“以竹代塑”低碳理念下生态产品竹纤维餐盒的优化设计

宋怡琪 刘 娇 柴瑶婕 窦 营

(浙江外国语学院 杭州 310000)

随着塑料制品在日常生活中被广泛应用，塑料污染问题也逐渐暴露在大众面前。联合国环境规划署2021年发布的报告显示，1950—2017年全球累计生产92亿t塑料制品，其中约有70亿t成了塑料垃圾，而这些塑料垃圾的回收率不足10%[1]。未被回收的塑料不仅影响生态环境，还影响了碳循环，加快了温室效应；温室效应又会导致一系列环境问题。2020年9月我国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标，表明控制碳排放已上升为国家战略。因此，解决改变碳循环的塑料污染问题已变得更为重要。竹子作为可再生的自然资源，因其独特的材料属性成为替代木材和塑料的最佳选择。

竹类植物生长迅速，资源充裕，一次性种植可长久利用，是理想的生物质资源。目前全球竹林面积约为3 200万hm2，中国竹林面积为701万hm2。竹材可加工成建筑、家居、装饰、日用品等多种产品，是低碳、可再生、可循环利用的优质材料，也是耐用型塑料的理想替代品。据相关统计，塑料包装是当今世界塑料工业中用量最大的领域，占塑料总消费量的25%左右，其中食品塑料包装具有较大的可替代潜力和消费市场。基于此，本文以竹纤维餐盒的概念设计为案例，展开对替代塑料产品的研究与实践探索，创新创意利用目前的竹加工技术和工艺，进行竹纤维餐盒的优化设计，并从产品性能和环保效益方面阐述产品特色与优势，并最终归纳“以竹代塑”助力“双碳”目标的逻辑理路，以期展示竹子在减塑消费和绿色发展中的突出优势，推进“以竹代塑”理念的市场推广和消费普及，促进产业提升和减碳目标的实现。

1 设计的理论基础

1.1 低碳经济理论

“低碳经济”最早见诸于政府文件是在2003年的英国能源白皮书《我们能源的未来：创建低碳经济》。在此之前，20世纪90年代初加拿大生态经济学家提出生态足迹理论，用以衡量自然资源与人类经济发展的互补关系。后又有学者提出环境库兹涅茨曲线假说(EKC)，认为大多数污染物的变化趋势与人均国民收入变动趋势之间呈现倒U形关系；也有学者提出“脱钩”理论，用来分析经济发展与资源消耗之间的相应关系；此外，还有“城市矿山”理论等，这些理论都为低碳经济发展初步奠定了理论基础。

所谓“低碳经济”是指通过技术创新、制度创新、产业转型和新能源开发等多种方式，尽可能减少高碳能源的消耗，同时兼顾经济发展，以达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种良性平衡的发展形态。低碳经济具有3大特点：经济性、技术性、动态性，即在保持经济以一定速度发展的前提下，通过各种技术手段减少碳排放[2]，进一步有效融合创新技术和创新机制，倡导低碳生活方式和低碳经济发展模式，进而促进社会经济实现可持续发展。在“双碳”目标引领下，倡导发展低碳经济，有效地减少碳排放，改善生态环境，对我国经济社会健康发展具有重要意义。

1.2 产品绿色设计理论

产品绿色设计是将综合预防污染和节约资源的理念用于产品的设计中，以开发环境友好的、经济可行的、可持续发展的产品体系。绿色设计追求的目标是节约资源、预防污染、保持环境、维持生态系统健康可持续发展，以支撑长期的、有活力的经济系统。因而在产品生态设计中就必须引入新的思想和方法：其一是从“以人为中心”的产品设计转向既考虑人的需求，又考虑生态系统安全的绿色设计；其二是从产品开发概念阶段，就引进生态环境变量，并与传统的设计因子如成本、质量、技术可行性、经济有效性等进行综合考虑。

将绿色设计思想引入产品设计是设计领域观念的一次重大变革。国内外学者对产品绿色创新设计方法开展了多维度的研究与应用。Justel等[3]从TRIZ进化理论的角度提出产品可拆卸的设计方法[4]；任新宇等[5]提出产品绿色设计的3个具体特征，即环境友好特性、功能的全生命周期化和创新的价值理念；杨锦陇[6]从技术系统发展的角度考虑绿色产品的设计问题，提出基于TRIZ理论的产品绿色创新设计方法，解决绿色设计整个过程中遇到的突出问题。

