茶废弃物可持续材料开发及家具设计应用_高品.pdf

50基金项目:汕头大学科研启动经费项目(09422014)作者简介:高品(1989-),男,博士,讲师,研究方向:产品设计,E-mail:引文格式:高 品.茶废弃物可持续材料开发及家具设计应用J.家具与室内装饰,2023,30(02):50-55.GAO Pin.Sustainable Material Development and Furniture Design and Application of Tea WasteJ.Furniture&Interior Design,2023,30(02):50-55.在世界茶产量持续增长、机械化大规模采茶技术逐渐普及大背景下,如何处理生产加工过程中产生的茶废弃物逐渐成为不可忽视的问题。茶废弃物种类多样成分复杂,可利用范围广。虽然日常生活中对其偶有利用,但科学领域尚未有系统研究出现。此外,茶废弃物区别于其他材料,其与茶密切关联所带来的附加价值同样值得研究。1 研究背景1.1 茶废弃物现状自从茶叶作为饮品传到世界各地,需求量就随之不断增多。2016年5月第22届联合国粮农组织政府间茶叶工作组（以下简称FAO-IGG/Tea）会议,就当下茶叶产量以及今后十年内茶产量的增长趋势进行了 分析。分析指出,2015年世界茶叶总产量达到了520万吨,而在今后的十年间将以3.7%的速率增长。在之后的2018年的第23届FAO-IGG/Tea会议上,后排出的茶渣,其成分为经过浸泡、萃取后含水茶叶,该类废弃物排出量取决于饮料生产企业的茶叶购入量。另一类是茶叶在加工时挑拣出的茶梗,有研究指出茶梗数量占毛茶总重量的20%3,可预测到随着茶叶总产量增加废弃茶梗也将逐年递增。在以前,对于茶废弃物的处理方法普遍采用就地焚烧。近年来由于对茶废弃物认识的提高,处理方法也有所改变,例如将干燥茶渣、茶梗收集装袋,放置在新车或者新装修好的房间中去除异味。相对于茶梗这类被挑拣出的废弃物,茶渣的处理更加的棘手。茶饮料厂排出的含水茶渣在自然状态下如不及时处理极易发生腐烂,日本茶饮料生产企业“伊藤园”专门设立部门对茶渣进行处理。65%直接填埋堆肥,17%进行热回收处理,剩下的茶渣用来作为饲料或材料添加剂。另一家日本连锁超市企业“TRIAL”同样生产茶饮料进行贩卖,再次确认 了茶叶将在未来的十年内持续增长,且根据数据分析出了绿茶与红茶各自的增长速率。如图1所示,世界红茶产量预计在今后十年的年增长率为2.2%,于2027年达到440万吨。全球绿茶产量预计将以更快的年增长率,即7.5%的速度增长,到2027年达到360万吨1。除了茶叶以外,与茶叶相关茶饮料、茶保健产品等,也处于持续增长阶段。茶叶产业发展对产茶国农业发展有着重要影响,中国茶叶产值超过1500亿元,直接关系千万茶农生计,已经成为中国农业的核心利益之一2。虽然发展茶产业对农业经济发展有着诸多好处,但是随着茶叶产量提高、机械化大规模采茶技术进步,生产过程中茶废弃物如何处理也成为 了 一个不可忽视的问题。茶废弃物包括茶树修剪枝、茶梗茎、老叶残片、茶渣等,根据加工过程中产生的茶废弃物分类可大致分为如图2所示两大类别。第一类为茶饮料厂加工Sustainable Material Development and Furniture Design and Application of Tea Waste高 品 Gao Pin(汕头大学长江艺术与设计学院，广东汕头 515000）摘 要：在茶叶生产及消费过程中产生的茶废弃物仍然具有可利用价值，本文以开发茶废弃物新材料为目标，提出“茶木”概念并从材料成型及生物降解两个方面对其进行可行性论述。采用热压法压制茶废弃物人造板材并测试静曲强度以及影响因素。采用土埋法测试茶废弃物聚乳酸复合材料生物降解性能。研究发现茶废弃物材料具有良好静曲强度并可生物降解。最后，利用该材料特性设计“茶木”系列家具产品。