秸塑复合材料——秸秆与废塑料资源化利用新途径

（中华全国供销合作总社天津再生资源研究所，天津300191）

为贯彻落实党中央、国务院关于建设生态文明、推动绿色循环低碳发展的重大决策部署，发展改革委会同有关部门制定的《循环发展引领行动》中提到，到2020年，主要废弃物循环利用率达到54.6%，农作物秸秆综合利用率达到85%。而将秸秆和废旧塑料用于木塑复合材料的生产，为秸秆和废旧塑料的资源化利用提供了一条新的途径，对我国加强农林剩余物和废旧塑料的回收利用、减轻环境生态压力具有深远意义，将会受到更多的关注。

1 秸塑复合材料的概念

秸塑复合材料（Straw-Plastic Composites，SPC）是由我国创造性提出的[1]，是以全秸秆生物质（如秸秆、棉杆、甘蔗渣等）为原料，经粉碎和界面改性增容处理，与一定比例热塑性塑料及助剂共混，通过挤出、热压或注射等成型工艺制备的兼具生物基材料与塑料特点的一种可循环利用的新型环保材料[1，2]，也属于一种木塑复合材料（Wood-Plastic Composites，WPC）。

SPC与WPC在原材料构成上有显著差异，目前WPC使用的原材料主要是木粉和塑料的复合，SPC则实现了“以秸代木”，是由秸秆生物质与塑料经改性复合后的材料。SPC作为一种新型材料继承了WPC材料的优势，同时兼具生物基材料和塑料的优点，可弥补单纯塑料制品的易老化、低温脆变等缺点，与木材相比可抗酸碱、耐水、耐腐蚀、不易被虫蛀，是一种具有良好的机械性能和加工性能，仿生自然，可100%回收再利用的绿色环保新产品。

2 秸塑复合材料应用的重要意义

我国森林资源相对贫乏，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。而我国每年需要木材1.5×1010m3，木材供需缺口巨大，木材的大量砍伐已严重影响我国生态环境，日益增长的木材需求迫使我国需从国外进口大量木材[3]，然而世界上森林面积每年也以1 600万hm2的面积锐减。各国都在加强环境保护的意识，积极寻求新的资源进行替代[4]。

近年来，随着人口数量的增加，对粮食的需求也迅速增大。我国是农业大国，在粮食种植的同时，不可避免地产生大量的农业废弃物——秸秆。秸秆传统的处理方式是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。减少秸秆焚烧，控制雾霾，已是一个战略问题和环境问题，各级环保部门在治霾、秸秆综合处理等方面也加大了投入，秸秆综合利用纳入“十三五”政府的重点工作、重大规划和重大项目之中。

秸塑复合材料的提出和研制成功，有效解决了木材资源短缺、秸秆资源浪费、塑料资源回收利用等问题。SPC作为木材替代品进行应用，可以大量减少对木材资源的需求，有利于森林资源的保护，有力缓解我国建材、包装等行业的原料短缺问题；SPC的应用还可大量消化农作物秸秆，减少秸秆的焚烧量，保护生态环境，拓宽秸秆利用渠道，有利于农民创收和农业发展；此外，SPC还能规模化地消耗废塑料，有效减轻社会环境负担，节约石油资源，提升了废塑料再生利用的附加值，有助于促进废旧塑料的回收再利用。因此，SPC是一种可资源循环再利用的绿色环保新产品，为废旧塑料和农林废弃物的再生利用开辟了一条全新的道路，有助于推进资源全面节约和循环利用，促进我国绿色低碳循环经济的发展。

3 秸秆/废塑料共混制备秸塑材料技术分析

3.1 秸塑复合材料制备的关键技术

秸秆与木材虽然具有相似的化学成分，但组分比例不同，容重相差较大，木粉纤维结构中具有横向和纵向的导管细胞有利于其与塑料的界面结合，而秸秆只具有单向的导管组织，且呈现多孔结构，容易吸潮，原材料适塑性效果差[5]。而且秸秆纤维表面含有极性的亲水基团，致使其与大多数非极性的塑料之间的界面相容性较差。由此可见，制备秸塑复合材料时考虑两相之间的相容性是重点所在，最常用的处理方式是对秸秆进行改性。如何改变秸秆结构从而增加容重和疏水性结构，增加秸秆在基体塑料中的分散性，改善秸秆的适塑性，解决秸秆与塑料两者界面相容性差，优化两者界面粘合性能，是获得秸塑复合材料的一些关键技术问题[6]。

3.2 秸秆/废塑料共混制备秸塑复合材料的技术路线

秸秆与废塑料制备秸塑复合材料不同于原有WPC的处理方案，其生产过程中必须经历秸秆粉的改性和熔融共混塑化等工艺环节。改性后的秸秆粉可替代优质木粉用于秸塑新材料，而且秸秆中大量存在的生物基矿物质通过改性，也能增强复合材料的韧性，并且所制备出的秸塑产品使用过程中零甲醛排放，绿色环保。利用秸秆和废塑料制备秸塑复合材料的技术路线如图1所示。

