王琪 李波濤

摘要：為使生物基復合材料進一步參與工業(yè)設計產(chǎn)品制作中，文章對其原料現(xiàn)狀、國家相關政策以及國際動態(tài)并以現(xiàn)有市面產(chǎn)品進行分析。工業(yè)設計正處在一個全球關注，國家推進時代。面對世界性能源與環(huán)境問題，促使產(chǎn)品選材親近用戶與自然，生物基復合材料應運而生。有著綠色環(huán)保概念的生物基復合材料是設計中實現(xiàn)真正綠色理念為數(shù)不多的一類素材。因此全球工業(yè)設計領域、國家層面、設計企業(yè)都在以不同的方式推動著生物基復合材料在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品中的應用。

關鍵詞：生物基復合材料 綠色環(huán)保 國家政策 工業(yè)產(chǎn)品材料應用

中圖分類號：TB47

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2019）02-0137-03

引言

進入21世紀以來，面對能源危機以及全球氣候變暖，人們在世界范圍內(nèi)興起了對生物基復合材料的研究與利用，力求通過減少塑料等這一類以石油副產(chǎn)物為原料制造的材料對環(huán)境的傷害，大力改善和保護環(huán)境，同時加快綠色生活的發(fā)展速度。隨著社會的發(fā)展和人類精神文明的進步，人們對生活質(zhì)量的要求不僅僅停留在滿足生理需求的這一層面，更多的是對生活質(zhì)量的需求和人與環(huán)境的互動。這就要求人們生活中的使用品和生活格調(diào)要與自然有著天然的親近感，因此，人們將研究方向轉(zhuǎn)于被大自然所親近和接受的材料——生物基復合材料?，F(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品設計也應當不同于以往的設計，需要添加的因子是要跟隨時代和消費者以及國家發(fā)展訴求的。設計師不僅要考慮造型本身的成本，也要考慮使用，材料的社會成本，以及后續(xù)回收成本和產(chǎn)品壽命殆盡被拋棄到自然中，自然界為此付出的“代價成本”;所以以生物為主要原料的新型復合材料以其天然的優(yōu)勢，將會成為未來產(chǎn)品材料應用領域的“新生代主力軍”。

一、什么是生物基復合材料

由于人類對自然過度開發(fā)，導致石油等資源逐漸枯竭，而以其為原材料生產(chǎn)的相關產(chǎn)品在自然環(huán)境中很難在短時間內(nèi)分解，焚燒又會加劇溫室效應。因此隨著人類對環(huán)境和能源關注度的提高，生物基漸漸走入人們的視野。

什么是生物基？目前應用最廣的是除去糧食和其他主要作物產(chǎn)品后所剩余的木質(zhì)纖維素類農(nóng)林廢棄物，比如小麥秸稈。廣義性地講生物基原材料可以取用于自然界中動、植物甚至微生物等可再生資源。什么是生物基復合材料（如圖1）所示？簡單來說是生物基+，即通過特殊的加工工藝實現(xiàn)與其他材料的復合再造，加工出滿足人類不同層次需求的一類新材料。按照生物基原材料的加工方式，可分兩種：一種是不經(jīng)過化學等工藝處理的天然高分子生物基復合材料;一種是經(jīng)過生化等技術手段先將生物基材料轉(zhuǎn)化為低分子量的化合物單體，再實現(xiàn)向新材料的轉(zhuǎn)化的合成高分子生物基復合材料[1]。生物基復合材料的使用將大幅度減少對石油的開采加工，降低對環(huán)境中不可再生資源的使用率，同時增加環(huán)境保護力度，實現(xiàn)環(huán)境和資源的同步可持續(xù)發(fā)展。到目前為止，關于生物基復合材料的明確性使用標準仍較模糊，但它仍是目前有最大可能取代石油化工材料、促進資源可持續(xù)發(fā)展的新興材料之一。

