Con il continuo miglioramento della consapevolezza globale della protezione ambientale e la domanda sempre più urgente di sviluppo sostenibile, i materiali tradizionali devono affrontare molte sfide e i materiali ecocompatibili del grano sono emersi come materiali emergenti a base biologica. Questo articolo approfondisce le caratteristiche, la ricerca, lo sviluppo e lo stato di produzione dei materiali ecocompatibili del grano, analizza in modo approfondito le sue prospettive applicative negli imballaggi, nel tessile, nell'edilizia, nell'agricoltura e in altri campi ed esplora le opportunità e le sfide affrontate, in attesa delle tendenze di sviluppo future , con l'obiettivo di fornire un riferimento completo per i professionisti del settore, i ricercatori e i responsabili politici, e di contribuire a promuovere l'applicazione diffusa e il miglioramento industriale di materiali ecologici a base di grano.
1. Introduzione
Nell'era odierna, le questioni ambientali sono diventate uno dei fattori chiave che limitano lo sviluppo della società umana. I materiali tradizionali come la plastica e le fibre chimiche hanno causato una serie di gravi problemi come la carenza di risorse, l’elevato consumo di energia e l’inquinamento bianco durante la produzione, l’uso e il trattamento dei rifiuti. In questo contesto, è urgente trovare materiali alternativi rinnovabili, degradabili e rispettosi dell’ambiente. Essendo un'importante coltura alimentare ampiamente coltivata nel mondo, è stato scoperto che i sottoprodotti del grano nel processo di lavorazione, come la paglia di frumento e la crusca di frumento, hanno un enorme potenziale di sviluppo materiale. I materiali ecocompatibili del grano trasformati da tecnologie innovative stanno gradualmente emergendo e si prevede che rimodelleranno molteplici modelli industriali.
2. Panoramica dimateriali ecocompatibili del grano
Fonti e ingredienti delle materie prime
I materiali ecocompatibili del grano derivano principalmente dapaglia di granoe crusca. La paglia di grano è ricca di cellulosa, emicellulosa e lignina e questi polimeri naturali forniscono il supporto strutturale di base del materiale. La cellulosa ha le caratteristiche di elevata resistenza ed elevata cristallinità, che conferiscono tenacità al materiale; l'emicellulosa è relativamente facile da degradare e può migliorare le prestazioni di lavorazione; la lignina migliora la rigidità e la resistenza all'acqua del materiale. La crusca di frumento è ricca di fibre alimentari, proteine ​​e una piccola quantità di grassi, minerali, ecc., che possono integrare la carenza di componenti della paglia e ottimizzare le prestazioni del materiale, come migliorare la flessibilità e le proprietà superficiali, rendendolo più adatto a tecnologie di lavorazione diversificate .
Processo di preparazione
Attualmente, il processo di preparazione dei materiali ecologici del grano copre metodi fisici, chimici e biologici. I metodi fisici come la frantumazione meccanica e la pressatura a caldo, che frantumano la paglia e poi la modellano ad alta temperatura e alta pressione, sono semplici da utilizzare e poco costosi. Spesso vengono utilizzati per la preparazione di prodotti primari come stoviglie e piatti monouso; i metodi chimici includono reazioni di esterificazione ed eterificazione, che utilizzano reagenti chimici per modificare la struttura molecolare delle materie prime per migliorare l'adesione e la resistenza all'acqua dei materiali per soddisfare requisiti più elevati per l'imballaggio e le applicazioni tessili, ma esiste il rischio di residui di reagenti chimici; i metodi biologici utilizzano microrganismi o enzimi per degradare e trasformare le materie prime. Il processo è ecologico e delicato ed è possibile preparare materiali pregiati ad alto valore aggiunto. Tuttavia, il lungo ciclo di fermentazione e l’alto costo dei preparati enzimatici limitano le applicazioni su larga scala e la maggior parte di essi è in fase di ricerca e sviluppo in laboratorio.
