壓縮秸稈塑料在產品設計中的應用前景研究

朱 凱，劉 云，馬振宇

（蘇州農業職業技術學院園林工程學院，江蘇 蘇州 215008）

塑料，是工業產品設計與生產過程中不可或缺的原材料。目前我國在綠色塑料研發領域進程依然緩慢，在工業化生產中仍然以傳統的非綠色塑料為主，導致綠色設計與綠色生產的方針難以普及。近些年來，環境污染問題越來越受到民眾的關注，國民也逐漸意識到環境保護的重要性。在這樣的大背景下，探究利用農業生產中的秸稈，通過生物技術制造出可以替代傳統塑料的新型塑料，正成為熱門話題。秸稈塑料的應用，不僅可以解決農業生產中麥秸稈的處理問題，還對環境保護及綠色生產的落實有重要的推進作用[1]。

1 壓縮秸稈塑料

壓縮秸稈塑料是用植物原生秸稈和有機化合材料按比例進行混合的產物，其具有出色的材料性能與可降解性能。壓縮秸稈塑料可以通過原生植物的類型與混合化合物材料的類別分類。按照原生秸稈材料進行分類包括稻壓縮秸稈塑料、小麥壓縮秸稈塑料、玉米壓縮秸稈塑料、高粱壓縮秸稈塑料和混合型植物壓縮塑料[2]。按照共混的有機化合材料的不同進行分類，包括可降解基礎材料（脂肪族聚酯、聚乳酸）、不可降解基礎材料（PP、EPS）及天然高分子基礎材料（淀粉）[3]。按照基礎材料不同可分為可降解壓縮秸稈塑料與不可降解壓縮秸稈塑料，可降解基礎材料秸稈塑料中脂肪族聚酯和聚乳酸可以通過自然降解，不會對環境產生污染，在原料生產的過程中可以控制其降解的時間和效率。不可降解基礎材料的壓縮秸稈塑料是原生植物纖維和PP、EPS 等有機化合材料依照比例合成的復合型材料，但由于其中的PP、EPS 等化合物不可以降解，所以只能通過再生利用達到綠色環保的效果[4]。天然高分子基礎材料的可降解秸稈塑料完全可以通過自然降解，得益于其是由原生植物秸稈纖維和聚多糖等純天然的高分子混合而成，在廢棄后可以直接降解轉化為熱能，是最為環保的綠色材料[5]，天然高分子基礎材料的可降解秸稈塑料，如圖1所示。

圖1 天然高分子基礎材料的可降解秸稈

2 壓縮秸稈塑料的生產工藝

2.1 壓縮秸稈塑料產品的原料

壓縮秸稈塑料原料主要有麥、稻、高粱、玉米秸稈、廢草料、稻、麥殼、作物殼、根莖和再生纖維等，均來源于農業生產的環保原料[6]。其制造工藝是先將稻、麥和玉米等秸稈進行物理粉碎成植物纖維束，然后與改性后的天然膠合劑混合成復合原料，如圖2所示。

圖2 秸稈原材料（系統）回收的一般過程

2.2 壓縮秸稈塑料產品主要生產工藝

（1）熱壓成型。對于如建筑板材、工業用板及復雜家具產品主要運用熱壓成型加工工藝，這樣可以適應大批量的生產[7]。

（2）注塑成型。主要面向大批量生產的日用品、玩具等制品，成型設備與傳統塑料制品相同。在注塑前期只需要對原材料進行含水率管控，保持在0.3%以下即可進行加工生產，各類塑料件可以用注塑、吹塑、吹膜、吸塑、層壓、發泡和紡絲等傳統成型方法進行加工[8]。

（3）氮氣輔助成型。通過氮氣吹氣加工出主體部分，其余的結構件采用注塑工藝，1 個模穴并行多個塑料件。由于壓縮秸稈塑料獨特的化學穩定性，只需要在前期注意含水率即可，在后期的注塑完成后一般不會出現外觀缺陷的問題[9]。壓縮秸稈塑料加工相比傳統塑料成型方式具有顯著的技術特點。其同時可以按不同用途的配方要求進行配比混合，依照物件的要求由機器成型。結構強，容易組裝，各類原生物料都是由回收物組成，在生產過程中節約了資源同時也保護了環境，完全符合現在大力提倡的綠色生產方針。