二、生物基復合原料的國內(nèi)關注與重視

據(jù)統(tǒng)計，我國2017年全國塑料制品行業(yè)匯總統(tǒng)計企業(yè)累計完成產(chǎn)量75155.4kt，同比增長3.44%。但是，隨著國家環(huán)境保護力度的加大，部分企業(yè)由于生產(chǎn)過程中的污染問題被迫關停整改，小型企業(yè)的生存空間不斷壓縮[2]。因此，減少石油的開發(fā)利用、塑料制品的生產(chǎn)加工，就必須找到一種能夠與自然和諧相處并可以代替部分塑料制品在生活中的角色的新型材料。

我國是農(nóng)業(yè)大國，上世紀70年代以前我國農(nóng)業(yè)主產(chǎn)地區(qū)，農(nóng)業(yè)稻殼秸稈等副產(chǎn)物常用來作為日常燃料和家畜飼料。由于技術的相對落后，農(nóng)作物產(chǎn)量相對不足，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量也很難達到人們的使用需求。隨著科技經(jīng)濟的進步，農(nóng)作物的種植培育技術得以提升，各種作物產(chǎn)量也在增加，隨之產(chǎn)生的秸稈等農(nóng)作物纖維類產(chǎn)品產(chǎn)量也在大幅度提升[3]。據(jù)統(tǒng)計，2015年全國秸稈理論資源量為10.4億噸，但實際得到有效利用的只有7.2億噸?，F(xiàn)階段我國雖然已經(jīng)出臺了一系列對秸稈稻殼的處理規(guī)定，但是由于運輸成本和回收利潤的問題，大多仍采用私下焚燒或拋棄路邊，造成火災和資源浪費。

21世紀以來，不管是國家層面還是社會層面，各方都在關注環(huán)境能源問題?！笆晃濉逼陂g我國提出了“生物基材料高技術產(chǎn)業(yè)化專項”?！罢雇濉毕盗袌蟾鏁岢觥叭鎸嵤┚珳史鲐?、精準脫貧方略、堅決打贏脫貧攻堅戰(zhàn)”，“以改善環(huán)境質(zhì)量為核心補齊生態(tài)環(huán)境突出短板”的報告。如果把作物副產(chǎn)品作為扶貧中的一項內(nèi)容，不僅能夠引導人們保護環(huán)境節(jié)約資源，還可以通過回收秸稈等產(chǎn)物提高收入。將由此類作物制造設計的產(chǎn)品回放到千家萬戶的生活中，在提高生活質(zhì)量的同時也提升了人們對環(huán)保的認識，從源頭上解決了資源的浪費和處理問題。生物基材料是中國近期新興材料之一，也是“十三五規(guī)劃”中明確提出的重點研發(fā)材料之一?！瓣P于編制‘十三五秸稈綜合利用實施方案的指導意見”中明確提到，鼓勵以秸稈為原料生產(chǎn)餐具、板材、復合材料等產(chǎn)品，提高秸稈產(chǎn)業(yè)化利用水平，推廣秸稈代木、秸稈生物基等產(chǎn)品[4]。此外，黨的十九大報告中，新時代堅持和發(fā)展中國特色社會主義基本方略中明確指出要“堅持人與自然和諧共生”，把“生態(tài)文明建設”歸入中國特色社會主義“五位一體”總體布局和“四個全面”戰(zhàn)略布局中——“我們要建設的現(xiàn)代化是人與自然和諧共生的現(xiàn)代化，既要創(chuàng)造更多物質(zhì)財富和精神財富以滿足人民日益增長的美好生活需要，也要提供更多優(yōu)質(zhì)生態(tài)產(chǎn)品以滿足人民日益增長的優(yōu)美生態(tài)環(huán)境需要”。

