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  在工程材料領(lǐng)域，傳統(tǒng)工程復(fù)合材料面臨著高能耗、依賴石油資源、環(huán)境不友好等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。尋求可持續(xù)的替代材料成為當(dāng)務(wù)之急，而竹子作為一種天然可再生資源，生長迅速、生態(tài)可持續(xù)，有望成為理想的替代材料。然而，竹子在強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性和阻燃性方面存在不足，限制了其在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。因此，研發(fā)具備高強(qiáng)度、良好尺寸穩(wěn)定性和優(yōu)異阻燃性的竹基復(fù)合材料，對推動工程材料的可持續(xù)發(fā)展意義重大。

  近日，西南林業(yè)大學(xué)杜官本院士、楊龍研究員團(tuán)隊在竹基復(fù)合材料方面取得研究進(jìn)展。該團(tuán)隊通過原位化學(xué)交聯(lián)竹材細(xì)胞壁、引入納米二氧化硅增強(qiáng)界面相互作用以及利用納米尺寸效應(yīng)的協(xié)同作用，同時將環(huán)保的磷酸氫二銨（(NH?)?HPO?）通過毛細(xì)管作用引入到竹子的孔隙結(jié)構(gòu)中，成功制備出多功能竹基復(fù)合材料（MBC）。

  研究展示了竹材在建筑工程結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景，為推動可持續(xù)材料的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。相關(guān)成果以“A Green-solvent Processed Multifunctional Bamboo Composite with High Strength, Robust Fire Retardancy, and Dimensional Stability”為題發(fā)表在國際期刊Chemical Engineering Journal上。

圖1 多功能竹基復(fù)合材料（MBC）的制備。

  如圖1所示，研究人員首先對天然竹子進(jìn)行脫木素處理，用氫氧化鈉和亞硫酸鈉的混合溶液去除部分木質(zhì)素和半纖維素，使纖維素相對含量增加。接著，通過(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷（APTES）接枝在竹子骨架上引入氨基，再將磷酸氫二銨浸漬到竹子孔隙結(jié)構(gòu)中。最后，將不同含量的納米二氧化硅與環(huán)氧樹脂混合后浸入竹子骨架，通過熱壓使其發(fā)生原位化學(xué)反應(yīng)，制備出系列MBCs。

圖2 MBC的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)。（a）NB和DB的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量。（b）NB、DB和MBC的FT-IR光譜。（c）NB、DB和MBC的XRD光譜。（d，e）NB橫截面的SEM圖像；（f，g）NB縱截面的SEM圖像；（h，i）MBC橫截面的SEM圖像；（j，k）MBC縱截面的SEM圖像。（l~p）MBC橫截面的元素分析結(jié)果。

  如圖2所示，研究人員采用多種表征手段對MBC進(jìn)行了全面分析。傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）證實了脫木素處理后木質(zhì)素和半纖維素特征峰的消失以及APTES接枝成功；X射線光電子能譜（XPS）進(jìn)一步確認(rèn)了APTES的接枝以及環(huán)氧樹脂在熱壓過程中的開環(huán)反應(yīng)；X射線衍射（XRD）表明MBC的結(jié)晶度高于天然竹子和脫木素竹子。掃描電子顯微鏡（SEM）顯示MBC的多孔結(jié)構(gòu)被3% SiO?/Epoxy填充，元素分布光譜（EDS）證明了元素在MBC中的均勻分布。

圖3 MBC的機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性。（a）抗拉強(qiáng)度，（b）相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及（c）MBC_3%SiO2/Epoxy與典型工程材料和天然材料的比強(qiáng)度。（d）NB、DDB、DDB_Epoxy和MBC_3%SiO2/Epoxy的抗彎強(qiáng)度和（e）相應(yīng)的抗彎應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（f）MBC_3%SiO2/Epoxy與報告的木材/竹子復(fù)合材料的比強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度（g）MBC_3%SiO2/Epoxy和（h）CS的SENB模擬過程中的應(yīng)力分布。（i）NB、DDB和MBC_3%SiO2/Epoxy在水中浸泡144小時前后的照片。（k）浸入水中144小時后樣品的厚度膨脹。（l）DDB和MBC_3%SiO2/Epoxy浸入水中144h后的拉伸強(qiáng)度

