竹业引领人类生活更美好

费本华

(国际竹藤中心 北京100102)

据2017 年由国际竹藤中心、 国际竹藤组织和英国皇家植物园联合出版的《世界竹藤名录》 (World Checklist of Bamboo and Rattan) 权威发布， 全球竹类植物88 属， 1 642 种， 面积约3 200 多万hm2。 最新发布的中国第九次森林资源清查结果表明， 我国竹林面积641 万hm2， 约占全球总量的20%， 仅2018 年， 我国大径竹产量达31.55 亿根， 是世界上竹资源最丰富的国家。

在我国古代， 竹子与我们的精神生活联系紧密，具有丰富的文化内涵。 在现代， 通过竹产品为载体可以传递东方生活美学， 表达美与绿色的文化理念。更重要的是， 竹子生长迅速， 成材率高， 一次性种植， 永续利用， 是巨大的、 绿色的可再生资源宝库和能源宝库[1]。 因此， 竹子在文化、 生态、 材料等方面均具有重要的研究价值， 三者高度一体化是任何其他植物无法相比的。

本文主要对竹子作为材料在家居、 工程等领域的应用进行探讨。 在材料研究领域， 竹材轻质高强，再生速度快， 与化石能源相比， 有无可比拟的优点。据统计， 相同面积的建筑物， 竹材的能耗是混凝土能耗的1/8， 钢铁能耗的1/50， 木材能耗的1/3[2]。随着竹材工业化水平的发展， 研究人员先后开发了竹胶合板、 竹刨花板、 竹层积材、 竹集成材、 竹重组材等结构材料和装饰材料， 为竹产业的发展提供了必要条件[3]。 本文重点对比竹材与木材、 塑料、钢材、 陶瓷等材料的优劣性， 指出竹材在家居、 工程等领域的独特性能优势， 实现人居与竹材共生共荣， 在改善人居环境、 提升人民生活质量方面有重要的推动作用。

1 竹木并举

20 世纪50 年代至20 世纪末， 由于国家建设的大量需求， 以及不合理的、 破坏性采伐利用， 天然成熟用材林几乎消失殆尽， 木材资源严重短缺。2018 年， 我国原木进口量为5 968.6 万m3， 锯材进口量为3 673.6 万m3， 二者进口总额达211.1 亿美元， 成为全球最大的木材消费国和进口国， 对外依存度已超过60%， 木材安全问题日益凸显。 此外，随着国家生态建设系列政策的出台， 以及对国有林场、 国有林区禁止商业性采伐政策的实施， 国产木材供应量锐减， 木材将无法满足未来建筑行业发展的需要。 相比之下， 产量大、 生长周期短的竹子资源， 可成为天然建筑材料等诸多领域的新成员， 可以更好地服务于国民经济建设。

竹子的生长速度在木质植物中最为快速， 一天的高生长可达1 m。 不同竹种经济成熟的时间不同，筇竹2 年、 慈竹3～4 年、 毛竹4～5 年材性就能达到最优值， 符合建筑材料所需标准。 而树木一般需要15 年以上方可成材， 有的50 年才能成材， 难以满足快速发展的经济建设、 高质量发展的需求， 且这种供需矛盾会随着环保举措的强化日益显著。

竹材除了资源优势外， 还具有优良的力学性质。竹材在顺纹方向上有非常优良的抗拉性能， 平均抗拉强度为100 ～250 MPa， 是木材抗拉强度的1.5 ～2.0 倍， 约为同比重下钢材抗拉强度的3 ～4 倍。 毛竹纤维的平均抗拉强度为1 543.77 MPa， 平均弹性模量为33.86 GPa， 与落叶松晚材纤维(410 ～1 422 MPa) 和挪威云杉纤维(1 186 MPa) 相比， 毛竹抗拉强度远远大于木纤维的抗拉强度平均值[4]。 此外，竹材还具有超强的径向抗压能力， 用竹材建造的穹顶可以承受近10 t 的负荷。 竹材的综合性能相比石材、 钢材等也毫不逊色[5-6]。

除了强度高的优点外， 竹材还具备良好的韧性特征， 这与竹材独特的梯度结构密切相关， 其维管束分布密度由内向外连续增大， 竹壁密度呈现显著的梯度分布， 组织向外愈加致密化。 梯度结构赋予了竹材优良的抗弯性能， 纤维体积分数一定的条件下， 梯度材料比均质材料的抗弯模量高30%。 竹材弯曲曲率是山毛榉的2 倍， 云杉的3.5 倍[7-8]。 这种韧性使竹建筑具有很好的抗震效果， 在承受地震波时， 相比混凝土建筑不易坍塌， 留存时间较长， 抗震等级高。 20 世纪90 年代， 哥斯达黎加发生7.7 级大地震， 2 000 余幢建筑在地震中全部坍塌， 而700余座传统竹屋却未被破坏。