這些政策表明我國對以生物基為主要原料的材料利用的重視。綠色生態(tài)、環(huán)境友好型產(chǎn)品無疑將會成為未來工業(yè)產(chǎn)品領域的主力軍，這不僅滿足我國國家可持續(xù)發(fā)展的政策要求，也是順應自然和人類發(fā)展規(guī)律的。我國林木資源短缺，農(nóng)作物秸稈、竹材、野生植物莖稈以及木質(zhì)廢棄物的再加工循環(huán)利用，縮減了我國每年伐木量和進口原材料費用。充分利用綠色資源給予人們所不斷追求的健康生活環(huán)境。

三、生物基復合材料的國際國內(nèi)發(fā)展形式

邁進21世紀，全球十分注重生物質(zhì)材料的開發(fā)與利用。世界普遍關注的科學技術發(fā)展的重點之一就是新型材料的研究發(fā)展。在木材吃緊的狀態(tài)下，有必要研發(fā)出一系列綠色高性能、多功能的新材料，為工業(yè)設計行業(yè)提供產(chǎn)品設計的無限可能。

美國能源部助理部長安迪·卡斯納（Andy Karsner）在出席2015年“可再生能源金融論壇”被采訪時提到，美國已經(jīng)加大了秸稈綜合回收利用的研發(fā)力度，極力推動可再生能源事業(yè)的發(fā)展。國外相關企業(yè)如美國Nature Works公司旗下品牌Ingeo推出的Inge0 3801X生物塑料，以優(yōu)良的耐高溫抗沖擊性能以及友好的加工成型優(yōu)勢可廣泛應用到玩具、辦公、美妝等產(chǎn)品設計領域[5]。

在國內(nèi)，由中科院寧波材料技術與工程研究所和DT高分子在線主辦的2017國際生物基材料技術與應用論壇搭建了一個高水平的國際性交流平臺，聚集全球力量研發(fā)生物基材料以應用到全球各個生活工作領域，推動新材料新產(chǎn)品的健康發(fā)展。

四、生物基復合材料在工業(yè)產(chǎn)品設計中的應用及前景

國家“十二五”規(guī)劃綱要明確指出，要“加快發(fā)展研發(fā)設計業(yè)，促進工業(yè)設計從外觀設計向高端綜合設計服務轉(zhuǎn)變”，我國工業(yè)設計已經(jīng)進入了一個歷史跨越性時期。生物基復合材料作為新興的一種環(huán)境友好型材料正在一步步從研究領域走人大眾生活，而這種潮流是無法阻擋的。

（一）工業(yè)產(chǎn)品設計中的新型3D打印材料

作為一種快速成型技術，3D打印以數(shù)據(jù)模型為基礎通過使用粉末狀金屬或者塑料等可黏結(jié)性材料將預設產(chǎn)品經(jīng)過逐層打印制造出產(chǎn)品。作為工業(yè)設計的模型制造或成品制造，3D打印技術的工藝在不斷發(fā)展。3D打印材料很多，各種塑料、木質(zhì)、金屬粉末、光敏樹脂、陶瓷、食材等。隨著綠色環(huán)保的推進，2015年12月14日，東北林業(yè)大學舉辦“農(nóng)林業(yè)廢棄物3D打印材料全國媒體介紹會”，會上重點介紹了本校機電工程學院郭艷玲教授研發(fā)的以農(nóng)林廢棄物粉末為原料經(jīng)過復合加工制備出的新型3D激光打印材料[6]。這種材料利用田間廢棄的秸稈稻殼等廢料制備，東北稻米較多就近取材，減少了運輸成本;制作過程少污染、耗能少;制作出來的材料在一些性能上遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的打印材料。

在工業(yè)設計過程中，設計師往往會通過結(jié)構模型和3D打印手板來推敲產(chǎn)品的外觀和結(jié)構。這些過程中的成本費用最后是通過銷售價格抵消的。而此種新型打印材料取材于田間廢棄物，成本低;對于生產(chǎn)地來說，就地取材，運輸成本低，極大縮減了成本開支。在工業(yè)產(chǎn)品設計中，有些產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)3D打印成品，隨著3D新材料的應用以及技術的發(fā)展，使用此類材料實現(xiàn)對日常用品的生產(chǎn)將會極大地降低成本讓利消費者，以達到綠色生活的追求。