关键词：茶废弃物；茶木；可持续材料DOI:10.16771/43-1247/ts.2023.02.009中图分类号：TS664.1 文献标识码：A 文章编号:1006-8260(2023)02-0050-06Abstract:The tea waste generated during the manufacture and consumption of tea holds usable value.The concept of“CHAMU”is proposed in this study with the purpose of creating new materials from tea waste,and its feasibility is discussed from two perspectives:material molding and biodegradation.The artificial board of tea waste was pressed using the hot-pressing method,and its mechanical strength and affecting variables were investigated.The soil burying method was used to test the biodegradability of a tea waste-polylactic acid composite.It has been discovered that tea waste exhibits incredible mechanical strength and is biodegradable.Ultimately,the“CHAMU”series furniture products are designed by utilizing the characteristics of this material.Key words:Tea waste;CHAMU;Sustainable materials茶废弃物可持续材料开发及家具设计应用Forum of Design设计论坛51F&ID第30卷第02期 2023年02月 家具与室内装饰其每年排出的茶渣量达到了130万吨（含水茶渣）,为此,企业每年需要支付约1200万日元用于茶渣处理4。根据日本食品协会,外食产业的食品回收基本方针（外食 食品 基本的考方）,饮食行业为制成商品,须购买原材料,那么原材料的购入价格就是其价值的定义。如图3所示,商品在制作阶段出现了原材料废弃的情况,那即意味着原材料一部分价值被废弃了。换句话说,在这个场景下,废弃物排出等同于价值放弃5。此外,茶制品生产企业同样需要负担废弃物排出以及处理责任,为此必须支付额外费用。那么在废弃物排出时,茶生产企业就同时承担了“废物处理所需费用”以及“价值放弃”这双重损失。由此可见,从企业利益角度出发,茶废弃物再利用,具有现实意义。1.2 茶废弃物现有研究及课题目前对于茶废弃物（茶梗、茶渣）研究中发现,茶废弃物仍保留多种可利用成分。例如,茶梗主要成分为纤维素、半纤维素以及木质素,经过测量发现茶梗中纤维素与木质素低于木材,半纤维素的含量与木材相似。苏团6利用茶梗碎料备制了茶梗碎料板,说明了茶废弃物热压成型的可行性。于学领等人7利用茶梗粉末通过注塑成型备制“茶塑复合材料”。通过实验发现使用100目茶梗粉,按照30%比例加入备制而成的“茶塑复合材料”,其力学强度要优于不添加茶梗粉的塑料。上述研究说明茶梗再利用具有可行性。、江进学等8利用茶渣作为填料加入密度板制作中以降低甲醛释放量,经实验发现,蛋白质作为茶叶的主要组成成分之一难溶于水,这使得废弃茶渣保留了原本茶叶含有的蛋白质,在密度板压制过程中,茶渣中蛋白质肽链骨架上的亚氨基基团和甲醛发生聚合反应,从而降低复合板甲醛释放量。万顺利9和Bajpai10等人对茶渣研究,发现茶渣网状结构、多孔性、比表面积大等特点,能够有效净化水中重金属。