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秸塑复合材料研究及其产业前景_图文

第 32 卷 第 1 期 2016 年 1 月

科技通报
BULLETIN OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Vol.32 No.1 Jan. 2016

秸塑复合材料研究及其产业前景

张文涛,陈集双*
(南京工业大学 生物与制药工程学院,南京 211816)
摘 要:通过分析木塑复合材料的发展历程和产业现状,指出了当前“以秸代木”和“以秸代塑”的新需 求。秸秆作为一种丰富的可再生生物质资源,具备开发为新型环保材料的潜力。本文创造性地提出了 秸塑复合材料(Straw-Plastic Composites,SPC)的概念,剖析了秸秆生物质纤维的特性,秸秆中富含的生 物基矿物质可能是秸塑作为新材料形成优于木塑材料的重要因素,同时阐述了秸塑产业发展的条件, 指出了 SPC 是秸秆生物质全价工业化、高值化利用的典范,并提出现有条件下,在我国率先开发 SPC 的 可行方案。 关键词:秸秆;秸塑复合材料;木塑复合材料;生物基矿物质

中图分类号:TQ914.1

文献标识码:A

文章编号:1001-7119(2016)01-0097-05

Development and industry prospect of Straw-Plastic Composites

Zhang Wentao,Chen Jishuang*
(College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China)

Abstract:The history and industrial development of Wood- Plastic Composites (WPC) were analyzed,

pointing out the present demands of“straw instead of wood”and“straw instead of plastic”. Straw, as a

kind of abundant renewable biomass resources, has the potential to be developed as a new

environmentally friendly material. The concept of Straw- Plastic Composite (SPC) was creatively

proposed in this paper. The characteristics of straw biomass fibers were dissected and the bio- based

minerals in the straw may be one of the important factors, led to SPC is superior to WPC. Moreover, the

conditions for the development of SPC were elaborated, which pointed out SPC is a typical model for the

full- price and high- value industrialization of straw biomass. The feasible solution that pioneered the

development of SPC has been put forward under the existing conditions in the country.

Keywords:straw;straw-plastic composites;wood-plastic composites;bio-based minerals

0 前言

充热塑性塑料,经挤出、压制或注射成型,兼有木

材和塑料特性的一种新型复合材料[3]。在巨大的

自 20 世纪 90 年代起,木塑产业从美国和加 拿大迅速发展[1],与此同时,木塑复合材料在中国 才开始起步。杨庆贤等[2]首先开展了对木粉与废 旧塑料复合的初步研究,迈开了我国木塑复合材 料 探 索 应 用 的 第 一 步 。 木 塑 复 合 材 料(woodplastic composites,WPC)是指由木质纤维补强填

市场需求和我国循环经济政策的推动下,木塑行 业取得长足发展。截止到 2014 年,国内集结在木 塑产业上的关联企业近 300 家,总产量超过 200 万吨,并且每年仍以约 30%的速度增长,目前形成 了中国、北美和欧洲三足鼎立的局面[4,5] ,且中国 大陆已经成为第一大 WPC 生产地。

收稿日期:2015-09-10 基金项目:国家科技支撑计划(2012BAC17B00)。 作者简介:张文涛(1990-),硕士研究生,主要从事秸塑新材料研究。E-mail:biozhangwt@163.com。 *通讯作者:陈集双(1962-),教授,博士生导师,研究方向:生物资源产业利用。
E-mail:biochenjs@njtech.edu.cn。

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随着国民经济的持续发展,资源开发与生态 环境之间的矛盾日益激化,这一矛盾在材料应用 领域尤为突出,全球森林资源日渐减少,而木材 原料的需求却不断增加。以我国 2009 年公布的 第 七 次 森 林 资 源 普 查 结 果 显 示 ,全 国 森 林 面 积 1.95×109 hm2,森林蓄积量 137.21×109 m3。据统 计,我国人均森林面积仅有 0.11hm2,约是世界人 均占有量的六分之一;人均森林蓄积量 8.6 m3,只 有世界人均占有量的 12.5%[6]。按照目前发达国 家年人均消费木材 1.16 m3来计算,我国每年需要 木材 15×109 m3,木材供需缺口巨大[7]。因此,数十 年内,中国并不适合大规模发展基于木料本身为 基材的木塑产业。
随着 WPC 应用的深入和全球森林资源短缺 的加剧,其主要原料仅限于木质纤维已经远远不 够,因此形成了“以秸代木”和“以秸代塑”的新需 求 。 因 此 ,本 文 创 造 性 地 提 出 了 秸 塑 复 合 材 料 (Straw-Plastic Composites,SPC)的概念。SPC 是 特指以全生命生长周期低于一年的植物纤维生 物质,如农作物秸秆、外来入侵植物(如大米草、 加拿大一枝花黄的秸秆等)或其他生物质废弃物 (如银杏叶渣、烟杆等)为原材料,利用高分子界 面改性处理和塑料填充等手段,与一定比例的塑 料聚合物配混,经特殊工艺加工成型的一种可循 环利用的新型环保材料。其最大特征在于综合 了生物基材料和塑料的双重优势,避免了单纯塑 料制品的易老化、低温脆变等缺点[8],形成了强度 好、仿生自然的秸塑新产品。值得注意的是,我 国现有的木塑企业,基本上都是利用了家具行业 的 木 质 尾 料 ,后 者 往 往 含 有 甲 醛 等 有 害 化 学 物 质,这一现状导致了我国的木塑产品不仅在国内 认可度不高,而且在国际上基本只能占据户外低 端市场,因此,也容易导致产品利润低、应用面小 等产业瓶颈的出现。
1 秸塑复合材料的发展现状
1.1 现有研究基础 与木质纤维相比,农田秸秆植物纤维具有
生物量大、来源广、价格低、可自然再生、密度低、 比表面积大、长径比大等特点,将植物纤维作为 补强材料添加到热塑性塑料中体现出很好的力 学性能优势[9]。