（二）工業(yè)產(chǎn)品設計中的小麥秸稈+

近年來不斷出現(xiàn)在人們視野的小麥秸稈+食品級PP材料的生活用品（如圖4、5）所示，以其綠色環(huán)保、自然麥香、可降解的優(yōu)異性能被越來越多的消費者所接受，并以產(chǎn)品覆蓋類型多元化的趨勢迅猛發(fā)展?，F(xiàn)在市面上很多以小麥秸稈作為宣傳點的生活用品，如牙杯、餐具、砧板等都是以綠色環(huán)保健康為最大的銷售點。

小麥秸稈+食品級PP其實是谷物纖維復合材料的一種，這類材料通過對天然植物纖維稻殼秸稈加工并加入高分子樹脂PP復合成型。在產(chǎn)品設計過程中，谷物纖維復合材料依賴于本身的化學可降解性能已經(jīng)滿足了現(xiàn)代設計和生活的綠色要求。此外，設計師在設計產(chǎn)品時有時會傾向于使用產(chǎn)品所選材料本身的紋理來作為對產(chǎn)品的裝飾，而谷物纖維系列的復合材料除了有耐熱、硬度高、易成型的特點外，在材料表面有些秸稈顆粒的紋理，在設計時，這種紋理可以直接為設計師所采用而不需要特殊處理;這些紋理顆粒在經(jīng)過處理后還可以達到只有近距離才可見的效果;所以，谷物纖維復合材料在生活類工業(yè)設計產(chǎn)品中的使用會隨著加工成型技術的進一步發(fā)展而不斷深入。

（三）工業(yè)產(chǎn)品設計中的咖啡渣+

咖啡是世界三大飲品之一，世界咖啡生產(chǎn)量巨大，每年制作咖啡的廢棄物也很多?？Х榷乖谘心ブ袝a(chǎn)生大量咖啡渣，這些廢料大多被扔掉。曾有一位哥倫比亞咖啡研磨師洛克賽·肖卡利用咖啡渣建造了一座房子。他使用咖啡渣與綠色環(huán)保的PS粉混合物通過特殊的材料加工工藝制作出復合材料，并取名為咖啡渣復合物。在加工材料的過程中由于材料本身的特性不使用膠水釘子也不會產(chǎn)生甲醛，非常符合綠色理念。隨后經(jīng)過研究發(fā)展，他利用此材料建造了一棟堅固的樣品房[7]。由此，咖啡渣的應用研究不斷發(fā)展。2018年德國紅點獎，最佳產(chǎn)品設計獎——啡渣回收杯，由柏林Kaffeeform公司設計制作。利用咖啡渣、山毛櫸木材料的特殊平衡比例混合咖啡渣木質(zhì)顆粒、木質(zhì)素制作了可回收利用的杯子。由于原材料以咖啡渣為主，這種材料本身具有深色棕櫚木視覺效果，并且有怡人的咖啡味道[8]。

咖啡殼是一種與普通木質(zhì)材料成分不同的木材，對高溫環(huán)境敏感，在加工過程中充分考慮到加工工藝可以制備出滿足需求的咖啡渣復合材料。目前世界對新材料的研發(fā)非常關注，因此，作為日常用品的廢棄物，咖啡殼渣以其客觀的纖維素和半纖維素以及天然的清香味道將會在工業(yè)設計產(chǎn)品的材料選擇中占有一定比重[9]?，F(xiàn)在市面上也已經(jīng)存在此種復合材料，隨著技術的發(fā)展和精進將會出現(xiàn)性能更完美的咖啡渣復合材料。