基于竹材这些优良的性能品质， 研究人员开发了多种竹质板材， 以供家具、 建筑、 装饰装修等领域使用。 竹质板材的种类繁多， 有竹胶合板、 竹刨花板、 竹层积材、 竹集成材、 竹重组材、 圆竹工程材等结构材料和装饰材料， 为竹产业服务经济建设提供了必要条件。 随着中国经济的快速发展， 可持续发展理念的不断深入， 人们对绿色环保材料的需求越来越高， 在当前木质资源匮乏的情况下， 优质的竹质板材可以作为绿色环保材料的补充资源， 满足多元化建筑的市场需求[9-10]。

2 以竹代塑

众所周知， 塑料是一种以高分子量合成树脂为主要成分的塑性材料， 在人们的生活中扮演着重要角色， 从饮水瓶到餐具， 从办公用品到生活用具，无处不在。 然而， 这种难以降解的“白色垃圾” 对环境产生了灾难性影响， 破坏海洋生态环境， 进而进入人们的食物链， 造成更大的破坏。

据推算， 全球每分钟卖出100 万个塑料饮料瓶，每年使用5 万亿个塑料袋， 这些东西转眼就成了塑料垃圾。 2018 年6 月5 日， 联合国环境署首次聚焦一次性塑料污染问题， 发布世界环境日的主题为“塑战速决”。 2018 年10 月24 日， 欧洲议会投票通过禁止使用一次性塑料的立法提案， 以遏制日益严重的塑料废弃物对海洋和生态环境的污染。 根据该禁令规定， 从2021 年起， 欧盟已经发出禁塑令， 将于2021 年全面禁止生产和销售一次性餐具、 棉签、吸管等塑料制品， 这些用品将由纸、 秸秆或可重复使用的硬塑料替代。 因此， 发展可替代塑料使用的绿色用品成为必然并具有巨大的商机。

作为一种资源丰富的生物质材料， 竹制品在很多领域都可以替代塑料产品。 包括日用品类、 包装类、 建材类和汽车用材料等。

日用品领域的竹制品种类较多， 有吸管、 餐具等多种产品。 竹吸管一般由箭竹作为原材料， 由高温蒸汽碳化处理后使用； 一株箭竹可以制作出8 支左右的竹吸管， 分为粗、 细等不同等级， 分别用来饮用冰水、 果汁等产品。 一次性餐具， 原材料可以是竹条或竹炭， 制作一次性餐具： 盘、 杯、 刀叉、勺； 竹炭搅拌棒， 目前已在日本市场进行售卖。 此外， 棉签棒、 牙刷柄等材料都可以用竹材进行制作。

竹材在包装领域可以用于制作包装盒、 运输用托盘等产品。 这种竹包装产品既可以达到环保目的， 又能够提高产品的文化价值， 具有广阔的应用前景。

轻量化是当前汽车领域的重点发展方向， 宝马、奥迪、 福特、 大众、 丰田等全球知名汽车品牌均在关注天然新型轻质材料， 这些材料可应用于噪声屏蔽、 底部、 前端、 保险杠梁、 车门、 仪表板等多个部位。 其中， 竹纤维增强热塑性复合材料越来越受到汽车制造商的青睐， 预计2020 年竹纤维增强复合材料潜在市场需求将达660 万t， 市场空间广阔。

此外， 以竹篾为基材， 采用缠绕工艺制备的竹缠绕复合材料近年来发展迅速， 这种竹缠绕管道具备原材料可再生、 产品可降解等多重优点， 可以替代部分塑料建材在城市供水系统中使用， 是竹材应用的一个重要发展方向。

3 竹钢协同

目前我国钢铁工业结构调整的重点是维持供需基本平衡， 推进全行业高质量发展， 同时在全国范围内去产能， 减少重点区域产能和产业布局。 这一举措的实施是力求解决钢铁产业与环境保护之间的矛盾。 在这种形势下， 有序增加绿色天然建材的使用， 缓解钢材需求， 成为建材市场的发展方向。

