压缩秸秆塑料在产品设计中的应用前景研究

朱 凯，刘 云，马振宇

（苏州农业职业技术学院园林工程学院，江苏 苏州 215008）

塑料，是工业产品设计与生产过程中不可或缺的原材料。目前我国在绿色塑料研发领域进程依然缓慢，在工业化生产中仍然以传统的非绿色塑料为主，导致绿色设计与绿色生产的方针难以普及。近些年来，环境污染问题越来越受到民众的关注，国民也逐渐意识到环境保护的重要性。在这样的大背景下，探究利用农业生产中的秸秆，通过生物技术制造出可以替代传统塑料的新型塑料，正成为热门话题。秸秆塑料的应用，不仅可以解决农业生产中麦秸秆的处理问题，还对环境保护及绿色生产的落实有重要的推进作用[1]。

1 压缩秸秆塑料

压缩秸秆塑料是用植物原生秸秆和有机化合材料按比例进行混合的产物，其具有出色的材料性能与可降解性能。压缩秸秆塑料可以通过原生植物的类型与混合化合物材料的类别分类。按照原生秸秆材料进行分类包括稻压缩秸秆塑料、小麦压缩秸秆塑料、玉米压缩秸秆塑料、高粱压缩秸秆塑料和混合型植物压缩塑料[2]。按照共混的有机化合材料的不同进行分类，包括可降解基础材料（脂肪族聚酯、聚乳酸）、不可降解基础材料（PP、EPS）及天然高分子基础材料（淀粉）[3]。按照基础材料不同可分为可降解压缩秸秆塑料与不可降解压缩秸秆塑料，可降解基础材料秸秆塑料中脂肪族聚酯和聚乳酸可以通过自然降解，不会对环境产生污染，在原料生产的过程中可以控制其降解的时间和效率。不可降解基础材料的压缩秸秆塑料是原生植物纤维和PP、EPS 等有机化合材料依照比例合成的复合型材料，但由于其中的PP、EPS 等化合物不可以降解，所以只能通过再生利用达到绿色环保的效果[4]。天然高分子基础材料的可降解秸秆塑料完全可以通过自然降解，得益于其是由原生植物秸秆纤维和聚多糖等纯天然的高分子混合而成，在废弃后可以直接降解转化为热能，是最为环保的绿色材料[5]，天然高分子基础材料的可降解秸秆塑料，如图1所示。

图1 天然高分子基础材料的可降解秸秆

2 压缩秸秆塑料的生产工艺

2.1 压缩秸秆塑料产品的原料

压缩秸秆塑料原料主要有麦、稻、高粱、玉米秸秆、废草料、稻、麦壳、作物壳、根茎和再生纤维等，均来源于农业生产的环保原料[6]。其制造工艺是先将稻、麦和玉米等秸秆进行物理粉碎成植物纤维束，然后与改性后的天然胶合剂混合成复合原料，如图2所示。

图2 秸秆原材料（系统）回收的一般过程

2.2 压缩秸秆塑料产品主要生产工艺

（1）热压成型。对于如建筑板材、工业用板及复杂家具产品主要运用热压成型加工工艺，这样可以适应大批量的生产[7]。

（2）注塑成型。主要面向大批量生产的日用品、玩具等制品，成型设备与传统塑料制品相同。在注塑前期只需要对原材料进行含水率管控，保持在0.3%以下即可进行加工生产，各类塑料件可以用注塑、吹塑、吹膜、吸塑、层压、发泡和纺丝等传统成型方法进行加工[8]。

（3）氮气辅助成型。通过氮气吹气加工出主体部分，其余的结构件采用注塑工艺，1 个模穴并行多个塑料件。由于压缩秸秆塑料独特的化学稳定性，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会出现外观缺陷的问题[9]。压缩秸秆塑料加工相比传统塑料成型方式具有显著的技术特点。其同时可以按不同用途的配方要求进行配比混合，依照物件的要求由机器成型。结构强，容易组装，各类原生物料都是由回收物组成，在生产过程中节约了资源同时也保护了环境，完全符合现在大力提倡的绿色生产方针。