从上述研究中可以看到,有关茶废弃物的研究大多集中于茶废弃物植物纤维以及结构特性的利用上。但是,其现有研究对于茶废弃物的分析依然不够全面系统。首先,目前以茶梗备制人造材料的研究居多但缺少对于整体茶废弃物备制人造材料可行性的分析。从材料来源来看,现有研究采用单一种类茶梗实验测试其成型后力学强度,然05010015020025030035040045050020172027单位：吨红茶绿茶原材料（茶叶）商品（茶饮料）废弃物（茶渣）贩卖（价值扩大）废弃（价值放弃）收入利益损失支出加工制作废弃物处理费用茶废物制品茶园工厂回收市场毛茶茶产品茶废弃物肥料分解/堆肥贩卖设计运输茶废弃物再利用系统挑拣出的茶梗等废弃物排出土壤改良贩卖粉碎处理胶黏剂混合加热加压成型強度试验粉碎机搅拌机高温热压机力学试验机与聚乳酸混合挤出成型注塑成型螺旋挤出机注塑成型机粉碎处理粉碎机茶粉+聚乳酸图1 红茶与绿茶生产量的推移图2 茶废弃物图3 由于废弃所带来的损失示意图4 茶废弃物回收再利用系统流程图图5 高温热压成型实验流程图图6 左：灌木型茶树茶梗；右：乔木型茶树茶梗图7 挤出成型加工流程图图8 茶废弃物PLA复合材料图 1图3图4图5图6图8图7图2样 本1 茶废弃物50%wt样 本2 茶废弃物 10%wt52而茶梗受地区影响可能会有较大差异。中国按照气温降水等气候条件可分为江南、江北、华南、西南四大茶叶产区。不同产区的茶树形态又不尽相同,大致可分为低矮的灌木型茶树以及高大的乔木型茶树。不同来源的茶梗形态差异较大,导致单一研究得出的测试数据差异较大从而无法适用于中国整体茶废弃物再利用,因此茶梗形态差异是否对于力学强度造成影响仍然需要实验来验证。此外,近些年的家具设计领域中,越来越多设计师及研究者开始关注可持续发展,并将其理念进行实践11-13。而资源可再生、无毒无害、环境友好常常作为其可持续理念的核心出现。在全面提倡绿色可持续大背景下,新兴材料除要满足良好使用功能以外,能否生物降解也成为生物质材料优劣的一项重要评价标准。研究者们已经发现,木质素含量的高低是影响材料降解性能的一个重要要素。木质素含量越高降解性能就越差14。如表1所示,与常见的植物纤维相比较,茶废弃物的木质素含量在所有植物纤维中处于较低的水平。代静玉等人测试了茶叶、紫云英以及稻草三种植物的降解性后发现,茶叶降解速度高于其他两者15。由此可推测,木质素含量较低的茶废弃物相比于其他材料可能更快降解,但成型后茶废弃物的降解性如何仍需进行实验来证明。1.3“茶木”概念提出及实验目标设立茶废弃物在堆肥过程中与其他动物粪肥混合可以缩短发酵与堆肥时间提升土壤肥力,增加农作物产量16。因此,处理得当的茶废弃物不但不会对环境产生污染反而对于土壤有所裨益。为实现茶废弃物可持续利用目标,本文构建了如图4所示的茶废弃物回收再利用系统17。回收茶叶、茶饮料在生产过程中排出的茶废弃物,对其进行再加工成为绿色商品重新回到市场进行流通。商品使用过后,直接废弃并由土壤中的微生物分解,可作为养分重新回归到土壤当中。为了实现该系统中商品流通的目的,本文提出“茶木”这一概念。“茶木”是指在生产过程中产生的茶废弃物（茶渣、茶梗）,经再次加工成型使之作为可使用的商品进入市场从而达到以“茶”代“木”的目的。为证明“茶”是否能够代“木”,本文将从材料成型强度及影响因素、材料生物降解性能两方面的实验表6 茶废弃物PLA复合材料拉伸强度下降情况 样本 土埋前（Mpa）土埋后（Mpa）下降率（）50茶废弃物/50PLA10茶废弃物/90PLA28.14151.74515.24438.98545.824.7表7 茶废弃物PLA复合材料生物降解率结果 样本 土埋前（g）土埋后（g）降解率（）50茶废弃物/50PLA10茶废弃物/90PLA11.1610.529.7810.1212.33.8表5 茶梗人造板材强度试验结果 乔木型茶树茶梗 灌木型茶树茶梗含水率（）密度（g/cm3）静曲 强度（Mpa）6.30.916.33