Panthapulakkal 等[10]采用玉米秸秆、玉米芯和 麦秸秆分别与高密度聚乙烯制成复合材料,结果 显示,纤维含量越高,材料的力学性能越好,但吸 水性也越高;增加相容剂可以降低复合材料的吸 水率。涂芳等[11]以甘蔗渣和聚乙烯为主要原料, 制备了甘蔗渣/废旧聚乙烯发泡复合材料,结果 表明,当甘蔗渣为 20 份时,复合材料综合性能最 优。Roshanak 等[12]用不同含量的水稻秸秆与聚己 内酯制备复合材料,结果显示,随着秸秆含量的 增加,热稳定性和力学性能呈总体降低趋势,当 水稻杆含量为 3%时,拉伸强度适度增加。Mo? hammad[13]用不同含量的小麦秸秆和马来酸酐接 枝聚丙烯(PP-g-MAH)偶联剂与聚丙烯制成复合 材料,结果表明,当 30%麦秸秆和 3% PP-g-MA 偶联剂处理方案复合材料力学性能最优,随着秸 秆含量的增加,热稳定性逐步降低。此外,黄河[14] 等还进行了杂交狼尾草复合材料的制备及性能 研究,进一步扩大了植物纤维材料的试验用材范 围。 1.2 背景与产业利用现状
随着木塑行业的不断发展,国内 WPC 的生产 总量增长的尤为迅速,企业的产品逐步从外销转 为内销,高端产品质量和拓展原材料方向成为生 产企业新的追求热点。如利用农作物小麦、水稻 和棉花等秸秆生物质开发新型材料或新产品一 直是现有木塑生产企业期待的长期诉求,国家甚 至出台了专项的科技攻关课题和秸秆综合利用 的补贴政策,不少企事业单位也积极响应国家号 召,但是真正能产业化利用秸秆的木塑企业寥寥 无几[15]。主要原因如下:
(1)行业内大部分木塑企业不具备持续研发 能力,只能依靠购买设备时,设备厂家提供的配 方进行简单生产。而将秸秆生物质开发为 SPC 需要持续研发和系统研究,当前国内的木塑生产 企业还没有技术创新投入再生产的能力,一些高 附加值的秸塑产品或者新产品在新领域的应用 不是每个企业都能掌握。
(2)现有木塑生产企业所用的原材料为木粉 或竹粉,由于木质纤维或竹质纤维的结构特性, 使得木粉/竹粉在生产过程中不需要改性也能够 勉强可用,如户外木塑复合地板,能够直接添加 木粉/竹粉的量可达 50%以上;而秸秆粉的纤维结 构和特性不同于木粉,使得其与塑料聚合物在复

