В связи с постоянным повышением осведомленности в вопросах охраны окружающей среды во всем мире и растущей потребностью в устойчивом развитии традиционные материалы сталкиваются с многочисленными проблемами, и экологически чистые материалы на основе пшеницы стали новым биоматериалом. В данной статье подробно рассматриваются характеристики, исследования, разработки и состояние производства экологически чистых материалов на основе пшеницы, глубоко анализируются перспективы их применения в упаковке, текстильной промышленности, строительстве, сельском хозяйстве и других областях, а также рассматриваются возможности и проблемы, с учетом будущих тенденций развития. Цель статьи – предоставить исчерпывающую справочную информацию для специалистов, исследователей и политиков соответствующих отраслей, а также содействовать широкому применению и промышленной модернизации экологически чистых материалов на основе пшеницы.
1. Введение
В современную эпоху экологические проблемы стали одним из ключевых факторов, сдерживающих развитие человеческого общества. Традиционные материалы, такие как пластик и химические волокна, стали причиной ряда серьёзных проблем, таких как нехватка ресурсов, высокое энергопотребление и загрязнение окружающей среды в процессе производства, использования и переработки отходов. В связи с этим крайне важно найти возобновляемые, разлагаемые и экологически безопасные альтернативные материалы. Пшеница – важная продовольственная культура, широко выращиваемая во всём мире, и побочные продукты её переработки, такие как пшеничная солома и пшеничные отруби, обладают огромным потенциалом для развития материального производства. Постепенно появляются экологически безопасные материалы из пшеницы, полученные с помощью инновационных технологий, которые, как ожидается, изменят облик многих промышленных моделей.
2. Обзорпшеница экологически чистые материалы
Источники и ингредиенты сырья
Экологически чистые материалы из пшеницы в основном получают изпшеничная соломаи отруби. Пшеничная солома богата целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином, и эти природные полимеры обеспечивают основную структурную основу материала. Целлюлоза обладает высокой прочностью и высокой степенью кристалличности, что придает материалу жесткость; гемицеллюлоза относительно легко разлагается и может повышать производительность переработки; лигнин повышает жесткость и водостойкость материала. Пшеничные отруби богаты пищевыми волокнами, белками и небольшим количеством жиров, минералов и т. д., что может восполнить дефицит компонентов соломы и оптимизировать эксплуатационные характеристики материала, такие как повышение гибкости и улучшение свойств поверхности, что делает его более подходящим для различных технологий переработки.
Процесс подготовки
В настоящее время процесс получения экологически чистых материалов из пшеницы включает физические, химические и биологические методы. Физические методы, такие как механическое дробление и горячее прессование, при котором солома измельчается, а затем формуется под воздействием высокой температуры и давления, просты в эксплуатации и недороги. Они часто используются для получения первичной продукции, такой как одноразовая посуда и тарелки; химические методы включают реакции этерификации и этерификации, в которых химические реагенты используются для изменения молекулярной структуры сырья с целью улучшения адгезии и водостойкости материалов для соответствия более высоким требованиям к упаковке и текстильным изделиям, но существует риск образования остатков химических реагентов; биологические методы используют микроорганизмы или ферменты для разложения и преобразования сырья. Этот процесс является экологичным и щадящим, и позволяет получать высококачественные материалы с высокой добавленной стоимостью. Однако длительный цикл ферментации и высокая стоимость ферментных препаратов ограничивают их широкомасштабное применение, и большинство из них находятся на стадии лабораторных исследований и разработок.
3. Преимущества пшеничного экологически чистого сырья
Экологичность
С точки зрения оценки жизненного цикла, экологически чистые материалы на основе пшеницы продемонстрировали свои преимущества. Процесс выращивания этого сырья поглощает углекислый газ и выделяет кислород, что способствует снижению парникового эффекта; производственный процесс отличается низким энергопотреблением, что значительно снижает зависимость от ископаемого топлива по сравнению с синтезом пластика на основе нефти; переработка отходов после использования проста, и материал быстро биоразлагается в естественной среде, обычно разлагаясь на безвредную воду, углекислый газ и гумус за несколько месяцев или лет, эффективно решая такие экологические проблемы, как загрязнение почвы и засорение водоемов, вызванные «столетней некорродируемостью» традиционных пластиков.
Возобновляемость ресурсов
Пшеница, как однолетняя культура, широко культивируется и ежегодно даёт огромный урожай в мире, что позволяет ей непрерывно и стабильно обеспечивать достаточное количество сырья для производства материалов. В отличие от невозобновляемых ресурсов, таких как нефть и уголь, при разумном планировании сельскохозяйственного производства пшеничное сырье практически неисчерпаемо, что обеспечивает долгосрочную цепочку поставок в сфере производства материалов, снижает промышленные риски, связанные с истощением ресурсов, и соответствует концепции циклической экономики.
