利用地区性采购的天然纤维进行无芯纤维缠绕，用于可持续建筑

《Cleaner and Circular Bioeconomy》：Leveraging Regionally Sourced Natural Fibers for Coreless Filament Winding in Sustainable Construction

可持续建筑材料中的区域天然纤维替代品研究：以巴登-符腾堡州为例，评估大麻、芒草、薰衣草、荨麻和小麦秸秆作为亚麻基复合材料芯less缠绕法的替代纤维。采用多维度评估框架（经济、环境、社会、技术），发现大麻在纤维产量、环境效益和机械性能方面最优，可作为区域性替代材料。荨麻和薰衣草因生态服务潜力值得关注，而小麦秸秆和芒草因纤维长度不足需进一步加工技术探索。

　　
### 对可持续天然纤维在芯less无核心缠丝（CFW）复合材料中应用的系统性评估——以德国巴登-符腾堡州为例

#### 研究背景与意义
随着全球建筑行业加速向低碳转型，天然纤维复合材料因其可生物降解性和环境友好性备受关注。传统天然纤维材料如亚麻（flax）在芯less缠丝工艺中表现优异，但其供应链的脆弱性和价格波动性限制了规模化应用。本研究聚焦德国巴登-符腾堡州（Baden-Württemberg, BW）的气候与土壤条件，评估了当地可种植的5种天然纤维作物（大麻、芒草、薰衣草、圣草、小麦秸秆）作为替代材料的潜力，构建了涵盖经济、环境、社会和技术维度的综合评估框架。

#### 关键评估指标体系
研究采用四维评估模型（图1），每个维度下设具体指标：
1. **经济可持续性**
- 纤维产量（吨/公顷）：反映单位土地的纤维产出效率
- 供应能力（吨/年）：结合区域种植面积计算总供应量
- 价格波动性：分析生物质原料与纤维成品的市场价格稳定性

2. **环境可持续性**
- 输入强度：综合化肥、农药、水、能源消耗
- 生态系统服务：包括土壤改良、重金属修复、生物多样性维护等
- 碳足迹：通过种植阶段和纤维加工阶段的综合测算

3. **社会影响**
- 食物安全竞争：评估与粮食作物（如小麦）的用地冲突
- 农业适应性：分析作物对区域边际土地的利用能力

4. **技术适用性**
- 物理特性：纤维长度（50-300mm）、直径（5-295μm）、密度（0.87-1.53g/cm3）
- 机械性能：拉伸强度（270-913MPa）、弹性模量（5-110GPa）
- 加工兼容性：纤维形态对传统纺纱工艺的适配性

#### 主要研究结果
1. **经济维度**
- 大麻单位面积纤维产量达3.5吨/公顷（亚麻为1.1吨/公顷），供应能力达1511吨/年
- 小麦秸秆因系主粮副产物，供应量达67,333吨/年（但纤维价格低至0.03欧元/千克）
- 薰衣草纤维价格数据缺失，但生物质成本低于亚麻（需0.5欧元/千克）

2. **环境效益对比**
| 作物 | 肥料需求 | 水耗（吨/吨纤维） | 土壤改良指数 | 碳汇能力（kgCO2eq/吨纤维） |
|--------|----------|-------------------|--------------|---------------------------|
| 亚麻 | 2.3kg | 340m3 | 0.82 | 85 |
| 大麻 | 1.8kg | 260m3 | 0.95 | 112 |
| 圣草 | 2.1kg | 380m3 | 0.68 | 63 |
| 芒草 | 2.4kg | 320m3 | 0.91 | 78 |
| 小麦秸秆| 1.2kg | 180m3 | 0.54 | 42 |

*注：数据基于 BW 区域平均值，单位已标准化处理*

3. **社会影响分析**
- 大麻与芒草可利用边际土地（pH5-8，年降水600-1000mm区域）
- 圣草需占用优质耕地，与粮食生产存在15-20%用地竞争
- 小麦秸秆因系副产物，社会接受度最高（冲突系数仅0.3）

4. **技术性能排序**
**纤维长度（mm）**：薰衣草（300）>圣草（58）>亚麻（80）>大麻（55）>芒草（1.2）
**拉伸强度（MPa）**：圣草（1594）>芒草（650）>亚麻（345-2000）>大麻（270-1100）>小麦秸秆（43）
**加工适配性**：薰衣草纤维因直径过大（295μm）需特殊处理，亚麻与芒草可直接用于传统纺纱设备

#### 替代方案技术路径
针对纤维长度不足的芒草和小麦秸秆，研究提出三种创新应用：
1. **纤维团簇技术**：将1-3mm短纤维与亚麻纤维混合，形成15-20dtex的复合纱线（成功率达82%）
2. **热塑性层压法**：将小麦秸秆碎片（5mm长度）与树脂复合，通过120℃热压成型（抗压强度达35MPa）
3. **生物酶解技术**：针对芒草纤维，采用纤维素酶预处理可将纤维长度延长至12mm（酶解成本0.8欧元/吨）

#### 关键发现与建议
1. **最优替代材料**
大麻在四维评估中综合得分最高（经济1.2/技术1.1/环境0.9/社会1.0，满分1.5），其纤维特性（长度55mm，直径10-51μm）与亚麻最为接近，且具备：
- 40%更高的单位面积纤维产出
- 30%更低的环境输入强度
- 15%更优的机械性能（具体数据见表格4）

2. **实施障碍分析**
- 薰衣草纤维：需开发新型纺纱工艺（当前成本高于亚麻40%）
- 圣草纤维：需建立专门收割设备（现有设备适配度仅60%）
- 芒草纤维：加工损耗率高达35%（比亚麻高20%）

3. **区域发展策略**
- 短期（1-3年）：重点扶持大麻种植（当前BW种植面积仅432公顷，年供应量1511吨）
- 中期（3-5年）：建设纤维预处理中心（处理小麦秸秆等短纤维）
- 长期（5年以上）：研发酶解技术（可将芒草纤维成本降低至0.6欧元/千克）

#### 创新价值与行业启示
本研究突破传统材料评估框架，首次将：
- **气候适应性指数**（考虑极端天气频率）
- **加工经济性模型**（基于现有设备改造成本）
- **全生命周期生态账本**（涵盖种植到废弃回收）

集成到纤维替代方案评估中。特别发现：
1. 大麻纤维在特定处理条件下（含水率18%±2%，温度105℃）可达到亚麻的90%拉伸强度
2. 圣草纤维在混纺比例达30%时可提升复合材料弹性模量15%
3. 开发小麦秸秆复合纤维可使单位重量材料成本降低至亚麻的60%

#### 未来研究方向
1. **工艺优化**：建立短纤维（<5mm）的高效缠丝参数模型
2. **供应链建设**：开发BW地区大麻纤维物流网络（当前运输半径超过500公里）
3. **政策支持**：建议设立纤维农业专项补贴（参考荷兰模式，补贴率可达40%）

该研究为欧洲西北部地区建筑复合材料转型提供了可行性路径，其评估框架可扩展至其他气候区（如北纬40-50°带）。通过建立"纤维-工艺-市场"协同发展模型，研究证实区域化天然纤维应用可使建筑碳足迹降低18-25%，同时创造每公顷种植地1.2万欧元的经济价值（基于2025年市场预测）。