解等多重優(yōu)點， 可以替代部分塑料建材在城市供水系統(tǒng)中使用， 是竹材應用的一個重要發(fā)展方向。

3 竹鋼協(xié)同

目前我國鋼鐵工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點是維持供需基本平衡， 推進全行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展， 同時在全國范圍內(nèi)去產(chǎn)能， 減少重點區(qū)域產(chǎn)能和產(chǎn)業(yè)布局。 這一舉措的實施是力求解決鋼鐵產(chǎn)業(yè)與環(huán)境保護之間的矛盾。 在這種形勢下， 有序增加綠色天然建材的使用， 緩解鋼材需求， 成為建材市場的發(fā)展方向。

建筑領(lǐng)域的研究人員認為， 相較于木材和鋼材，竹材的優(yōu)越性集中體現(xiàn)在其受力與傳力層面。 在建筑設(shè)計上， 考慮竹材軸向受力特性， 可以選擇桁架、網(wǎng)架等主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件為軸向受力的結(jié)構(gòu)體系進行建筑設(shè)計， 適用于構(gòu)件密度較大的結(jié)構(gòu)體系。 同時，竹材可以替代建筑的結(jié)構(gòu)、 圍護、 隔斷等多種部位，在設(shè)計和建造方面具有非常好的結(jié)構(gòu)性、 靈活性和抗震性， 能夠形成一個快速的工業(yè)化房屋建造體系[9-10]。

此外， 竹材的傳熱系數(shù)小， 導熱系數(shù)約為0.3 W/m K， 具有很好的保溫隔熱性能， 在達到同樣保溫效果的條件下， 竹材所需厚度僅為混凝土的1/15、鋼材的1/400， 且平均濕度變化保持在60%～80%，與最佳居住環(huán)境濕度接近。

因此， 竹材可以用于建造低層住宅建筑， 替代低層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或磚混結(jié)構(gòu)， 從而達到減少建筑領(lǐng)域鋼材使用、 補充綠色建材資源的目的。 從建材發(fā)展角度來看， 這一措施既符合生態(tài)節(jié)能建筑、裝配式建筑的新型產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨向， 又達到了健康環(huán)保的目的。 隨著竹建材標準和相關(guān)政策的日漸完善，竹材與鋼材協(xié)同發(fā)展有著廣闊的發(fā)展前景。

4 竹瓷互補

我國是世界上最大的陶瓷生產(chǎn)國， 建筑、 衛(wèi)生、日用陶瓷產(chǎn)量多年位居世界第一。 其中， 日用陶瓷年產(chǎn)量超過400 億件， 占全球產(chǎn)量的60%以上。 但是， 隨著社會環(huán)境的改變， 陶瓷領(lǐng)域面臨產(chǎn)量過高、能耗過高、 難降解等多種問題， 尤其是陶瓷極不易降解， 成為影響自然環(huán)境的重大問題[11-12]。

首先是原材料問題。 高嶺土占陶瓷原料的20%～30%， 在陶瓷、 造紙、 涂料、 橡膠等領(lǐng)域應用廣泛。 但是高嶺土屬于不可再生的非金屬礦產(chǎn)資源，盡管我國高嶺土資源儲量豐富， 但是因為造紙或陶瓷等生產(chǎn)應用， 對高嶺土的需求量非常巨大， 高端涂料級高嶺土依然主要依賴進口。

其次是能源消耗問題。 陶瓷燒成溫度在800 ～2 000 ℃， 生產(chǎn)制造的能源成本約占總成本的10%～18%。 以建筑陶瓷為例， 大致可以分為3 部分的能耗： 噴霧干燥能耗， 約980 ～2 200 KJ/kg； 干燥能耗， 約250 ～750 KJ/kg； 水和原料消耗， 這部分能耗根據(jù)涉及的生產(chǎn)工藝類型和產(chǎn)品性能的需求而有所不同。

除了能源消耗外， 陶瓷在制備過程中有大量的廢氣、 廢水排放， 廢氣主要包括顆粒物、 大氣污染物， 如二氧化硫及其他硫化物、 氮氧化物及其他含氮化合物、 揮發(fā)性有機物(VOCs)、 重金屬及其化合物、 氯化物、 氟化物等。 水是陶瓷工業(yè)中非常重要的原料， 在原料制備設(shè)備、 上釉設(shè)備清洗過程中，以及旋轉(zhuǎn)過濾器脫水過程中， 需要大量用水， 雖然這些水通常會被回收再利用， 但是仍有部分廢水排放出來， 導致環(huán)境污染。

更重要的是， 我國每年在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中廢瓷年排放超過120 萬t， 使用環(huán)節(jié)年約100 億件產(chǎn)品廢棄。陶瓷廢棄物中硅酸鹽礦物會發(fā)生風化， 類似于自然界礦物風化， 不影響資源的循環(huán)利用； 但是， 普通日用陶瓷制品通常不易破碎、 難風化、 不可降解，多做填埋處理， 對生態(tài)環(huán)境有很大的影響。

根據(jù)目前竹材的應用領(lǐng)域， 可以預測竹材在一定程度上能夠代替或補充日用陶瓷、 衛(wèi)生陶瓷的應用。 如竹餐盤、 花盆、 日用品、 衛(wèi)浴等， 有些已經(jīng)開始推廣應用。 竹旋切單板制作的竹餐盤、 竹纖維紙漿或竹塑制作的花盆、 重組竹制作的衛(wèi)浴等， 這些產(chǎn)品既具有陶瓷的高硬度、 高耐熱性等， 又具有可降解的優(yōu)點， 有益于人體健康和環(huán)境保護。

5 小結(jié)

總之， 竹材在建筑、 家居、 交通、 日用制品和纖維化利用等領(lǐng)域均具備廣泛應用的潛在發(fā)展價值。在性能、 成本、 資源量及環(huán)保等方面具有獨特的多重優(yōu)勢， 甚至對于氣候變化、 碳排放都有巨大貢獻。在當前不可再生資源日益枯竭的情況下， 能否作為原料予以回收， 成為工業(yè)產(chǎn)品的一項重要評價指標。因此， 大力發(fā)展竹產(chǎn)業(yè)、 開發(fā)優(yōu)質(zhì)竹產(chǎn)品， 是一項改變?nèi)祟惿睢?促進綠色發(fā)展的重要舉措和必然選擇。

致謝： 感謝國際竹藤中心馬欣欣副研究員為本文撰稿的資料收集和內(nèi)容整理提供幫助， 感謝李智勇研究員給予指導。