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合过程中,纤维负载率低,造成“加不进去”的尴 尬局面。
图 1 木粉(a)和小麦秸秆粉(b)纤维的显微结构图(250~ 425μm)
Fig.1 The micrographs of wood fibers(a)and wheat straw fibers (b)
从图 1 中可以看出,木粉的纤维结构中有横 向和纵向的导管细胞,而秸秆粉纤维中只有单向 的导管组织,且呈现多孔径结构。因此,木粉纤 维在与塑料聚合物复合过程中,更有利于塑料多 维度的穿插、嵌入,便于提高纤维负载率。但是, 秸秆粉中往往含有木粉所不具备的生物基矿物 质[16],后者有别于木塑行业中普遍填充的无机矿 物质,它是与有机分子存在螯合或多种形式的结 合状态。生物基矿物质通过充分发挥改性作用, 可以提高秸秆生物质的塑化性,还能增强复合材 料的韧性,这可能是秸塑作为新材料形成优于木 塑材料的特征。
(3)将秸秆生物质作为原料运用至秸塑材料 的生产过程中,尤其是对秸秆粉进行改性塑化等 环节,势必将增加偶联剂、相容剂等化学助剂辅 助处理来改善与塑料界面的相容性[17- 。 19] 一方 面,这些化学助剂价格昂贵,可能显著增加生产 成 本 ,不 利 于 秸 塑 产 品 在 低 端 市 场 的 竞 争 。 但 是,随着 WPC 和 SPC 为基材的家具等高端产品的 技 术 开 发 和 应 用 ,改 性 秸 秆 粉 的 成 本 因 素 会 下 降,质量要素的影响会上升,最终导致产业将更 多地选择秸秆源材料。
(4)木粉或竹粉原材料市场成熟,使用广泛; 而秸秆生物质受季节影响,其收集、贮存和加工 过程都将面临诸多难题。同时,在以秸秆为原料 的秸塑产品生产过程中,工艺也比原先的木塑复 杂,可能会引起生产成本增加。但是,政府和环 保人士主导的秸秆回收和加工产业形成的原材 料基础,也将助力秸塑产业的健康发展。
综上种种原因,使得现有企业对于秸秆生物 质 运 用 在 木 塑 行 业 的 产 业 化 水 平 停 滞 不 前 ,而 SPC 新的应用领域,尤其是高端家具市场,如 SPC

发泡产品、注塑成型产品、汽车内饰产品的推出, 将是 SPC 发展的机遇,也是在更新原有木塑产业 的基础上,提供了原料供应和技术支撑。 1.3 技术路线与科学方案
秸秆纤维是一种强极性的亲水性天然高分 子化合物,与非极性的疏水的塑料聚合物难以相 容,因此秸秆源材料与塑料复合形成新材料有诸 多瓶颈。鉴于秸秆生物质的特点和后续产品的 开发需求,需要不同于原有 WPC 的处理方案,这 要求其生产过程中必须经历秸秆粉的改性和秸 塑母粒的塑化等工艺环节。通过对秸秆纤维改 性,一方面降低植物纤维表面的极性,有利于秸 秆纤维与基体聚合物的键合稳定性;另一方面, 使得秸秆纤维和聚合物获得良好的相容性,有利 于二者之间形成紧密的交联网络结构。改性后 的秸秆粉可替代优质木粉用作秸塑新材料的开 发 ,并 且 产 品 使 用 过 程 中 零 甲 醛 排 放 ,绿 色 环 保。技术路线如图 2。
图 2 秸塑复合材料技术路线图 Fig.2 The technological route of Straw-Plastic Composites
秸塑工艺全价利用秸秆生物质——纤维素、 半纤维素、木质素和生物基矿物质。其中,生物 基矿物质是秸塑新材料形成的重要依据,它使得 秸秆比木粉与塑料复合过程中有更好的结合效 率,并有利于秸塑材料微发泡等工艺,减少助剂 使用,提高产品品质。此外,改性后的秸秆粉作 为“生物钢筋”填充、穿插至基体塑料中,好比“水 泥 + 钢 筋 ”的 结 构 ,增 强 了 秸 塑 复 合 材 料 的“ 韧 性”,更有利于体现后续秸塑产品的性能优势。 SPC 的结构模型示意图如图 3。
2 推广应用秸塑复合材料的意义
2.1 有利于秸秆工业化利用,发展生物质新材料 我 国 是 农 业 大 国 ,秸 秆 作 为 农 作 物 的 副 产

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图 3 秸塑复合材料结构模型示意图(1—改性秸秆粉;2—塑 料聚合物;3—助剂)
Fig.3 A schematic illustration of the structural model of Straw-
Plastic Composites; 1: modified straw fibers; 2: polymer; 3:
additives
品,贮量丰富。秸秆处理的根本途径是工业化、 高值化利用。秸秆生物质具备开发为新型环保 材料的潜力,将其开发成新兴工业原料,变废为 宝,替代优质木料和塑料,实现廉价生物质向大 宗工业原料的转化,将有力缓解我国建材、包装 等行业的原料短缺问题,保障产业健康发展。推 广应用 SPC 是秸秆生物质高值化利用的示范。 秸塑产业的发展,拓宽了秸秆生物质利用的产业 链,有利于农民创收,农业发展。国家鼓励秸秆 综合利用和生物质新材料的应用,可通过积极引 导生产企业转型升级,利用新型纤维原料,开发 具有高附加值的产品,保障企业效益,充分发挥 市场导向作用,调动农民和社会力量收集秸秆的 积极性,有利于我国生物质新材料产业的发展。 2.2 有益于环境保护,发展生态经济
近几年,雾霾等环境问题尤为突出,其中农 田秸秆焚烧是重要原因。因此,“禁烧秸秆”一度 上 升 为 国 家 法 令 ,各 级 环 保 部 门 也 加 大 了 在 治 霾、秸秆综合处理等方面的投入。虽然早在上世 纪末就有研究人员开始关注秸秆资源的潜在价 值,但至今仍未能得到充分利用。秸秆大多被当 作废弃物掩埋或焚烧,不仅造成了资源浪费,而 且污染环境。传统的秸秆利用方式只是针对秸 秆生物质单一组分的利用,由此甚至产生了更多 的废弃污染物。SPC 的应用,是秸秆生物质全价 利用的典型,避免了传统秸秆利用方式的“以废 生废”局面。秸塑产业的发展,不仅大量消化农 作物秸秆,减少秸秆的焚烧量,保护生态环境,而 且还能规模化地消耗废塑料。中国现阶段特有 的禁烧政策和秸秆收集能力,为秸塑产业的可持 续发展奠定了有力基础。 2.3 有益于资源保护,发展绿色经济
世界上森林面积每年以 1600×104 hm2的面积