3 压缩秸秆塑料产品的设计特色

3.1 压缩秸秆塑料产品的环保性能

压缩秸秆塑料作为一种新型复合材料，继承了传统塑料的性能优点，同时在成本上更具优势。当前，已经有很多生产厂家把压缩秸秆塑料实际应用于生产，其中最具代表的是“名创优品”“无印良品”等企业。如图3所示，使用压缩秸秆塑料制造的环保牙刷，压缩秸秆塑料被设计成各类日用产品，受到大量消费者的青睐，此举不仅体现出企业环保的设计理念，也为环境保护作出贡献[10]。压缩秸秆塑料的原材料全部来自植物秸秆纤维、废弃塑料等，在生产的过程中可以大量地减少木材、石油和煤炭等资源的开发，极大地保护了生态环境。我国农业产业发达，秸秆资源丰富，在利用的同时也是一种回收行为，可以有效减少大量焚烧秸秆所带来的环境污染问题。回收使用的秸秆纤维和塑料所制成的新型压缩秸秆塑料对比传统的塑料，不但成本低而且具有传统塑料所不具备的性能优点，不含对人体有害的物质，是未来绿色材料研发的趋势。

图3 使用压缩秸秆塑料制造的环保牙刷

3.2 压缩秸秆塑料产品的稳定性

压缩秸秆塑料的加工方式简单，物理性能优异，由表1可知压缩秸秆塑料的物理性能。多数压缩秸秆塑料可以用普通的塑料成型方法加工，如PBS 塑料的加工多样性（注塑、压塑和吸塑等）。与普通塑料相比，压缩秸秆塑料的机械加工性能更强，同时具备刨削钉等特点，可以加工出各种截面形状的成品，制造成型后的成品外观呈现自然之美，同时具备防水防油防污的特点[11]。其应用范围更广，目前可以广泛适用于包装材料、日用制品、工程用料、家装用品和装饰用品等领域。

表1 压缩秸秆塑料的物理性能

4 压缩秸秆塑料产品的应用前景

4.1 环保日用品

目前压缩秸秆塑料制品在很多厂家已经陆续出现，各行业的生产与加工工艺已经相较成熟，规模化生产已经大量地展开。压缩秸秆塑料制成的日用品，具备传统塑料制品的特点同时，又具备极强的可降解性，在生产制造、用户使用、回收等过程中无任何污染，压缩秸秆塑料产品的生命周期过程，如图4所示。传统的日用制品在废弃后可能需要几年甚至十几年时间才能初步降解，由此变成了“白色污染”，而压缩秸秆塑料在自然环境中降解只需4 个月左右，便可以通过微生物或自然腐化转化为有机肥料，这些日用品在使用完毕后，还可以回收利用，也可以直接堆放在土地里进行自然降解，实现了从自然中来到自然中去的目的[12]。

图4 压缩秸秆塑料产品的生命周期过程

4.2 环保包装

21世纪以来，“白色污染”成为了人们关注的重要问题，可降解的秸秆塑料是取代传统发泡型泡沫材料的一个重要途径。目前，以“星巴克”为首的包装依赖型企业已经逐步推行使用环保包装，秸秆压缩材料所制作成的包装、礼物袋、杯和餐具正逐步取代传统塑料制品[13]，使用压缩秸秆塑料生产的环保杯，如图5所示。传统的发泡型餐盒及塑料袋、尼龙袋等制品，在生产制造初期就会对环境产生大量污染，以传统EVA 发泡材料为例：EVA 材料在发泡时会产生大量的气体，如果不对烟尘进行过滤，将会破坏大气层，飘落的烟尘还对人体产生致癌的危害。可降解的秸秆塑料在产品的生产制造过程中，大大减少了有毒有害物质的排放，因为其本身的纯天然属性，所以在产品制造过程中几乎没有污染的问题。

图5 使用压缩秸秆塑料生产的环保杯

4.3 家装建材

早在几千年前人类就已经开始利用秸秆作为建筑材料，随着新材料研发能力的提升及人们对环保意识的加强，秸秆作为生产和建筑塑料应用再次被重视[14]。传统的秸秆利用，一般作为墙体和屋面的建筑塑料。现在对秸秆的利用方式更加多样，通过机加工后可以制作成模板、装饰板等建筑材料，使用压缩秸秆制成的装饰板材，如图6所示。这些秸秆建材具有无醛环保的特点，秸秆塑料同样也可以制造无醛家具、环保强化地板和吊顶用工程塑料等。

