前言
在“雙碳”戰(zhàn)略持續(xù)推進(jìn)和"以竹代塑"倡議廣泛實(shí)施的背景下，竹材作為一種快速再生、可持續(xù)利用的天然資源，正成為材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)。中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所于文吉研究員團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新性地多尺度界面工程技術(shù)來實(shí)現(xiàn)竹材的解構(gòu)和再重組，將竹材變身為高強(qiáng)度、可變形和生物降解的竹纖維素基結(jié)構(gòu)材料，其綜合性能超越傳統(tǒng)石油基塑料。
01.創(chuàng)新制備工藝：多尺度竹纖維自組裝實(shí)現(xiàn)無膠粘合
突破傳統(tǒng)竹材加工依賴合成樹脂的局限，研究團(tuán)隊(duì)建立新型多尺度界面工程策略：首先將竹材解構(gòu)成纖維束，再通過季銨化改性和TEMPO氧化處理，分別獲得帶正電荷的長纖維（Q-Fiber）和帶負(fù)電荷的羧基化纖維素納米纖維（CCNF）。利用靜電吸引原理實(shí)現(xiàn)纖維自組裝，并通過引入鈣離子（Ca²?）構(gòu)建離子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合熱壓成型技術(shù)，形成具有氫鍵網(wǎng)絡(luò)和離子交聯(lián)的雙重穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。該工藝實(shí)現(xiàn)了材料尺寸的精確調(diào)控，構(gòu)建出無需外加粘合劑的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將竹材變身為可變形、抗沖擊性強(qiáng)、硬度高、熱穩(wěn)定性佳、生物可降解以及優(yōu)異力學(xué)性能的可持續(xù)纖維素基結(jié)構(gòu)材料。
02.材料性能突破： 1% CCNF – M展現(xiàn)優(yōu)異特性
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，添加1% CCNF制備的竹纖維素基材料（1% CCNF-M）結(jié)構(gòu)致密，纖維排列整齊，結(jié)晶區(qū)比例高，具有顯著性能優(yōu)勢。拉伸強(qiáng)度達(dá)333.4 MPa，彎曲強(qiáng)度353.3 MPa，彎曲模量26.8 GPa；經(jīng)疏水處理后可在100%濕度或水浸泡的條件下使用，力學(xué)性能僅輕微下降，具有良好環(huán)境穩(wěn)定性；受載時呈現(xiàn)纖維拔出、裂紋分支等能量耗散方式，具有良好增韌效果。
03.性能優(yōu)勢分析：全面超越石油基塑料
與石油基塑料各項(xiàng)性能的均值相比，1% CCNF-M 的沖擊強(qiáng)度提升了 2.8 倍，硬度提高了 1.2 倍，比強(qiáng)度更是增強(qiáng)了 4 倍，真正做到了在輕量化的同時維持高強(qiáng)度。此外，得益于纖維素優(yōu)異的熱性能，多尺度材料的熱膨脹系數(shù)極低（<1.19× 10?? K?¹），熱穩(wěn)定性極佳。同時，材料中纖維良好的柔韌性以及有序的排列取向，使其擁有出色的加工性，能夠輕松塑形。在環(huán)保方面，1% CCNF - M 同樣表現(xiàn)卓越，掩埋 360 天后，材料大量降解，對環(huán)境的友好程度遠(yuǎn)超塑料。
04.環(huán)保效益與應(yīng)用前景
生命周期評價結(jié)果表明，在所有調(diào)查的環(huán)境影響類別中，多尺度的竹基纖維素材料均優(yōu)于傳統(tǒng)的石油基塑料，是減少碳排放和降低碳足跡的有力候選者。此外，通過改變纖維的鋪裝方式，能夠?qū)⒉牧系男阅軓母飨虍愋赞D(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲?，這為纖維素基材料代替塑料的應(yīng)用提供了更大的靈活性和可能性。
結(jié)語
本研究利用多尺度界面工程對竹子進(jìn)行解構(gòu)和重組，借助致密的氫鍵網(wǎng)絡(luò)、表面電荷處理和離子交聯(lián)等物理化學(xué)手段，實(shí)現(xiàn)了竹材的華麗變身。所制備的多尺度竹纖維素材料，其綜合性能顯著優(yōu)于目前的商業(yè)塑料（包括部分工程塑料），在力學(xué)性能等指標(biāo)上，更超越了傳統(tǒng)的生物質(zhì)基結(jié)構(gòu)材料。研究突破性地解決了竹材應(yīng)用中力學(xué)性能離散性大、界面結(jié)合弱、尺寸穩(wěn)定性等技術(shù)瓶頸，為竹資源替代不可降解塑料提供了完整的理論支撐和技術(shù)方案。隨著工藝優(yōu)化和產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)，這類可定制化、全降解的纖維素基材料有望在精密儀器制造、環(huán)保包裝、綠色建筑等領(lǐng)域形成規(guī)?；瘧?yīng)用，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)開辟新的技術(shù)路徑。
