竹業引領人類生活更美好

費本華

(國際竹藤中心 北京100102)

據2017 年由國際竹藤中心、 國際竹藤組織和英國皇家植物園聯合出版的《世界竹藤名錄》 (World Checklist of Bamboo and Rattan) 權威發布， 全球竹類植物88 屬， 1 642 種， 面積約3 200 多萬hm2。 最新發布的中國第九次森林資源清查結果表明， 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系緊密，具有豐富的文化內涵。 在現代， 通過竹產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、 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、 工程等領域的應用進行探討。 在材料研究領域， 竹材輕質高強，再生速度快， 與化石能源相比， 有無可比擬的優點。據統計， 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]。隨著竹材工業化水平的發展， 研究人員先后開發了竹膠合板、 竹刨花板、 竹層積材、 竹集成材、 竹重組材等結構材料和裝飾材料， 為竹產業的發展提供了必要條件[3]。 本文重點對比竹材與木材、 塑料、鋼材、 陶瓷等材料的優劣性， 指出竹材在家居、 工程等領域的獨特性能優勢， 實現人居與竹材共生共榮， 在改善人居環境、 提升人民生活質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，隨著國家生態建設系列政策的出臺， 以及對國有林場、 國有林區禁止商業性采伐政策的實施， 國產木材供應量銳減， 木材將無法滿足未來建筑行業發展的需要。 相比之下， 產量大、 生長周期短的竹子資源， 可成為天然建筑材料等諸多領域的新成員， 可以更好地服務于國民經濟建設。

竹子的生長速度在木質植物中最為快速， 一天的高生長可達1 m。 不同竹種經濟成熟的時間不同，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， 難以滿足快速發展的經濟建設、 高質量發展的需求， 且這種供需矛盾會隨著環保舉措的強化日益顯著。

竹材除了資源優勢外， 還具有優良的力學性質。竹材在順紋方向上有非常優良的抗拉性能， 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]。

除了強度高的優點外， 竹材還具備良好的韌性特征， 這與竹材獨特的梯度結構密切相關， 其維管束分布密度由內向外連續增大， 竹壁密度呈現顯著的梯度分布， 組織向外愈加致密化。 梯度結構賦予了竹材優良的抗彎性能， 纖維體積分數一定的條件下， 梯度材料比均質材料的抗彎模量高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余座傳統竹屋卻未被破壞。

基于竹材這些優良的性能品質， 研究人員開發了多種竹質板材， 以供家具、 建筑、 裝飾裝修等領域使用。 竹質板材的種類繁多， 有竹膠合板、 竹刨花板、 竹層積材、 竹集成材、 竹重組材、 圓竹工程材等結構材料和裝飾材料， 為竹產業服務經濟建設提供了必要條件。 隨著中國經濟的快速發展， 可持續發展理念的不斷深入， 人們對綠色環保材料的需求越來越高， 在當前木質資源匱乏的情況下， 優質的竹質板材可以作為綠色環保材料的補充資源， 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” 對環境產生了災難性影響， 破壞海洋生態環境， 進而進入人們的食物鏈， 造成更大的破壞。

據推算， 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， 這些東西轉眼就成了塑料垃圾。 2018 年6 月5 日， 聯合國環境署首次聚焦一次性塑料污染問題， 發布世界環境日的主題為“塑戰速決”。 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環境的污染。 根據該禁令規定， 從2021 年起， 歐盟已經發出禁塑令， 將于2021 年全面禁止生產和銷售一次性餐具、 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材料， 竹制品在很多領域都可以替代塑料產品。 包括日用品類、 包裝類、 建材類和汽車用材料等。

日用品領域的竹制品種類較多， 有吸管、 餐具等多種產品。 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。

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

輕量化是當前汽車領域的重點發展方向， 寶馬、奧迪、 福特、 大眾、 豐田等全球知名汽車品牌均在關注天然新型輕質材料， 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展迅速， 這種竹纏繞管道具備原材料可再生、 產品可降解等多重優點， 可以替代部分塑料建材在城市供水系統中使用， 是竹材應用的一個重要發展方向。

3 竹鋼協同

目前我國鋼鐵工業結構調整的重點是維持供需基本平衡， 推進全行業高質量發展， 同時在全國范圍內去產能， 減少重點區域產能和產業布局。 這一舉措的實施是力求解決鋼鐵產業與環境保護之間的矛盾。 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， 成為建材市場的發展方向。

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

此外， 竹材的傳熱系數小， 導熱系數約為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構或磚混結構， 從而達到減少建筑領域鋼材使用、 補充綠色建材資源的目的。 從建材發展角度來看， 這一措施既符合生態節能建筑、裝配式建筑的新型產業發展趨向， 又達到了健康環保的目的。 隨著竹建材標準和相關政策的日漸完善，竹材與鋼材協同發展有著廣闊的發展前景。

4 竹瓷互補

我國是世界上最大的陶瓷生產國， 建筑、 衛生、日用陶瓷產量多年位居世界第一。 其中， 日用陶瓷年產量超過400 億件， 占全球產量的60%以上。 但是， 隨著社會環境的改變， 陶瓷領域面臨產量過高、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、 橡膠等領域應用廣泛。 但是高嶺土屬于不可再生的非金屬礦產資源，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， 這部分能耗根據涉及的生產工藝類型和產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。 水是陶瓷工業中非常重要的原料， 在原料制備設備、 上釉設備清洗過程中，以及旋轉過濾器脫水過程中， 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， 導致環境污染。

更重要的是， 我國每年在生產環節中廢瓷年排放超過120 萬t， 使用環節年約100 億件產品廢棄。陶瓷廢棄物中硅酸鹽礦物會發生風化， 類似于自然界礦物風化， 不影響資源的循環利用； 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， 對生態環境有很大的影響。

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

5 小結

總之， 竹材在建筑、 家居、 交通、 日用制品和纖維化利用等領域均具備廣泛應用的潛在發展價值。在性能、 成本、 資源量及環保等方面具有獨特的多重優勢， 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， 成為工業產品的一項重要評價指標。因此， 大力發展竹產業、 開發優質竹產品， 是一項改變人類生活、 促進綠色發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容整理提供幫助， 感謝李智勇研究員給予指導。