瞿卫国：秸秆综合利用 +“新五料化

 农业部老科协能源环境委员会主任、IGEA现代农业委员会专家组组长、研究员、中国秸秆产业与金融联盟理事长、中国秸秆产业工程技术研究院常务院长瞿卫国教授在1月24日中国秸秆产业发展座谈会上提出秸秆综合利用+“新五料化”观点：

 

1，新型科技能源材料石墨烯

2，新型3D打印材料

3，新型健康食品材料

4，新型医药化工材料

5，新型可降解材料

 

新型科技能源材料石墨烯

 

秸秆玉米芯其实都是神奇的物种，脱下包装顿时华丽的转型，立马变成石墨烯和玉米纤维。新材料之王”石墨烯”可以从玉米芯中提取出来的。这种材料是世界上公认的最神秘的材料，它能比钢材还硬两百倍，比导电最好的银还要好，它的厚度是一根头发的十万分之一。在近年来，“手机充电只需几秒钟”“史上最薄电灯泡”这些都是关于石墨烯的无所不能的非凡体现。然而这个神秘的材料，可以从最普通不过的秸秆和玉米芯中提取的，这是让我们很难想象得到的。对于玉米芯还有新的产品，将它碾成粉末可以生产木质素、生产纤维素、生产半纤维素，还有生产有机肥，那些废物都可以生产成有机肥。这种生产出来的全球热点新材料生物质石墨烯和玉米芯纤维，已经成功的在商业化上得到了应用。

 

还有将秸秆玉米芯进行深加工，变成精饲料，比简单的农村直接喂养牲口更加有营养。还可以将秸秆玉米芯进行加工变成燃料，成为发电的新能源。还有的就是以秸秆玉米芯为原料制备印花糊料，生物菌绿化基材、保水剂等一系列的高附加值的产品，这一成果也得到了当地的科技部门的认可。

 

据数据显示，5吨玉米芯可以生产一吨石墨烯，价值200万元。半纤维素可以生产木糖和阿拉比糖，价值13万。木质素可以生产可降解塑料袋，价值3.5万，剩余的废渣可以生产有机肥，价值3千元，这几项产生的价值共计217.5万元，折合每吨14.47万元。如果按照玉米芯每吨400元计算，也就是，一吨玉米芯进行一加工，身价立马转变了361倍。在收购站，根据玉米芯的质量，按照每吨350到380元不等的价格收购，也就是收购方收购成本只需要13元，卖出去得到50元，这样一来就可以挣到30多元。从整个环节来看，把一文不值的秸秆和玉米芯在农民、收购方、制造商之间都得到了价值。

 

瞿卫国认为，秸秆是一种天然纤维素生物质，被认为是地球上最有价值、最丰富的可再生资源。在中国，天然纤维素生物质的年产率超过7亿吨，其中玉米秸秆占有30 %。

由于玉米秸秆中碳含量比较丰富，因此将其转化为具有特殊结构的碳材料用于需要的领域非常重要。为了解决环境污染以及资源匮乏的问题，利用玉米秸秆为原料发展简单高效的方法合成多孔类石墨烯材料是非常重要的。玉米秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素含有丰富的极性基团，能够和各种金属离子配位。基于以上分析，以玉米秸秆为原料，基于铁的渗碳效应可以发展为一种制备多孔类石墨烯材料的方法。

秸秆和玉米芯变废为宝，能够有效的利用资源，也是体现了国家《十三五发展规划》和2016年《政府工作报告》的主要内容，要努力建设生态文明的美好家园、整治农业面源污染，建设美丽乡村。也能够体现，2015年7月30日的国务院办公厅发布了《关于加快转变农业发展方式的意见》，在关于“提高资源利用效率，打好农业面源污染治理攻坚战”方面明确指出，要推进农业废弃物资源化利用。作为粮食生产大国，我国每年产生的秸秆有9亿吨，总量差不多占全球的三分一。将秸秆和玉米芯进行新科技的发展，生产出来的新能源，制造出更大的价值。在未来的新科技能源开发，会将更多我们生活不起眼的物品，挖掘它不为人知的秘密，发挥更大的能源价值。