低碳创新设计紧密贴合产品绿色设计理论，凸显低碳环保、节能减排理念，是一种更具积极性、主动性和环境友好性的设计方式。随着低碳设计理念的日益普及，产品绿色设计将成为产品工业设计的主要发展趋势。在生态产品竹纤维餐盒设计中要坚持低碳环保理念，充分利用先进科学与工艺技术，提高竹资源利用率，以减轻对环境的污染，推行低碳消费。

2 竹纤维餐盒优化设计

基于“以竹代塑”理念，本文提出了一种将甘蔗渣和竹原纤维混合用于生产食品包装餐盒产品的概念设计，其效果图如图1(参考图片来源于伊德威尔一次性餐盒产品)，并为该产品设计了标识(logo)(图2)。这款竹纤维餐盒可作为塑料餐盒的替代品，体现了资源节约和清洁生产的理念。制糖工业中的剩余物甘蔗渣可安全地用于食品领域；竹子的天然材性优势结合简单预处理，可以制备优势突出的竹纤维原料。因此，竹纤维餐盒采取了一种混合纤维策略，即将长竹纤维与短甘蔗纤维混合形成丰富的物理交织，使竹纤维餐盒具有食品容器所需的优异性能，包括高拉伸强度、优异的油稳定性、疏水性和低重金属含量等。同时，竹纤维餐盒在自然条件下可在60 d内生物降解，显著少于合成塑料的降解时间。此外，与用聚苯乙烯生产餐盒产品相比，生产竹纤维餐盒产生的二氧化碳排放量要少得多。因此，该款产品可作为塑料食品包装的替代品，为解决目前因过度使用塑料而造成的严重“白色污染”问题开辟了新途径。

图1 竹纤维餐盒效果图Fig.1 The rendering of bamboo fiber lunch box

图2 竹纤维餐盒logoFig.2 The logo of bamboo fiber lunch box

3 产品设计特色与助力“双碳”目标的逻辑理路

基于“以竹代塑”低碳理念设计的竹纤维餐盒，具有环境友好、低成本、可生物降解等突出优势，其设计特色体现在技术特异化、产品功能化、设计新颖化以及加工极致化等方面，是助力“双碳”目标实现的生动实践。

3.1 技术特异化

竹材具有强度大、韧性好、培育周期短的优点。竹纤维长1～4 mm，微纤丝角较小，长细比大，具有良好的机械性能[7]。竹材的抗拉强度是木材的2倍，抗压强度也略高于木材。竹纤维的戊糖及木质素含量较高，易于高温模压形成挺度高、耐渗性强、耐久性好的环保竹纤维复合材料。该款竹纤维餐盒，能够较为充分地发挥竹子的材性特点，与聚苯乙烯系列塑料餐盒相比具有较高的拉伸强度和杨氏模量。竹纤维餐盒采用了纤维杂交策略，将长竹纤维与短甘蔗渣纤维混合，交织形成紧密相互作用的网络，进一步增强了衍生的最终产品的机械性能，使其可以满足高承载能力和在潮湿环境中运输安全的要求。因此，在竹产品设计中，应利用竹材强度大、韧性好、梯度变化等特点的缠绕、编织与深度模压等创新技术，研发出区别于木材的高附加值产品[8]。

3.2 产品功能化

耐油性和耐水性是衡量食品餐具质量的2个关键指标。纸浆餐盒优异的耐水性和耐油性的机理在于纸浆中添加的烷基烯酮二聚体(AKD)。AKD的活性基团(内酯基)可以与纤维素的伯羟基通过酯化反应形成β-羰基酯键；同时，疏水基团(长链烷基)转向背离纤维素表面，以赋予纤维素“拒液性”。因此，在竹产品设计中要针对竹材天然生物质材料特点，进行防水、防霉、防裂、防变色、阻燃等的功能化改良，从而利用竹质材料设计开发出满足日常需要的多功能新产品。可以通过环保水性涂料改性强化阻水性能并与疏水物质的结合，以实现机械稳定性较高、耐久性较好的防水效果，还可以通过防水处理提高竹材尺寸稳定性以及用低分子树脂充胀等方法实现防裂。