Уникальная производительность
Экологически чистые материалы из пшеницы обладают хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами, обусловленными внутренней пористой структурой волокон. Воздух заполняет пшеницу, образуя естественный барьер, что имеет значительные преимущества в области строительных теплоизоляционных плит; в то же время материал имеет лёгкую текстуру и низкую относительную плотность, что снижает вес изделия и облегчает транспортировку и использование. Например, в области упаковки для аэрокосмической техники он снижает затраты, обеспечивая при этом защитные свойства; кроме того, он обладает определёнными антибактериальными свойствами. Натуральные ингредиенты пшеничной соломы и пшеничных отрубей оказывают ингибирующее действие на рост некоторых микроорганизмов, продлевая срок годности продукта, и имеет широкие перспективы в области упаковки пищевых продуктов.
4. Области применения пшеничных экологически чистых материалов
Упаковочная промышленность
В сфере упаковки экологически чистые материалы из пшеницы постепенно вытесняют традиционную пластиковую упаковку. Что касается одноразовой посуды, то тарелки, ланч-боксы, трубочки и т. д., изготовленные из пшеничной соломы, внешне похожи на пластик, но нетоксичны и безвкусны, а также не выделяют вредных химических веществ при нагревании, что отвечает потребностям доставки еды. Некоторые крупные сетевые кейтеринговые компании начали продвигать их; в экспресс-упаковке для наполнения подкладки используются прокладочные материалы, конверты и картонные коробки, которые обладают хорошими амортизационными свойствами, защищают товары и одновременно разлагаются, сокращая накопление мусора в экспресс-доставке. Платформы электронной коммерции и курьерские компании уже опробовали этот подход, и ожидается, что он изменит систему экологичной упаковки в логистике.
Текстильная промышленность
Целлюлозное волокно получают из пшеничной соломы и отрубей, а затем перерабатывают в новый тип текстильной ткани посредством специального процесса прядения. Эта ткань мягкая и приятная на ощупь, дышащая и лучше впитывает влагу, чем чистый хлопок. Она сухая и удобная в носке, имеет естественный цвет и текстуру. Она обладает уникальной эстетической ценностью и нашла применение в сфере высокой моды и товаров для дома. Некоторые модные бренды выпустили ограниченные серии одежды из пшеничного волокна, что привлекло внимание рынка и дало импульс развитию устойчивой моды.
Строительная промышленность
Экологичные панели из пшеницы, используемые в качестве строительного изоляционного материала, просты в установке и обладают теплоизоляционным эффектом, сопоставимым с традиционными полистирольными панелями, но лишены свойственной им горючести и выделения токсичных газов, что повышает пожарную безопасность зданий. Кроме того, их используют для внутренней отделки помещений, например, в качестве настенных декоративных панелей и потолков, создавая естественную и теплую атмосферу, а также для регулирования влажности в помещении, поглощения запахов и создания здоровой среды обитания. Некоторые демонстрационные проекты экологичных зданий получили широкое применение, что является локомотивом в развитии экологичных строительных материалов.
Сельскохозяйственное поле
В сельскохозяйственном производстве важную роль играют рассадные горшочки и мульча, изготовленные из экологически чистых материалов для пшеницы. Горшочки для рассады разлагаются естественным образом, и нет необходимости вынимать их при пересадке рассады, что предотвращает повреждение корней и повышает приживаемость рассады. Разлагаемая мульча покрывает сельскохозяйственные угодья, сохраняет влагу и повышает температуру, способствуя росту растений, а также разлагается после окончания вегетационного периода, не влияя на выращивание следующей культуры. Это решает проблему загрязнения почвы остатками традиционной пластиковой мульчи и препятствует сельскохозяйственным работам, способствуя устойчивому развитию сельского хозяйства.
V. Проблемы, возникающие при разработке экологически чистых материалов из пшеницы
Технические узкие места
Несмотря на прогресс в исследованиях и разработках, технические трудности всё ещё существуют. Во-первых, это оптимизация характеристик материалов. Что касается повышения прочности и водостойкости для удовлетворения сложных условий эксплуатации, существующие технологии не могут обеспечить баланс между стоимостью и производительностью, что ограничивает расширение высокотехнологичных приложений. Во-вторых, производственный процесс нестабилен, а колебания состава сырья в разных партиях приводят к неравномерному качеству продукции, что затрудняет достижение стандартизированного крупномасштабного производства, что негативно сказывается на инвестиционной уверенности компаний и продвижении на рынке.
Факторы стоимости
В настоящее время стоимость экологически чистых материалов из пшеницы выше, чем традиционных. На этапе сбора сырья солома разбрасывается, радиус сбора большой, а хранение затруднено, что увеличивает транспортные и складские расходы; на этапе производства современное оборудование импортируется, биологические ферментные препараты и химические реагенты для модификации дороги, и хотя энергопотребление на производство относительно низкое, оно по-прежнему составляет значительную долю себестоимости; на начальном этапе продвижения на рынок эффект масштаба не сформирован, и себестоимость единицы продукции не может быть снижена. Они находятся в невыгодном положении в конкуренции с дешевыми традиционными материалами, что затрудняет выбор потребителей и предприятий.