 

 

秸秆变3D打印材料

 

     传统的3D打印材料主要以PS塑料和尼龙为主，应用在工业熔模铸造上，有易变形且价格昂贵的缺点。日前，已经研发出了一种利用稻壳、秸秆等农林废弃物制成的新型复合材料，通过激光3D打印技术可制作出强度高、精度准的3D模型。

　　传统的机器设备生产企业在研发试制新部件时，都是先通过手工制作设备模型进行试验，但这种手工制作的模型在精确度和抗磨损程度上都不高。目前，很多大型工业制造企业在制作机械部件模型时，都已尝试3D打印技术。但在研究激光3D打印过程中，目前主要应用于3D打印的PS塑料及尼龙，在用于工业的熔模铸造领域时，不是易变形就是造价昂贵。经过研发试验，现在已经研究出利用木粉、竹粉、玉米棒粉及稻壳秸秆粉与塑料按比例混合的一种新型3D打印复合材料。这种复合材料利用的主要是农林废弃物，造价低，经过调整添加比例，还可调节材料最终达到的强度，在激光烧结过程中性能稳定、易成型，成型件尺寸精度高，其力学强度可与木材、聚合物、陶瓷等材料相媲美。

     自3D打印兴起后，很长时间以来该打印技术一直停留在金属基材料、高分子材料及无机非金属材料等材质上，这些材料根据材质不同有其不同的应用范围，有优点也有其无法克服的缺陷。以高分子材料来说，打印后不但误差大易变形，成本也很高，一公斤材料要花120元钱。能不能研究出一种材料，物美价廉且不易变形呢？

     经过反复实验终于找到用秸秆、玉米芯、稻壳、木粉等废弃物做3D打印材料的秘方，第四类3D激光打印材料———生物质纤维复合材料就此诞生。将秸秆粉碎、经过精细化处理后，对其进行表面的分子改进和功能变性的处理。添加一定的化学材料，通过设施的转化，使得材料由亲水性变成憎水性、流变性能和热稳定性能也得到改进。将这一材料经过造粒处理后，再通过机械，最终形成了一卷卷天然的3D打印材料。

     新型3D激光打印材料根据主要材料的不同可分为木塑、竹塑、稻壳塑、秸秆塑及石塑5种类型。原材料为工业或农林业剩余物，低碳环保，成本低廉，1公斤秸秆复合材料成本只有20元。这种新型3D激光打印材料性能稳定易成型，成型件尺寸精度高，木塑制品摸起来还有木头的质感，经过后期处理，它还会像木头陶瓷等一样坚硬。

 

目前市面上常见的3D塑料打印材料，主要包括ABS和PLA两种。

     秸秆3D打印材料，对比这两种材料有什么优势呢？从使用质量上来说，三种3D打印塑料材料都差不多。但是秸秆3D打印材料，带有一种天然的草木色纹理并且带有秸秆的清香，因此更有木质感。未来根据客户的需要，还可以在材料内添加颜料，秸秆3D打印材料也可以有多种颜色。

秸秆3D打印材料，在成本上的优势也明显得多。

传统的ABS材料原成本的价格每吨大约在1.5万元；

PLA作为一种天然绿色环保的3D打印材料，主要采用玉米秸秆等为主要原料，每吨的成本可达到2万元以上。

秸秆3D打印的原材料小麦和水稻秸秆价格低，加上工艺成熟，每吨的原成本大约只需要1万元，再经过拉丝，生产成3D打印材料后，也只是PLA加工后的一半。

 

玉米秸秆新型医药化工材料

 