（四）工業(yè)產(chǎn)品設計中的竹纖維+

竹子，草本植物，種類繁多，生長速度快。我國是竹的原產(chǎn)地，資源豐富。其實竹子在古代就已經(jīng)應用在產(chǎn)品中了：世界上最古老的自來水管就是用竹子做的，竹造紙早在9世紀德州農(nóng)已經(jīng)存在了。隨著認了文明的進步，竹子的用途越來越多，建筑、家居等。在現(xiàn)代的工業(yè)設計產(chǎn)品中，竹子的使用也不再是最初的烘干壓制編制。

竹纏繞技術[10]，借助于竹材柔韌特點以剖削的一定規(guī)格竹皮為最小單元纏繞制備出生物基復合材料。使用這種技術制作的復合壓力管性能優(yōu)良，非常符合我國生態(tài)文明建設的發(fā)展要求?？蓮V泛應用在城市交通建設，并有望應用在航空等領域;竹纖維復合材料，在現(xiàn)在的市場上已經(jīng)可以看到很多工業(yè)產(chǎn)品，通過對各類竹子通過纖維提取并加入復合物制作出表面光滑帶有竹紋和自然竹香的復合材料。用于家居和辦公等各場所的產(chǎn)品，以其環(huán)境友好型和裝飾功能受到越來越多的青睞。

各種植物類生物基復合新材料正在以不可阻擋的勢頭迅猛發(fā)展。

總結(jié)

處在世界性焦點的現(xiàn)代工業(yè)設計領域，機遇與挑戰(zhàn)同在。隨著世界資源的構架變化，人類不可能無休止向自然索取。綠色健康的可持續(xù)發(fā)展是歷史總結(jié)也是歷史必然，現(xiàn)代工業(yè)設計在其中扮演的角色也是不可或缺的。這就要求在設計中充分將用戶和自然與產(chǎn)品“友好”結(jié)合，設計行業(yè)的服務人員也要緊跟時代發(fā)展方向，不僅要做到對產(chǎn)品結(jié)構的優(yōu)化設計，同時在使用材料方面更要注重與使用者和環(huán)境的互動關系。綠色環(huán)保的生物基復合材料的使用是緩解能源危機的重要環(huán)節(jié)，是相應國家發(fā)展戰(zhàn)略和國際呼吁的必然選擇，更重要的是滿足人類綠色健康生活的需求。作為優(yōu)質(zhì)健康的材料，給用戶良好的使用體驗，向用戶傳達綠色健康的設計理念和生活方式，引導人們通過自身的消費和選擇為國家發(fā)展和全球性環(huán)境保護做出貢獻。以生物基為主要原材料的復合材料將會以迅猛的速度席卷全球工業(yè)設計領域，并“進入尋常百姓家”。

參考文獻

[1]尹海華.生物基復合材料大規(guī)模生產(chǎn)關鍵技術獲得突破.http： //www.biotech.org.cn.[CP/OL].2017-09-05

[2]中國塑料加工工業(yè)協(xié)會.中國塑料加工工業(yè)[J].中國塑料，2018，32（4）1-5

[3]王麗.李雪銘.許研.中國大陸秸稈露天焚燒的經(jīng)濟損失研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2008. （2）：170-175

[4]國家發(fā)改委.關于編制‘十三五秸稈綜合利用實施方案的指導意見http： //www.ndrc.gov.cn 2016-11-24

[5]張波.生物基材料國際發(fā)展態(tài)勢分析.http： //www.doc88.com. [DB/OL].2015-02-18

[6]東北林業(yè)大學用生物基原材料秸稈制備3D打印材料[J].石油化工應用，2016，35（05）：90

[7]陳之雜.用咖啡渣蓋房子[J].視野，2011.（06）：40

[8]湯正捷.咖啡殼在木質(zhì)復合材料中的應用[J]，2016（4）124-125

[9] Emma Red Dot.咖啡渣回收杯KAFFEEFORM MATERIAL[J].設計2018（18）19

[10]費本華.陳美玲.王戈.葉柃.陳琦.竹纏繞技術在國民經(jīng)濟發(fā)展中的地位與作用[J].世界竹藤通訊2018 （4）：1-4