锐减,相当于一个英国或半个德国的国土面积。 我国的森林面积仅为国土面积的 13%,人均森林 面积拥有量更是不足 0.1 hm2。森林资源作为一 种不可多得的自然资源,各国都在积极寻求各种 方式对其进行保护。秸塑产品的开发,可以有效 替代原有的木制品,减少木材消耗量,节约森林 资源。此外,早在 1998 年,欧美国家就开始对来 自中国的木质包装实行更为严格的检疫检测标 准,此项措施对我国的出口贸易产生了严重影响 。 [20] SPC 作为生物基新材料,如将其开发为环保 包装材料,具有防潮,耐腐蚀,抗虫抗菌等特点, 免去了木质包装材料的熏蒸、消毒等环节,生产 过程绿色健康、安全高效,同时可反复使用,这将 为出口企业降低运输成本,有利于企业产品的出 口贸易。
3 秸塑复合材料产业发展的趋势
WPC 作为一个年轻的产业,在我国起步较 晚。经过 10 多年的发展,我国木塑材料(制品)的 生产规模已进入国际领先行列。据分析,2009 年 中国木塑年产量仅为美国的 1/5;2010 年开始,中 国木塑复合材料市场年增长率约为 30%;2013 年 木塑产业全球总产值约 230 亿欧元,中国约 150 亿元,其中 80%以上出口;目前市场需求量最大 的是北美地区,其次是中国,欧洲,日本;欧洲木 塑复合材料产业总体呈上升趋势;2010 年,中国 木塑总产量约为 30 万吨,到 2012 年,总产量则高 达 90 万吨;中国木塑复合材料增速迅猛,预计在 2015 年将超过北美,跃居世界第一。(数据来源: 欧盟新星研究所(Nova-Institute.eu),如图 4。)
图 4 2010 和 2012 年全球木塑复合材料产量及 2015 年市场需 求量预估
Fig.4 The global production of Wood-Plastic Composites in 2010 and 2012,and the forecast of market demand in 2015

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木 塑 产 业 的 快 速 发 展 ,由 原 本 的 利 用 锯 木 削、家具行业尾料等边角余料已经满足不了巨大 的市场需求。WPC 的继续发展势必造成木材砍 伐、森林毁坏,这在欧美国家将面临法律和道德 风险。因此,秸塑产业应运而生,将秸秆生物质 开发为 SPC, 是对木塑行业的有益补充,同时也开 辟了秸秆全价工业化利用的新途径,这将满足我 国现有的国情需要和符合循环经济价值的社会 追求。
SPC 是木塑复合材料发展和延伸的产物,不 管是从原料成本,还是从产品的强度、耐用性等 方面,SPC 完全可以与木塑材料相媲美。“秸塑”工 艺 诞 生 于 中 国 ,而 且 在 中 国 有 最 广 泛 的 原 料 供 应,尤其是官方主导的秸秆收集系统。因此,在 中国发展秸塑产业不仅具有时代紧迫性,更具有 无与伦比的产业优势。我国作为农业生产大国, 秸秆是取之不尽的农业副产物,也是未经开发的 丰富资源。据统计,我国能够收集的秸秆总量约 7 亿 吨 ,若 [21] 能 形 成 初 级 秸 塑 原 料 就 能 够 实 现 7000 亿元以上的产值。
值得一提的是,近阶段发达国家基本上不具 备收集和加工秸秆以谋求工业化利用的条件,但 是他们又对木塑行业的产能和可再生原材料有 着极大的市场需求。秸秆生物质原材料的特性 优势加上国内对新材料、新产业的扶持和鼓励秸 秆综合利用的宽松环境是在我国率先发展这一 产业的巨大优势。
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