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            加快發展竹纏繞復合材料產業,助力實現碳達峰碳中和

            时间:2022-05-19     【转载】   来自:世界竹藤通訊

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            一、概述

            中國是世界上主要的產竹國,素有“竹子王國”之譽。全國竹林面積641萬公頃,立竹數量超過280億株,竹材總蓄積量約5億噸。在碳達峰碳中和的背景下,竹產業以新型的復合材料和固碳能力,展現在人們面前。

            竹纏繞復合材料以竹材為基材、以樹脂為膠黏劑,采用無應力缺陷的纏繞工藝加工而成。充分發揮了竹材軸向拉伸強度高、彈性模量大的特點,具有重量輕,強度高、絕緣性和耐腐蝕性好、使用壽命長等特點。竹纏繞復合材料制成的管道、管廊、房屋等產品,可廣泛應用于城市給排水、農田灌溉、水利輸送、城市管廊、新農村建設等領域,有效減少鋼鐵、水泥、塑料等高耗能產品的需求量。完全自主創新,技術水平國際領先。

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            竹纏繞復合材料的組成結構

            竹纏繞復合材料具有優良的技術指標,測試表明,在埋地1米深、地面車載90噸的情況下,竹纏繞管廊最大豎向變形量不到1%,遠低于3%的控制標準;在管道形變超過30%時,抗壓強度還可以繼續上升,彎曲強度保留率為108.4%,彎曲彈性模量保留率為112.4%;國家農業灌排設備監督檢驗中心對竹纏繞復合管進行1萬小時靜水壓試驗,竹纏繞復合管在正常件下,使用壽命可達50年以上。加拿大國家林產品創新研究院對竹纏繞復合材料進行加速老化試驗,表明竹纏繞復合材料在自然條件下使用56年后,強度保留率為74%。

            竹纏繞復合材料的生產全過程能耗和碳排放均要明顯小于鋼筋混凝土產品,以壓力等級為0.6兆帕、管徑為1000毫米的管道為例,能耗僅為54.9千克標準煤/米。分別比焊接鋼管、塑料管、球墨鑄鐵管、預應力鋼筒混凝土管、鋼筋混凝土排水管節能77.6%、64.2%、77.3%、38.3%、32.2%。

            二、竹纏繞復合材料的市場應用潛力寬廣

            近年來的發展,竹纏繞復合材料技術的產品定位更加明確,產品包括竹纏繞復合管、竹纏繞管廊、竹纏繞高鐵車廂、竹纏繞房屋、竹纏繞廁所、竹纏繞軍工產品等六個系列。其中,竹纏繞復合管和竹纏繞管廊已經進入產業化應用階段,其余4種產品已經研制成功,取得突破性進展。

            (一)竹纏繞復合管 

            竹纏繞復合管是首款研制成功并開展工程應用的竹纏繞產品,主要包括三層結構,沿管徑方向,由內到外依次為內襯層、增強層和外防護層,三者由不同的材料組成,發揮不同的作用。內襯層采用防腐性能優異且符合食品安全標準的樹脂和竹纖維無紡布、竹針織氈制成,防滲且內壁光滑;增強層由竹篾、生物填料和氨基樹脂制成;外防護層一般采用防水防腐性能較好的樹脂和防輻射填料制成。竹纏繞復合管的生產工藝主要包括竹材加工、氨基樹脂生產、內襯制作、增強層纏繞、加熱固化、修整脫模、外防護層涂刷等流程。

            與焊接鋼管、塑料管、球墨鑄鐵管、預應力鋼筒混凝土管等傳統管道相比,竹纏繞復合管具有明顯的性能優勢、施工優勢和價格優勢。性能方面,竹纏繞復合管使用壽命長、保溫性能突出、糙率系數低、水流性能佳、抗震性能好、防滲性能好等優異性能,符合生活飲用水輸配水設備安全性評價標準,具備最優化的縱向和環向力學性能,可廣泛應用于水利輸送、農田節水灌溉、城市給排水等管道運輸行業。竹纏繞復合管在安裝施工過程,管道鋪設接頭少,運輸方便,施工效率高,勞動強度和技術要求低,不需要特別的墊土層。

            (二)竹纏繞管廊 

            竹纏繞管廊是在城市綜合地下管廊大規模建設的背景下開始研制的。2017年,5米直徑的竹纏繞管廊研制成功;2020年7月,我國首根8米直徑的竹纏繞管廊研制成功,并達到世界領先水平。