3 壓縮秸稈塑料產品的設計特色

3.1 壓縮秸稈塑料產品的環保性能

壓縮秸稈塑料作為一種新型復合材料，繼承了傳統塑料的性能優點，同時在成本上更具優勢。當前，已經有很多生產廠家把壓縮秸稈塑料實際應用于生產，其中最具代表的是“名創優品”“無印良品”等企業。如圖3所示，使用壓縮秸稈塑料制造的環保牙刷，壓縮秸稈塑料被設計成各類日用產品，受到大量消費者的青睞，此舉不僅體現出企業環保的設計理念，也為環境保護作出貢獻[10]。壓縮秸稈塑料的原材料全部來自植物秸稈纖維、廢棄塑料等，在生產的過程中可以大量地減少木材、石油和煤炭等資源的開發，極大地保護了生態環境。我國農業產業發達，秸稈資源豐富，在利用的同時也是一種回收行為，可以有效減少大量焚燒秸稈所帶來的環境污染問題。回收使用的秸稈纖維和塑料所制成的新型壓縮秸稈塑料對比傳統的塑料，不但成本低而且具有傳統塑料所不具備的性能優點，不含對人體有害的物質，是未來綠色材料研發的趨勢。

圖3 使用壓縮秸稈塑料制造的環保牙刷

3.2 壓縮秸稈塑料產品的穩定性

壓縮秸稈塑料的加工方式簡單，物理性能優異，由表1可知壓縮秸稈塑料的物理性能。多數壓縮秸稈塑料可以用普通的塑料成型方法加工，如PBS 塑料的加工多樣性（注塑、壓塑和吸塑等）。與普通塑料相比，壓縮秸稈塑料的機械加工性能更強，同時具備刨削釘等特點，可以加工出各種截面形狀的成品，制造成型后的成品外觀呈現自然之美，同時具備防水防油防污的特點[11]。其應用范圍更廣，目前可以廣泛適用于包裝材料、日用制品、工程用料、家裝用品和裝飾用品等領域。

表1 壓縮秸稈塑料的物理性能

4 壓縮秸稈塑料產品的應用前景

4.1 環保日用品

目前壓縮秸稈塑料制品在很多廠家已經陸續出現，各行業的生產與加工工藝已經相較成熟，規模化生產已經大量地展開。壓縮秸稈塑料制成的日用品，具備傳統塑料制品的特點同時，又具備極強的可降解性，在生產制造、用戶使用、回收等過程中無任何污染，壓縮秸稈塑料產品的生命周期過程，如圖4所示。傳統的日用制品在廢棄后可能需要幾年甚至十幾年時間才能初步降解，由此變成了“白色污染”，而壓縮秸稈塑料在自然環境中降解只需4 個月左右，便可以通過微生物或自然腐化轉化為有機肥料，這些日用品在使用完畢后，還可以回收利用，也可以直接堆放在土地里進行自然降解，實現了從自然中來到自然中去的目的[12]。

圖4 壓縮秸稈塑料產品的生命周期過程

4.2 環保包裝

21世紀以來，“白色污染”成為了人們關注的重要問題，可降解的秸稈塑料是取代傳統發泡型泡沫材料的一個重要途徑。目前，以“星巴克”為首的包裝依賴型企業已經逐步推行使用環保包裝，秸稈壓縮材料所制作成的包裝、禮物袋、杯和餐具正逐步取代傳統塑料制品[13]，使用壓縮秸稈塑料生產的環保杯，如圖5所示。傳統的發泡型餐盒及塑料袋、尼龍袋等制品，在生產制造初期就會對環境產生大量污染，以傳統EVA 發泡材料為例：EVA 材料在發泡時會產生大量的氣體，如果不對煙塵進行過濾，將會破壞大氣層，飄落的煙塵還對人體產生致癌的危害。可降解的秸稈塑料在產品的生產制造過程中，大大減少了有毒有害物質的排放，因為其本身的純天然屬性，所以在產品制造過程中幾乎沒有污染的問題。

圖5 使用壓縮秸稈塑料生產的環保杯

4.3 家裝建材

早在幾千年前人類就已經開始利用秸稈作為建筑材料，隨著新材料研發能力的提升及人們對環保意識的加強，秸稈作為生產和建筑塑料應用再次被重視[14]。傳統的秸稈利用，一般作為墻體和屋面的建筑塑料。現在對秸稈的利用方式更加多樣，通過機加工后可以制作成模板、裝飾板等建筑材料，使用壓縮秸稈制成的裝飾板材，如圖6所示。這些秸稈建材具有無醛環保的特點，秸稈塑料同樣也可以制造無醛家具、環保強化地板和吊頂用工程塑料等。