3.3 秸秆/废塑料共混制备秸塑复合材料研究现状

SPC作为WPC领域内的新兴种类，具有更高的环保意义和商业价值，开发前景广阔。随着木塑行业的不断发展，国内WPC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。SPC的研究已成为WPC的发展趋势和研究热点。

图1 利用秸秆和废塑料制备秸塑复合材料的技术路线

任子龙[7]等将稻壳粉、非医疗回收处理的塑料制品以及玻璃纤维进行熔融共混，制备出具有增强效果的环保型秸塑复合材料，并分析了材料中玻璃纤维的长度和含量以及偶联剂处理对秸塑复合材料性能的影响。结果表明，玻璃纤维可以有效提高稻壳粉/非医疗回收塑料秸塑复合材料的强度，增加材料的刚性。当玻璃纤维的含量为23%，长度为6 mm时，复合材料的力学性能最优；当玻璃纤维经过3%硅烷偶联剂处理后，稻壳粉/非医疗回收塑料秸塑复合材料的力学性能有明显的提高。

丛龙康[8]等采用小麦秸秆和废旧聚乙烯塑料为原料，通过挤出和热压成型工艺制备秸秆纤维/废聚乙烯复合材料，探究了麦秸纤维的粒径、添加量，界面改性剂的种类和添加量，生物酶改性处理和生物酶与相容剂复合处理等因素对秸秆纤维/废聚乙烯复合材料的力学性能、热学性能和吸水性的影响。研究表明，麦秸纤维含量为40%的复合材料的机械性能最佳。秸塑纤维的粒径大小对复合材料的影响不同，在60/100/200目秸秆纤维中，经过界面改性后的60目秸秆纤维增强复合材料的力学性能和热稳定性能最好，显著改善了复合材料的界面相容性能。

朱栋君[9]等分别利用一种或多种秸秆成分（稻秸秆粉、稻壳粉、衫木粉、竹粉）与一种或多种塑料成分（PP，PE-HD，PE-LD膜）为原材料，采用模压成型的工艺技术制备不同填料及不同塑料基体的秸塑复合材料，重点对复合材料力学性能进行分析。测试结果表明：在塑料基体种类上，以无油墨PP为基体的复合材料的综合力学性能较好，而含油墨PE-LD基复合材料的冲击韧性较好。填料成分方面，稻秸秆粉作为填料增强无墨PP复合材料效果最佳，制得稻秸秆粉/PP综合力学性能较好，而稻壳粉/PP复合材料冲击韧性较好。

对秸秆粉进行改性是有效改善与塑料界面的相容性的有效途径，但相对木粉、竹粉，秸秆的改性过程会增加SPC制备过程中的预处理成本，不利于秸塑产品在低端市场的竞争。因此，在木塑行业上广泛实现以秸代木仍面临很多问题，研究者在研发过程中不仅要考虑改性技术对秸塑复合材料的性能提升，同时也需要更加关注技术本身的成本问题，这样才能有助于科技成果能够有效助推产业的发展，提升秸塑复合材料的产品竞争力。综上所述，通过提高秸塑复合材料的界面相容性，来提升材料的力学性能、增加麦秸粉的添加量和降低产品的成本，这将是今后研究的重点和热点问题。

4 秸塑复合材料的应用前景

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，广泛的原料供应和官方主导的秸秆收集系统，为秸塑产业的发展奠定了坚实的基础。SPC开辟了秸秆工业化利用的新途径，完全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，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。

SPC是对木塑行业的有益补充，无论从原材料成本，还是从产品的强度、耐用性、环保等方面，完全可以与木塑材料相媲美，甚至还拥有更好的力学性能优势。秸塑独特的优良性使其产品在高端市场的前景十分广阔。秸塑新材料虽具有良好的发展前景，但其生产过程中改性塑化的工艺较为复杂，生产成本较高，不利于低端市场的竞争；其产品研发尚处在起步阶段，对这一新材料的生产和应用还需要持续的研发和创新。

5 结语

工业化生产的木塑复合材料所使用的木纤维主要是采用木材或者木材废弃物加工的木粉，使用农业废弃物（秸秆）为填充材料来制备木塑复合材料的还相对较少。秸塑复合材料的应用可促使农业废弃物、废旧塑料的资源化再利用，节约木材，保护日益紧缺的森林资源，环境效益明显，同时可提高废塑料再生利用的附加值，有巨大的社会效益和经济效益。利用秸秆和废塑料制备秸塑复合材料，将会是木塑产业今后发展和研究的热点。