            竹纏繞管廊也是以竹篾、生物填料為基體材料、樹脂為膠黏劑,采用纏繞工藝制作而成,具有防火耐水、抗震抗沉降能力強、初始力學性能好、穩定性高、使用壽命長、綜合造價低、施工安裝方便等優勢,實現了資源可再生、節能低碳。與鋼筋混凝土管廊相比,竹纏繞管廊的工程施工周期僅為其30%,綜合成本僅為其70%—80%。完全可代替鋼筋混凝土制作的管廊。

            (三)竹纏繞房屋 

            竹纏繞房屋也是竹纏繞產品之一。2017年10月,世界上第一款竹纏繞整體組合式房屋研制成功。除整體組合式房屋外,竹纏繞房屋還包括新時代農居、單體公寓等類型。

            竹纏繞房屋是以竹材為基體材料、秸稈為填充材料、樹脂為膠黏劑,采用纏繞工藝制作而成,具有資源可再生、節能低碳、抗震、保溫、隔音、防火、建造速度極快等優勢,可取代目前使用鋼筋、水泥建設的房屋。最終將實現今后農村建房中不再使用鋼筋、水泥、磚頭和瓦片的目標。

            竹纏繞房屋的建造流程包括主體纏繞、房屋起吊、房屋運輸、房屋組裝、光伏安裝五個環節。其中,主體纏繞是以每間房屋為單位在工廠中進行整體纏繞成型、裝修、放置家具。房屋運輸也是每間房屋整體運輸。在現場進行組裝時,200平方米的二層房屋一般只需2—4小時即可組裝好。

            (四)竹纏繞高鐵車廂 

            2017年6月,竹纏繞高鐵車廂樣品研制成功。竹纏繞高鐵車廂具有資源可再生、低碳環保、質輕、抗震、保溫、隔音、防火、安全性好、綜合成本低等優勢,符合國家提出的發展綠色、輕量化交通的要求。由于竹纏繞復合材料具有吸收緩沖撞擊力的天然屬性,車廂在受到極限外力的情況下,能減少乘客受到沖撞力,減少事故的傷亡率,可極大提高高鐵在極端情況下的安全性能。目前,竹纏繞高鐵車廂正在進行全面測試。

            三、產業基地擴大

            2015年7月,首個年產2萬噸管道的生產單元在湖北襄陽建成投產,開創了林產業轉型的先河;山東、內蒙古、廣西、福建、河南、重慶等地也陸續建設了竹纏繞生產基地,產業化基地不斷擴大。截至目前,竹纏繞產業已有7個產業化基地先后建成投產,建設投資4.5億元,年產能11萬噸。全部達產后產值預計可達到16.5億元。

            同時,河南、湖北、湖南、四川等地有4個竹纏繞生產基地正在建設過程中,建設投資總計4.7億元,預期產能為10萬噸,預期產值為15億元。

            國內另有9個生產基地已經簽約,分別位于浙江、貴州、陜西、廣西、四川(2個)、山東、江蘇、重慶8個省市,預期投資為11.7億元,預期產能26萬噸,預期產值39億元。為了擴展海外市場,國內竹纏繞相關企業與菲律賓、緬甸、尼泊爾也分別開展合作,目前已簽約3個國際項目。

            具有一定規模的產業化基地是一個產業發展成熟的基本條件。另外一項條件是原料供應基本保障。全國竹材總蓄積量超過5億噸,每年可砍伐量約1.5億噸。而當前竹材每年砍伐消耗量僅4000萬噸。顯而易見,國內豐富的竹資源為竹纏繞產業的發展提供了較為充足的原材料。從地區分布來看,中國竹資源主要集中在福建、江西、浙江、湖南、四川等地,5個地區的竹林面積約451.4萬公頃,占全國竹林面積的70%。為了保證原料供應,竹纏繞產業將在南方部分有竹省份建立數百個竹材加工基地,向竹纏繞產品生產企業供應竹材500萬噸。