3. Vantaggi dei materiali ecocompatibili del grano
Rispetto dell'ambiente
Dal punto di vista della valutazione del ciclo di vita, i materiali ecocompatibili del grano hanno mostrato i loro vantaggi. Il suo processo di crescita della materia prima assorbe anidride carbonica e rilascia ossigeno, che aiuta ad alleviare l'effetto serra; il processo produttivo è a basso consumo energetico, il che riduce notevolmente la dipendenza dall’energia fossile rispetto alla sintesi plastica basata sul petrolio; il trattamento dei rifiuti dopo l'uso è semplice e può essere biodegradato rapidamente nell'ambiente naturale, generalmente decomponendosi in acqua innocua, anidride carbonica e humus in pochi mesi o pochi anni, risolvendo efficacemente problemi ambientali come l'inquinamento del suolo e il blocco dell'acqua causato dalla “non corrosione centenaria” delle plastiche tradizionali.
Rinnovabilità delle risorse
Come raccolto annuale, il grano è ampiamente coltivato e produce ogni anno un'enorme produzione globale, che può fornire in modo continuo e stabile materie prime sufficienti per la preparazione del materiale. A differenza delle risorse non rinnovabili come il petrolio e il carbone, purché la produzione agricola sia ragionevolmente pianificata, le materie prime del grano sono quasi inesauribili, il che garantisce la catena di approvvigionamento a lungo termine dell’industria dei materiali, riduce i rischi industriali causati dall’esaurimento delle risorse e è conforme al concetto di economia circolare.
Prestazioni uniche
I materiali ecologici del grano hanno buone proprietà di isolamento termico e acustico, che derivano dalla sua struttura interna in fibra porosa. L'aria lo riempie formando una barriera naturale, che presenta notevoli vantaggi nel campo dei pannelli isolanti per l'edilizia; allo stesso tempo, il materiale ha una struttura leggera e una bassa densità relativa, che riduce il peso del prodotto e ne facilita il trasporto e l'utilizzo. Ad esempio, nel campo degli imballaggi aerospaziali, riduce i costi garantendo prestazioni protettive; inoltre, ha anche alcune proprietà antibatteriche. Gli ingredienti naturali della paglia di frumento e della crusca di frumento hanno un effetto inibitorio sulla crescita di alcuni microrganismi, prolungando la durata di conservazione del prodotto e hanno ampie prospettive nelle applicazioni di imballaggio alimentare.
4. Campi di applicazione dei materiali ecocompatibili del grano
Industria dell'imballaggio
Nel campo degli imballaggi, i materiali ecologici del grano stanno gradualmente sostituendo i tradizionali imballaggi in plastica. In termini di stoviglie usa e getta, piatti, contenitori per il pranzo, cannucce, ecc. realizzati in paglia di grano hanno un aspetto simile alla plastica, ma sono atossici e insapori e non rilasciano sostanze chimiche nocive quando riscaldati, soddisfacendo le esigenze di consegna del cibo. Alcune grandi catene di ristorazione hanno iniziato a provare a promuoverli; nell'imballaggio espresso, i materiali di imbottitura, le buste e i cartoni realizzati con esso vengono utilizzati per riempire il rivestimento, che ha buone prestazioni di ammortizzazione, protegge la merce ed è allo stesso tempo degradabile, riducendo l'accumulo di rifiuti espressi. Le piattaforme di e-commerce e le società di corriere espresso lo hanno sperimentato e si prevede che rimodellerà il sistema di imballaggio logistico verde.
Industria tessile
La fibra di cellulosa viene estratta dalla paglia e dalla crusca di frumento e trasformata in un nuovo tipo di tessuto attraverso uno speciale processo di filatura. Questo tipo di tessuto è morbido e delicato sulla pelle, traspirante e assorbe l'umidità meglio rispetto al puro cotone. È asciutto e comodo da indossare e ha il suo colore e la sua consistenza naturali. Ha un valore estetico unico ed è emerso nei campi della moda di fascia alta e dell'arredamento per la casa. Alcuni marchi di moda hanno lanciato capi di abbigliamento in fibra di grano in edizione limitata, che hanno attirato l’attenzione del mercato e dato vitalità allo sviluppo della moda sostenibile.