       纤维素是自然界中最丰富且可生物降解的天然高分子材料。通过酸水解、酶处理或机械法降解掉其无定型部分，保留结晶部分可得到微晶纤维素。微晶纤维素具有许多优良性能，如高强度、高结晶度和较大的比表面积等。利用微晶纤维素增强复合材料的性能已成为目前研究的热点之一。壳聚糖（CS）是从虾壳、蟹壳和蚕蛹皮等提取的天然高分子聚合物，在自然界中的含量仅次于纤维素，具有良好的生物活性、生物相容性、生物可降解性以及抗菌、防腐、止血和促进伤口愈合等特殊功能，广泛地应用于食品、医药、水处理、功能材料等领域。但壳聚糖机械强度低、耐水和耐热性能差，在一定程度上限制了其应用。

 

    中国是玉米种植大国，玉米秸秆年产量可达2.2亿t之多，这一巨大的资源大部分被焚烧、或弃之于地，造成巨大的资源浪费。如果能从玉米秸秆中提取出天然纤维素，制备成微晶，如果能作为增强剂，增强壳聚糖材料的力学性能和耐热性能，将产生巨大的经济效益和生态效益。为此，本研究从玉米秸秆中提取出纤维素，制备成微晶，作为增强材料，制备出了玉米秸秆微晶纤维素∕壳聚糖复合膜材料，同时对微晶纤维素增强复合膜的力学性能和热稳定性能进行了检测分析。

1实验部分

1.1原料

    玉米秸秆纤维素，自制；壳聚糖（脱乙酰度≥90.0％），北京索莱宝科技有限公司；浓硫酸等试剂均为分析纯。

1.2玉米秸秆纤维素晶体的制备

    将自制的纤维素加入到适量的体积分数60%的浓硫酸中，在55℃摇床中处理4h，离心，洗涤至中性，所得悬浮液放入烘箱40℃干燥至恒重，用球磨机粉碎得到晶体粉末，过孔径为74 μm筛。

1.3复合膜的制备

    取适量纤维素微晶纤维素，加入1% CS 浓度的醋酸溶液（醋酸质量分数1%），使玉米秸秆微晶纤维素的质量分数分别为0、5％、10％、15％，50℃下搅拌1.5h，超声波振荡处理0.5h。将脱泡后的混合液流延到聚四氟乙烯板上，置于50℃干燥箱中成膜，分别标记为CS、CS-5、CS-10、CS-15，复合膜组成见表1。

1.4复合膜性能检测

    采用捷克Tescan SRO公司TESCAN VEGAⅡ型扫描电镜对BCMC形态和复合材料的断面微观形貌进行观察。

    采用北京普析通用仪器有限公司X射线衍射仪（XD-3）对膜材料进行测试，条件为Cu 靶，管压36kV，管流20 mA，扫描速度16°/min，采样宽度0.01°，扫描起始角度= 10°，终止角= 90°。

   

 采用美国Perkin Elmer公司热重分析仪（Pyris1TGA）测试膜材料的热稳定性，测试条件为N2气氛围，温度范围20~600℃。

    采用深圳新三思计量技术有限公司的电子CMT4304型万能试验机，按照国家标准GB/T228-2002测量膜的拉伸强度（σt/MPa）、断裂伸长率（ε/%），拉伸速率为10 mm/min。

2结果与分析

2.1玉米秸秆微晶纤维素形貌分析

    玉米秸秆纤维素经硫酸水解，干燥，球磨机粉碎，制得晶体粉末，对玉米秸秆纤维素晶体进行扫描电镜观察，结果如图1，可见玉米秸秆纤维素晶体主要呈微米级球形颗粒，具有良好的分散性。

 

2. 2玉米秸秆微晶纤维素/壳聚糖复合膜结构

2.2.1SEM分析

    为确定玉米秸秆微晶纤维素在壳聚糖膜中的分散性，以CS-10复合膜为例，其扫描电镜断面形貌观察如图2所示。可见，复合膜的断面形貌较光滑，玉米秸秆微晶纤维素较均匀地分散于壳聚糖膜中，二者结合良好，没有发生明显的团聚现象。这可能是由于微晶纤维素尺寸小，表面存在较多的羟基，具有较高的活性，易于与壳聚糖形成氢键，使得微晶纤维素能均匀的分散于壳聚糖膜中。