Осведомленность и принятие рынком
Потребители давно привыкли к традиционным материалам и продуктам и мало знают об экологически чистых материалах из пшеницы. Они обеспокоены их долговечностью и безопасностью и не готовы покупать их; что касается предприятий, то они ограничены стоимостью и техническими рисками и с осторожностью относятся к переходу на новые материалы. В частности, малым и средним предприятиям не хватает финансирования и специалистов для НИОКР, что затрудняет своевременное выполнение задач; кроме того, нижестоящие производственные цепочки плохо оснащены, а также отсутствуют профессиональные предприятия по переработке и очистке, что сказывается на переработке отходов и, в свою очередь, сдерживает расширение рынка материалов для первичной переработки.
VI. Стратегии реагирования и возможности развития
Сотрудничество между промышленностью, университетами и научными исследованиями для достижения технологического прорыва
Университеты, научно-исследовательские институты и предприятия должны тесно сотрудничать. Университеты должны в полной мере использовать свои преимущества в фундаментальных исследованиях и изучать новые механизмы модификации материалов и пути биотрансформации; научно-исследовательские институты должны сосредоточиться на оптимизации процессов и совместно с предприятиями проводить опытное производство для решения проблем технической стабильности; предприятия должны предоставлять финансирование и обратную связь с рынком для ускорения индустриализации результатов научных исследований, например, путем создания совместных научно-исследовательских центров, а правительство должно находить партнеров и оказывать политическую поддержку для содействия технологическому развитию и модернизации.
Поддержка политики снижает затраты
Правительство ввело политику субсидирования, предусматривающую субсидирование транспортных расходов на сбор сырья с целью снижения логистических расходов; производственная сторона предоставляет налоговые льготы на закупку оборудования, а также на научные исследования и разработки в области новых технологий, чтобы стимулировать предприятия к обновлению технологий; предприятиям нижнего звена, использующим экологически чистые материалы из пшеницы, например, упаковочным и строительным компаниям, предоставляются субсидии на экологически чистые закупки для стимулирования рыночного спроса, а также за счет поддержки всей производственной цепочки помогают снизить издержки и сократить разрыв в ценах по сравнению с традиционными материалами.
Усилить рекламу и повысить осведомленность
Использовать средства массовой информации, выставки и научно-популярные мероприятия для популяризации преимуществ и примеров применения экологически чистых материалов из пшеницы по различным каналам, демонстрировать сертификаты безопасности и долговечности продукции и устранять опасения потребителей; предоставлять предприятиям техническое обучение и руководство по трансформации, делиться успешным опытом и стимулировать корпоративный энтузиазм; устанавливать отраслевые стандарты и системы идентификации продукции, стандартизировать рынок, упрощать для потребителей и предприятий процесс идентификации и доверия, создавать благоприятную промышленную экологию и использовать рыночные возможности зеленого потребления и устойчивого развития.
VII. Перспективы на будущее
Благодаря постоянным технологическим инновациям, постоянному совершенствованию политики и повышению осведомленности рынка, ожидается бурное развитие экологически чистых материалов из пшеницы. В будущем появятся высокоэффективные композитные материалы из пшеницы, объединяющие преимущества различных природных и синтетических материалов, которые найдут применение в таких высокотехнологичных областях, как автомобилестроение и электроника; появятся интеллектуальные, осязаемые материалы из пшеницы, мониторинг окружающей среды и свежести продуктов питания в режиме реального времени, что позволит создавать умную упаковку и умные дома; будут сформированы промышленные кластеры, и вся цепочка от выращивания сырья и его переработки до переработки готовой продукции будет развиваться скоординированно, обеспечивая эффективное использование ресурсов и максимизируя промышленные преимущества, становясь ядром мировой индустрии экологичных материалов и закладывая прочную материальную основу для устойчивого процветания человеческого общества.
VIII. Заключение
Экологически чистые материалы из пшеницы, обладающие выдающимися экологическими, ресурсными и эксплуатационными преимуществами, продемонстрировали широкие перспективы во многих областях. Хотя в настоящее время они сталкиваются с многочисленными проблемами, связанными с технологиями, стоимостью и рынком, ожидается, что они преодолеют эти трудности благодаря совместным усилиям всех сторон. Использование возможностей для активного развития не только позволит разрешить экологический кризис, вызванный традиционными материалами, но и даст толчок развитию новых экологичных отраслей, обеспечит взаимовыгодную ситуацию экономического роста и охраны окружающей среды, откроет новую эру в сфере материалов и создаст более экологичный дом для будущих поколений.