  如圖3所示，在力學(xué)性能方面，MBC的拉伸強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和楊氏模量均表現(xiàn)出色。與天然竹子相比，MBC的拉伸強(qiáng)度提高了約6倍，抗彎強(qiáng)度提高了約3倍，楊氏模量提高了約10倍。有限元模擬結(jié)果表明，MBC結(jié)構(gòu)中構(gòu)建的原位化學(xué)交聯(lián)增強(qiáng)了材料的內(nèi)聚力，有效緩解了應(yīng)力集中，提高了材料的力學(xué)性能。在尺寸穩(wěn)定性測試中，MBC在水浸后的厚度膨脹率極低，展現(xiàn)出良好的耐水性。

圖4 MBC的阻燃性。（a）NB和（b）MBC_3%SiO2/Epoxy在30秒內(nèi)的燃燒過程照片。（c）MBC_3%SiO2/Epoxy和其他常見工程材料的極限氧指數(shù)比較。（d）熱釋放速率，（e）總熱釋放，（f）平均熱釋放率，（g）點火時間，以及（h）通過錐形量熱法測試的NB和MBC_3%SiO2/Epoxy的防火性能指數(shù)。（i，j）錐形量熱儀測試后NB和MBC_3%SiO2/Epoxy形成的殘留炭的照片（10×10 cm²）。NB的（k）縱向和（l）橫向截面的SEM圖像。燃燒后MBC_3%SiO2/Epoxy的（m）縱向截面和（n）橫向截面的SEM圖像。

  如圖4所示，在阻燃性能方面，MBC 的極限氧指數(shù)從天然竹的 23.4% 提升至 36.5%，峰值熱釋放速率降低 46.1%，總熱釋放量減少50%以上。其阻燃機(jī)制包括磷酸氫二銨分解產(chǎn)生NH?稀釋氧氣、形成磷酸液膜隔絕可燃?xì)怏w，納米二氧化硅促進(jìn)耐高溫炭層生成，以及自由基捕獲中斷燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。燃燒測試顯示，MBC 點燃時間延長至 70 秒，燃燒后結(jié)構(gòu)完整性優(yōu)于天然竹材，展現(xiàn)出優(yōu)異的防火安全性和環(huán)境適應(yīng)性。

  綜上所述，本研究通過原位化學(xué)交聯(lián)、納米二氧化硅增強(qiáng)與阻燃改性的協(xié)同創(chuàng)新策略，成功構(gòu)建了兼具高強(qiáng)度、極低吸水性與優(yōu)異阻燃性的多功能竹基復(fù)合材料。從微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計到宏觀性能調(diào)控，掃描電鏡、X-射線衍射等多維度表征手段，系統(tǒng)揭示了材料增強(qiáng)增韌的內(nèi)在機(jī)制。其拉伸強(qiáng)度達(dá) 586MPa，靜曲強(qiáng)度高達(dá) 696MPa，竹基復(fù)合材料的強(qiáng)重比遠(yuǎn)超很多傳統(tǒng)材料，這意味著在同等重量下，MBC 能承受更大的應(yīng)力，為輕量化設(shè)計提供了理想選擇。4.1% 的超低水浸膨脹率，徹底改變了竹子易受潮變形的固有印象，即便長期處于潮濕環(huán)境，依然能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適用于戶外場景。極限氧指數(shù)提升至 36.5%，讓 MBC 具備卓越的阻燃性能，有效延緩火勢蔓延，為建筑、交通等領(lǐng)域的消防安全增添可靠保障。

  上述研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、云南省重大科技專項、云南省基礎(chǔ)研究計劃重點項目、云南省農(nóng)業(yè)聯(lián)合專項重點項目、云南省中青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人才項目以及云南省高層次人才培養(yǎng)支持計劃青年拔尖人才項目等經(jīng)費支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.163526