Industria delle costruzioni
Come materiale isolante per l'edilizia, i pannelli ecologici di grano sono facili da installare e l'effetto isolante è paragonabile a quello dei tradizionali pannelli in polistirene, ma senza i rischi di infiammabilità e rilascio di gas tossici di questi ultimi, migliorando la sicurezza antincendio degli edifici; allo stesso tempo, vengono utilizzati per la decorazione di interni, come pannelli decorativi per pareti e soffitti, per creare un'atmosfera naturale e calda e possono anche regolare l'umidità interna, assorbire gli odori e creare un ambiente di vita sano. Alcuni progetti dimostrativi di edilizia ecologica li hanno adottati in grandi quantità, guidando la tendenza dei materiali da costruzione ecologici.
Campo agricolo
Nella produzione agricola, i vasi per piantine e il pacciame realizzati con materiali ecocompatibili del grano svolgono un ruolo importante. I vasi delle piantine possono essere degradati naturalmente e non è necessario rimuovere i vasi durante il trapianto delle piantine, evitando danni alle radici e migliorando il tasso di sopravvivenza del trapianto; il pacciame degradabile copre i terreni agricoli, trattiene l'umidità e aumenta la temperatura per favorire la crescita del raccolto e si decompone al termine della stagione di crescita, senza influenzare la successiva coltivazione del raccolto, risolvendo il problema dei tradizionali residui di pacciame plastico che inquinano il suolo e ostacolano le operazioni agricole e promuovono la sostenibilità sviluppo agricolo.
V. Sfide affrontate dallo sviluppo di materiali rispettosi dell'ambiente per il grano
Colli di bottiglia tecnici
Nonostante i progressi nella ricerca e nello sviluppo, esistono ancora difficoltà tecniche. Innanzitutto, l'ottimizzazione delle prestazioni dei materiali. In termini di miglioramento della robustezza e della resistenza all’acqua per soddisfare scenari di utilizzo complessi, le tecnologie esistenti non riescono a bilanciare costi e prestazioni, il che limita l’espansione delle applicazioni di fascia alta. In secondo luogo, il processo di produzione è instabile e la fluttuazione degli ingredienti delle materie prime in diversi lotti porta a una qualità del prodotto non uniforme, rendendo difficile il raggiungimento di una produzione standardizzata su larga scala, incidendo sulla fiducia negli investimenti aziendali e sulla promozione del mercato.
Fattori di costo
Allo stato attuale, il costo dei materiali ecocompatibili del grano è superiore a quello dei materiali tradizionali. Nella fase di raccolta delle materie prime, la paglia è sparsa, il raggio di raccolta è ampio e lo stoccaggio è difficile, il che aumenta i costi di trasporto e magazzinaggio; nella fase di produzione, le attrezzature avanzate fanno affidamento sulle importazioni, i preparati di enzimi biologici e i reagenti per la modificazione chimica sono costosi e, sebbene il consumo energetico di produzione sia relativamente basso, rappresenta ancora gran parte del costo; nella fase iniziale della promozione del mercato, l'effetto di scala non si è formato e il costo unitario del prodotto non può essere ridotto. Si trova in una posizione di svantaggio nel competere con i materiali tradizionali a basso prezzo, il che impedisce ai consumatori e alle imprese di scegliere.
Consapevolezza e accettazione del mercato
I consumatori sono da tempo abituati a materiali e prodotti tradizionali e hanno una conoscenza limitata dei materiali ecocompatibili del grano. Sono preoccupati per la loro durata e sicurezza e hanno poca disponibilità ad acquistare; dal lato delle imprese, sono limitati dai costi e dai rischi tecnici e sono cauti riguardo alla trasformazione in nuovi materiali. In particolare, le piccole e medie imprese non dispongono di fondi e talenti per la ricerca e lo sviluppo, ed è difficile dare seguito in tempo; Inoltre, la catena industriale a valle non è ben attrezzata e mancano strutture professionali di riciclaggio e trattamento, il che influisce sul riciclaggio dei prodotti di scarto e, a sua volta, inibisce l’espansione del mercato front-end dei materiali.
