在工程材料領域，傳統工程復合材料面臨著高能耗、依賴石油資源、環境不友好等嚴峻挑戰。尋求可持續的替代材料成為當務之急，而竹子作為一種天然可再生資源，生長迅速、生態可持續，有望成為理想的替代材料。然而，竹子在強度、尺寸穩定性和阻燃性方面存在不足，限制了其在工程領域的廣泛應用。因此，研發具備高強度、良好尺寸穩定性和優異阻燃性的竹基復合材料，對推動工程材料的可持續發展意義重大。
近日，西南林業大學杜官本院士、楊龍研究員團隊在竹基復合材料方面取得研究進展。該團隊通過原位化學交聯竹材細胞壁、引入納米二氧化硅增強界面相互作用以及利用納米尺寸效應的協同作用，同時將環保的磷酸氫二銨（(NH?)?HPO?）通過毛細管作用引入到竹子的孔隙結構中，成功制備出多功能竹基復合材料（MBC）。
研究展示了竹材在建筑工程結構等領域的廣闊應用前景，為推動可持續材料的發展提供了技術支撐。相關成果以“A Green-solvent Processed Multifunctional Bamboo Composite with High Strength, Robust Fire Retardancy, and Dimensional Stability”為題發表在國際期刊Chemical Engineering Journal上。
圖1 多功能竹基復合材料（MBC）的制備。
如圖1所示，研究人員首先對天然竹子進行脫木素處理，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構中。最后，將不同含量的納米二氧化硅與環氧樹脂混合后浸入竹子骨架，通過熱壓使其發生原位化學反應，制備出系列MBCs。
圖2 MBC的化學成分和微觀結構。（a）NB和DB的纖維素、半纖維素和木質素含量。（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果。
如圖2所示，研究人員采用多種表征手段對MBC進行了全面分析。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）進一步確認了APTES的接枝以及環氧樹脂在熱壓過程中的開環反應；X射線衍射（XRD）表明MBC的結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的多孔結構被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的機械性能和尺寸穩定性。（a）抗拉強度，（b）相應的應力-應變曲線，以及（c）MBC3%SiO2/Epoxy與典型工程材料和天然材料的比強度。（d）NB、DDB、DDBEpoxy和MBC3%SiO2/Epoxy的抗彎強度和（e）相應的抗彎應力-應變曲線。（f）MBC3%SiO2/Epoxy與報告的木材/竹子復合材料的比強度和抗彎強度（g）MBC3%SiO2/Epoxy和（h）CS的SENB模擬過程中的應力分布。（i）NB、DDB和MBC3%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MBC3%SiO2/Epoxy浸入水中144h后的拉伸強度
如圖3所示，在力學性能方面，MBC的拉伸強度、抗彎強度和楊氏模量均表現出色。與天然竹子相比，MBC的拉伸強度提高了約6倍，抗彎強度提高了約3倍，楊氏模量提高了約10倍。有限元模擬結果表明，MBC結構中構建的原位化學交聯增強了材料的內聚力，有效緩解了應力集中，提高了材料的力學性能。在尺寸穩定性測試中，MBC在水浸后的厚度膨脹率極低，展現出良好的耐水性。
圖4 MBC的阻燃性。（a）NB和（b）MBC3%SiO2/Epoxy在30秒內的燃燒過程照片。（c）MBC3%SiO2/Epoxy和其他常見工程材料的極限氧指數比較。（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MBC3%SiO2/Epoxy的防火性能指數。（i，j）錐形量熱儀測試后NB和MBC3%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MBC3%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。其阻燃機制包括磷酸氫二銨分解產生NH?稀釋氧氣、形成磷酸液膜隔絕可燃氣體，納米二氧化硅促進耐高溫炭層生成，以及自由基捕獲中斷燃燒鏈式反應。燃燒測試顯示，MBC 點燃時間延長至 70 秒，燃燒后結構完整性優于天然竹材，展現出優異的防火安全性和環境適應性。
綜上所述，本研究通過原位化學交聯、納米二氧化硅增強與阻燃改性的協同創新策略，成功構建了兼具高強度、極低吸水性與優異阻燃性的多功能竹基復合材料。從微觀結構設計到宏觀性能調控，掃描電鏡、X-射線衍射等多維度表征手段，系統揭示了材料增強增韌的內在機制。其拉伸強度達 586MPa，靜曲強度高達 696MPa，竹基復合材料的強重比遠超很多傳統材料，這意味著在同等重量下，MBC 能承受更大的應力，為輕量化設計提供了理想選擇。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境，依然能保持結構穩定，適用于戶外場景。極限氧指數提升至 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基金面上項目、云南省重大科技專項、云南省基礎研究計劃重點項目、云南省農業聯合專項重點項目、云南省中青年學術和技術帶頭人后備人才項目以及云南省高層次人才培養支持計劃青年拔尖人才項目等經費支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.163526