建筑领域的研究人员认为， 相较于木材和钢材，竹材的优越性集中体现在其受力与传力层面。 在建筑设计上， 考虑竹材轴向受力特性， 可以选择桁架、网架等主要结构构件为轴向受力的结构体系进行建筑设计， 适用于构件密度较大的结构体系。 同时，竹材可以替代建筑的结构、 围护、 隔断等多种部位，在设计和建造方面具有非常好的结构性、 灵活性和抗震性， 能够形成一个快速的工业化房屋建造体系[9-10]。

此外， 竹材的传热系数小， 导热系数约为0.3 W/m K， 具有很好的保温隔热性能， 在达到同样保温效果的条件下， 竹材所需厚度仅为混凝土的1/15、钢材的1/400， 且平均湿度变化保持在60%～80%，与最佳居住环境湿度接近。

因此， 竹材可以用于建造低层住宅建筑， 替代低层钢筋混凝土结构或砖混结构， 从而达到减少建筑领域钢材使用、 补充绿色建材资源的目的。 从建材发展角度来看， 这一措施既符合生态节能建筑、装配式建筑的新型产业发展趋向， 又达到了健康环保的目的。 随着竹建材标准和相关政策的日渐完善，竹材与钢材协同发展有着广阔的发展前景。

4 竹瓷互补

我国是世界上最大的陶瓷生产国， 建筑、 卫生、日用陶瓷产量多年位居世界第一。 其中， 日用陶瓷年产量超过400 亿件， 占全球产量的60%以上。 但是， 随着社会环境的改变， 陶瓷领域面临产量过高、能耗过高、 难降解等多种问题， 尤其是陶瓷极不易降解， 成为影响自然环境的重大问题[11-12]。

首先是原材料问题。 高岭土占陶瓷原料的20%～30%， 在陶瓷、 造纸、 涂料、 橡胶等领域应用广泛。 但是高岭土属于不可再生的非金属矿产资源，尽管我国高岭土资源储量丰富， 但是因为造纸或陶瓷等生产应用， 对高岭土的需求量非常巨大， 高端涂料级高岭土依然主要依赖进口。

其次是能源消耗问题。 陶瓷烧成温度在800 ～2 000 ℃， 生产制造的能源成本约占总成本的10%～18%。 以建筑陶瓷为例， 大致可以分为3 部分的能耗： 喷雾干燥能耗， 约980 ～2 200 KJ/kg； 干燥能耗， 约250 ～750 KJ/kg； 水和原料消耗， 这部分能耗根据涉及的生产工艺类型和产品性能的需求而有所不同。

除了能源消耗外， 陶瓷在制备过程中有大量的废气、 废水排放， 废气主要包括颗粒物、 大气污染物， 如二氧化硫及其他硫化物、 氮氧化物及其他含氮化合物、 挥发性有机物(VOCs)、 重金属及其化合物、 氯化物、 氟化物等。 水是陶瓷工业中非常重要的原料， 在原料制备设备、 上釉设备清洗过程中，以及旋转过滤器脱水过程中， 需要大量用水， 虽然这些水通常会被回收再利用， 但是仍有部分废水排放出来， 导致环境污染。

更重要的是， 我国每年在生产环节中废瓷年排放超过120 万t， 使用环节年约100 亿件产品废弃。陶瓷废弃物中硅酸盐矿物会发生风化， 类似于自然界矿物风化， 不影响资源的循环利用； 但是， 普通日用陶瓷制品通常不易破碎、 难风化、 不可降解，多做填埋处理， 对生态环境有很大的影响。

根据目前竹材的应用领域， 可以预测竹材在一定程度上能够代替或补充日用陶瓷、 卫生陶瓷的应用。 如竹餐盘、 花盆、 日用品、 卫浴等， 有些已经开始推广应用。 竹旋切单板制作的竹餐盘、 竹纤维纸浆或竹塑制作的花盆、 重组竹制作的卫浴等， 这些产品既具有陶瓷的高硬度、 高耐热性等， 又具有可降解的优点， 有益于人体健康和环境保护。

5 小结

总之， 竹材在建筑、 家居、 交通、 日用制品和纤维化利用等领域均具备广泛应用的潜在发展价值。在性能、 成本、 资源量及环保等方面具有独特的多重优势， 甚至对于气候变化、 碳排放都有巨大贡献。在当前不可再生资源日益枯竭的情况下， 能否作为原料予以回收， 成为工业产品的一项重要评价指标。因此， 大力发展竹产业、 开发优质竹产品， 是一项改变人类生活、 促进绿色发展的重要举措和必然选择。

致谢： 感谢国际竹藤中心马欣欣副研究员为本文撰稿的资料收集和内容整理提供帮助， 感谢李智勇研究员给予指导。