3.3 设计新颖化

在中国源远流长的文化史上，从竹简到竹纸，竹子在文化发展史上的地位始终不可撼动，对保存人类知识、形成中华民族积厚流光的历史文化发挥了重要作用。随着时间的推移，竹子已渗透到人们物质和精神生活的方方面面，积淀成具有中国特色的竹文化。而今在新时代背景下，竹子的生态效益也越来越受到重视，开展竹林生态旅游，接受竹文化熏陶，已成为当今人们生态文化需求的重要内容。在竹产品设计中，依照传统竹文化、现代美学及用户个性化需求，融入竹材天然纹理、色泽、气味、多节结构等特性，开展符合人体功效学的竹质日用品、家居产品创新设计，通过材料的质感、性能、纹理、色彩、构成等要素产生的“肌理”构筑成型，发挥高柔韧性和环保优势，可开发出高曲率、多层次组合与仿生学的精美新产品[9]。

3.4 加工极致化

竹材半纤维素含量高，非结晶区大，打浆过程“润胀效果”明显；细胞壁由宽窄相间的十几个亚层交替形成，更易产生内帚化现象，打浆过程的优化有利于提升餐盒的交织结构，进而提升其挺度和耐渗性能。竹纤维天然的材性优势结合亚硫酸钠、蒸汽爆破等简单的预处理方式，可制备性能优异的竹纤维餐盒原料。在模制纸浆制造的热压过程中，作为天然粘合剂，剩余的木质素可以增强不同组分之间的结合和微纤维之间的氢键。同时，纸浆中的残余木质素和纤维表面改性可能有助于纸浆模塑产品的耐水性和挺度。因此，要创新竹纤维环保餐容器功能化设计与自动化、智能化加工技术，研发可控降解竹纤维餐盒新材料。在微观水平上，将传统竹产品品质、加工精细化程度与稳定性做到极致；在元素利用上，将竹材纤维与薄壁细胞、纤维素、半纤维素、木质素等组分精准利用到极致。

3.5 助力“双碳”目标的逻辑理路

竹纤维餐盒的设计是助力“双碳”目标实现的一次生动实践。在“以竹代塑”理念引领下的生态产品设计与推广，为代塑、降污、减排提供了基于自然的竹子解决方案，引导了竹产品科技创新、拓展应用领域的协同行动路径，并推动进一步打造高附加值、优质竹产品有效供给体系，充分发挥生态产品“固碳增汇”的功能。“以竹代塑”产品的研发不断推动增长动能的转换、高新技术的更迭和绿色消费的升级，助推“双碳”目标实现(图3)。

图3 “以竹代塑”助力“双碳”目标的逻辑理路Fig.3 The inner logic of “bamboo as a substitute for plastic” helping “double carbon” goal

4 应用前景与展望

通过代塑产品竹纤维餐盒的设计分析不难发现，在全球禁塑、限塑的背景下，竹子在破解塑料污染问题、推进节能减排、应对气候变化方面具有巨大潜力和突出优势。相比于塑料餐盒，以“竹纤维+甘蔗渣”为原料制备的竹纤维餐盒具有显著的资源、材性和环保优势，在替代塑料制品上具有巨大可行性。除了制作碗、盘、打包盒、餐碟等日用品外，其应用领域还将进一步拓展，有着巨大的消费市场和发展前景。未来随着竹材利用技术和工艺手段的更新迭代，“以竹代塑”的应用领域会变得越来越广，在生产与生活、各行各业的赋能也将越来越强。同时，竹类新材料科研成果的产业化作为新型生态环保产业，也将为经济发展开辟新的增长点。

发展是人类社会的永恒主题。基于低碳理念的“以竹代塑”生态产品的有效供给，为实现我国“双碳”目标提供了减塑、代塑的竹子解决方案，引导了高值化、优质竹生态产品科技创新、多元领域应用的行动路径，并且有力促进了增长动能转换、高新技术更迭、绿色消费升级，形成了阐述代塑生态产品研发实践中“以竹代塑”理念与“双碳”目标之间价值契合、行动统一与科技赋能的逻辑理路。“以竹代塑”倡议被纳入全球发展高层对话会成果清单，是“以竹代塑”的一个新起点，随着完善政策支持、提升科技水平、加大市场推广等一系列举措的逐项落地[10]，“以竹代塑”也将在国家倡议、企业行动和公民支持下，推动人们改变生活方式、改善环境，推动建成一个低碳和绿色的社会。