圖6 使用壓縮秸稈制成的裝飾板材

5 基于壓縮秸稈塑料的產品綠色設計方法

5.1 材料自身屬性與人文美學相統一

從設計美學中看，壓縮秸稈塑料由于其自然、生態的特性，具備了傳統石油化工材料所無法具備的“自然美”。在產品綠色設計過程中，應當更多的體現自然、人文兩者相交互的過程，設計過程不僅要滿足產品本身的功能、價值、屬性和生命周期等要素，還要深刻地考慮產品功能以外的人文關懷、自然關懷和美學情懷等元素。壓縮秸稈塑料具有與木紋相類似的肌理與紋路，外觀上呈現自然的木本原色，在肌理、色彩和美學特征中保留了原生材料的特征，因而在產品設計過程中為保存自然生態的產品特性，無需過多地對產品進行色彩、造型的修飾，遵循“少即是多”的設計原則。

5.2 生命周期與4R 原則相統一

從產品生命周期中看，產品設計與制造的整個生命周期，從材料生產—制品加工—商品消費—使用后廢棄—回收處理—再生，每個過程中產品都和外界自然環境進行直接接觸與能量交換，材料自身周期過程中每個階段都和環境保護與經濟發展產生著直接的聯系。產品的4R 原則包括了產品的“減量”“復用”“再生”“能源回收利用”，因而在產品設計過程中，需要減少冗雜的多余設計，遵循“形式追隨功能”的設計原則；在產品生產過程中，對油漆和涂層等化學生產工序，以天然的染料及涂料進行替代，平替石油化工輔料的使用從而減少“碳排放”；在產品包裝過程中，將包裝設計進行結構的一體化、材料的減量化、外觀的簡約化，從而減少產品包裝的過度使用。

5.3 產品適用性與層次化相統一

產品層次化是基于AHP 層次分析所衍生的設計方法，使用壓縮秸稈塑料進行產品設計時，要考慮產品的適用性，適用性則需要更深刻地建立在用戶的層次化分析之中，實現兩者的有機統一。從產品功能上看，使用秸稈塑料要充分考慮用戶的人機工學特征，在產品適用地域、舒適感和滿足感等領域深入考量；從材料本身看，要充分考慮產品適用結構、強度和安規，不同的結構部件，設計適用的強度、載荷要符合產品的標準；從精神層次看，產品要滿足用戶的心理需求、生理需求、精神需求和文化需求，比如將“文化創意”融入秸稈塑料產品的設計中，可以為農村剩余農作物的處理提供一條新思路。

5.4 產品創新性與多元化相統一

產品的多元化屬性是指文化的多元化、人文理念的多元化和設計風格的多元化，隨著各國多元文化的融合發展，設計文化與設計理念的概念也逐漸模糊。秸稈塑料的產品綠色設計方法所表達的是多元層次的產品創新，其不拘泥于產品外形設計，更融合了新材料、新工藝和新技術，以內涵提升產品設計的發展。在設計中，產品的創新與多元化要素緊密結合，通過融入人文情感，使產品的精神內涵得到了升華；通過新材料、新技術的應用，使產品的功能價值、環保屬性得到了體現。多元化不僅體現在設計本身層次，更多地體現了產品“服務于人”“歸于自然”的根本理想。秸稈塑料的多元化與創新性的相統一，除了適用產品設計領域，更可以帶動其他人本生活領域思想的發展。

6 結束語

壓縮秸稈塑料所生產的產品比普通的塑料產品更為綠色環保。在生產上，可以通過不同的生產工藝達成需求，工藝上更為簡單，能源和材料消耗量更小，效率高，更少的消耗能源和合理地利用資源。在使用中，壓縮秸稈塑料制品相較于普通產品質量更輕，使用過程中損壞率更低。同時，壓縮秸稈塑料強大的可降解性能解決塑料制品的環保問題，極大地解決了制造業廢物循環利用，延長了產品的生命周期，具有十分廣闊的前景。農業秸稈的再生利用解決了大量環境問題，在未來幾十年中，隨著研發能力的不斷提升，壓縮秸稈塑料制作出的各式各樣產品一定會真正走入尋常百姓家，實現完全替代傳統塑料的設想。