VI. Strategie di risposta e opportunità di sviluppo
Cooperazione tra industria, università e ricerca per sfondare la tecnologia
Le università, gli istituti di ricerca scientifica e le imprese dovrebbero lavorare in stretta collaborazione. Le università dovrebbero sfruttare appieno i propri vantaggi nella ricerca di base ed esplorare nuovi meccanismi di modificazione dei materiali e percorsi di biotrasformazione; gli istituti di ricerca scientifica dovrebbero concentrarsi sull'ottimizzazione dei processi e realizzare congiuntamente la produzione pilota con le imprese per superare i problemi di stabilità tecnica; le imprese dovrebbero fornire fondi e feedback di mercato per accelerare l’industrializzazione dei risultati della ricerca scientifica, come la creazione di centri congiunti di ricerca e sviluppo, e il governo dovrebbe creare incontri e fornire supporto politico per promuovere l’iterazione e l’aggiornamento tecnologico.
Il sostegno politico riduce i costi
Il governo ha introdotto politiche di sussidio per fornire sussidi al trasporto per la raccolta delle materie prime per ridurre i costi logistici; il lato della produzione prevede esenzioni fiscali per l'acquisto di attrezzature e la ricerca e lo sviluppo di nuove tecnologie per incoraggiare le imprese ad aggiornare la tecnologia; Le imprese a valle che utilizzano materiali ecocompatibili del grano, come le imprese di imballaggio e di costruzione, ricevono sussidi per gli appalti verdi per stimolare la domanda del mercato e, attraverso il supporto dell’intera catena industriale, contribuire a ridurre i costi e ridurre il divario di prezzo con i materiali tradizionali.
Rafforzare la pubblicità e aumentare la consapevolezza
Utilizzare i media, le mostre e le attività scientifiche divulgative per pubblicizzare i vantaggi e i casi di applicazione dei materiali ecocompatibili del grano attraverso più canali, mostrare la sicurezza del prodotto e la certificazione di durabilità ed eliminare le preoccupazioni dei consumatori; fornire formazione tecnica e guida alla trasformazione per le imprese, condividere esperienze di casi di successo e stimolare l'entusiasmo aziendale; stabilire standard di settore e sistemi di identificazione dei prodotti, standardizzare il mercato, facilitare l’identificazione e la fiducia dei consumatori e delle imprese, creare una buona ecologia industriale e cogliere le opportunità di mercato del consumo verde e dello sviluppo sostenibile.
VII. Prospettive future
Con la continua innovazione tecnologica, il miglioramento continuo delle politiche e una maggiore consapevolezza del mercato, si prevede che i materiali ecologici del grano introdurranno uno sviluppo esplosivo. In futuro nasceranno materiali compositi di grano ad alte prestazioni, che integreranno i vantaggi di vari materiali naturali o sintetici e si espanderanno in campi high-tech come quello automobilistico e dell’elettronica; appariranno materiali di grano intelligenti e percepibili, monitoraggio in tempo reale dell'ambiente e della freschezza degli alimenti, potenziando imballaggi intelligenti e case intelligenti; si formeranno cluster industriali e l’intera catena, dalla semina delle materie prime, alla lavorazione dei materiali fino al riciclaggio dei prodotti, si svilupperà in modo coordinato, realizzando un utilizzo efficiente delle risorse e massimizzando i benefici industriali, diventando la forza centrale dell’industria globale dei materiali verdi e ponendo un solide basi materiali per la prosperità sostenibile della società umana.
VIII. Conclusione
I materiali ecologici del grano, con i loro eccezionali vantaggi in termini ambientali, di risorse e di prestazioni, hanno mostrato ampie prospettive in molti campi. Sebbene stiano attualmente affrontando molte sfide come la tecnologia, i costi e il mercato, ci si aspetta che superino le difficoltà grazie agli sforzi concertati di tutte le parti. Cogliere l’opportunità di uno sviluppo vigoroso non solo risolverà la crisi ambientale causata dai materiali tradizionali, ma darà anche vita a industrie verdi emergenti, realizzerà una situazione vantaggiosa per la crescita economica e la protezione ambientale, aprirà una nuova era nel campo della materiali e creare una casa ecologica migliore per le generazioni future.