            四、竹纏繞產業具有顯著的減碳固碳與社會經濟效益

            一是顯著經濟效益,竹纏繞復合管使用竹材作為增強層材料,并以樹脂為膠黏劑,每噸竹纏繞復合管可以相應產出1.1萬元的產值,和9000元的輔產品產值。以當前技術最成熟、工業化應用最多的竹纏繞復合管為例,當竹纏繞復合管分別替代焊接鋼管、塑料管、球墨鑄鐵管、預應力鋼筒混凝土管、鋼筋混凝土排水管五種傳統管道75%的產量時,僅投資2280億元,竹纏繞復合管產量將達到3800萬噸,消耗竹材1.1億噸,產值可實現7600億元,形成減碳固碳總量1.54億噸二氧化碳。

            城市排水管網領域現有73.5萬公里排水管,如果全部用竹纏繞復合管進行更新,消耗8900萬噸竹材,可以創造1.78萬億元的竹纏繞復合管的產值。同時竹材培育、竹篾加工、管道生產三個環節,共增收3740億元。

            在農業灌溉領域,如果全部采用竹纏繞復合管,建設2億畝高標準農田所需的120萬公里農業灌溉管道,需求1400萬噸竹纏繞復合管的生產,可以創造2800億元的產值,竹材培育、竹篾加工、管道生產三個環節共可增收600億元。

            二是竹纏繞復合材料的應用有助于減少高耗能產業比重,加速產業結構調整,不僅是實現碳減排與碳中和的重要抓手,還是緩解能源安全問題與環境問題的重要途徑。竹纏繞復合材料的應用可充分發揮基礎材料的作用,有助于促進國民經濟可持續發展,保證新基建的高質量推進,推動制造強國戰略的實施。

            三是減碳固碳,發展竹纏繞產業是實現碳中和的關鍵舉措。在當前化石能源消費占比仍高達85%的情況下,竹纏繞產品替代高耗能產品產生的節能效益可形成顯著的減碳效益。除以上分析之外,竹林的固碳能力遠超普通林木,是杉木的1.46倍,熱帶雨林的1.33倍。每年可實現減碳1.97億噸、固碳1.05億噸,減碳固碳總量達到3.02億噸,約占2019年中國碳排放總量的3.1%,對實現碳達峰碳中和具有重要推動作用。

            五、竹纏繞產業的展望

            (一)社會影響力不斷提高 

            早在2014年,竹纏繞復合壓力管就已通過國家林業和草原局的科技成果鑒定,該成果達到國際領先水平。2015年以來,竹纏繞復合材料技術陸續被列入水利部、國家發展和改革委員會、國家林業和草原局、住房和城鄉建設部、科學技術部、工業和信息化部等部委發布的相關技術目錄中,并被評為全國建設行業科技成果推廣項目、綠色建筑節能推薦產品、工程建設推薦產品;來自政府部門與社會各界的廣泛肯定,強化了竹纏繞復合材料技術的品牌效應,對技術推廣起到了重要的推動作用。

            (二)壯大自主創新力量,推動制造強國戰略的實施 

            竹纏繞復合材料是中國制造的首創新材料,完全自主創新,是真正的中國制造。截至2020年,累計專利250余項,其中發明專利45項,國際專利14項。形成1項國家標準、2項行業標準、1項團體標準,質量控制體系初步建立。分別成立了國家林業和草原局竹纏繞復合材料工程技術研究中心與國家林業和草原局推進竹纏繞產業發展領導小組,機構建設不斷完善。壯大了中國自主創新力量,將成為中國實施制造強國戰略、實現制造強國目標的重要推動力量。

            (三)發揮基礎材料的作用,促進國民經濟可持續發展 

            新材料研發與應用。作為一種新型生物基材料,竹纏繞復合材料以天然竹材為基材,具有原料可再生、能源消耗低、環境污染少、碳排放少等特點,充分發揮了生物基材料的優勢,避免了鋼鐵、水泥、塑料等傳統材料帶來的高能耗、高排放問題,在城市給排水、農田水利、城市管廊、鄉村振興等領域具有廣闊的應用前景。

            目前,中國仍有1.1億噸閑置竹資源,若將其全部生產化,生產竹纏繞復合管等產品,竹纏繞復合管年產量增加31.8萬千米,實現年產值為7600億元,可形成4600萬噸標準煤的節能能力,減排二氧化碳1.18億噸,可形成固碳量3600萬噸,減碳固碳總量1.54億噸。因此,新型竹纏繞復合材料應用前景遠大,可期待大力發展。

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