图6 使用压缩秸秆制成的装饰板材

5 基于压缩秸秆塑料的产品绿色设计方法

5.1 材料自身属性与人文美学相统一

从设计美学中看，压缩秸秆塑料由于其自然、生态的特性，具备了传统石油化工材料所无法具备的“自然美”。在产品绿色设计过程中，应当更多的体现自然、人文两者相交互的过程，设计过程不仅要满足产品本身的功能、价值、属性和生命周期等要素，还要深刻地考虑产品功能以外的人文关怀、自然关怀和美学情怀等元素。压缩秸秆塑料具有与木纹相类似的肌理与纹路，外观上呈现自然的木本原色，在肌理、色彩和美学特征中保留了原生材料的特征，因而在产品设计过程中为保存自然生态的产品特性，无需过多地对产品进行色彩、造型的修饰，遵循“少即是多”的设计原则。

5.2 生命周期与4R 原则相统一

从产品生命周期中看，产品设计与制造的整个生命周期，从材料生产—制品加工—商品消费—使用后废弃—回收处理—再生，每个过程中产品都和外界自然环境进行直接接触与能量交换，材料自身周期过程中每个阶段都和环境保护与经济发展产生着直接的联系。产品的4R 原则包括了产品的“减量”“复用”“再生”“能源回收利用”，因而在产品设计过程中，需要减少冗杂的多余设计，遵循“形式追随功能”的设计原则；在产品生产过程中，对油漆和涂层等化学生产工序，以天然的染料及涂料进行替代，平替石油化工辅料的使用从而减少“碳排放”；在产品包装过程中，将包装设计进行结构的一体化、材料的减量化、外观的简约化，从而减少产品包装的过度使用。

5.3 产品适用性与层次化相统一

产品层次化是基于AHP 层次分析所衍生的设计方法，使用压缩秸秆塑料进行产品设计时，要考虑产品的适用性，适用性则需要更深刻地建立在用户的层次化分析之中，实现两者的有机统一。从产品功能上看，使用秸秆塑料要充分考虑用户的人机工学特征，在产品适用地域、舒适感和满足感等领域深入考量；从材料本身看，要充分考虑产品适用结构、强度和安规，不同的结构部件，设计适用的强度、载荷要符合产品的标准；从精神层次看，产品要满足用户的心理需求、生理需求、精神需求和文化需求，比如将“文化创意”融入秸秆塑料产品的设计中，可以为农村剩余农作物的处理提供一条新思路。

5.4 产品创新性与多元化相统一

产品的多元化属性是指文化的多元化、人文理念的多元化和设计风格的多元化，随着各国多元文化的融合发展，设计文化与设计理念的概念也逐渐模糊。秸秆塑料的产品绿色设计方法所表达的是多元层次的产品创新，其不拘泥于产品外形设计，更融合了新材料、新工艺和新技术，以内涵提升产品设计的发展。在设计中，产品的创新与多元化要素紧密结合，通过融入人文情感，使产品的精神内涵得到了升华；通过新材料、新技术的应用，使产品的功能价值、环保属性得到了体现。多元化不仅体现在设计本身层次，更多地体现了产品“服务于人”“归于自然”的根本理想。秸秆塑料的多元化与创新性的相统一，除了适用产品设计领域，更可以带动其他人本生活领域思想的发展。

6 结束语

压缩秸秆塑料所生产的产品比普通的塑料产品更为绿色环保。在生产上，可以通过不同的生产工艺达成需求，工艺上更为简单，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资源。在使用中，压缩秸秆塑料制品相较于普通产品质量更轻，使用过程中损坏率更低。同时，压缩秸秆塑料强大的可降解性能解决塑料制品的环保问题，极大地解决了制造业废物循环利用，延长了产品的生命周期，具有十分广阔的前景。农业秸秆的再生利用解决了大量环境问题，在未来几十年中，随着研发能力的不断提升，压缩秸秆塑料制作出的各式各样产品一定会真正走入寻常百姓家，实现完全替代传统塑料的设想。