超强、防火且环保的竹基复合材料：基于细胞壁聚合物修饰工程的研究

本研究由Jiajian Wang、Yanmei Li、Tongda Liu、Weibing Xue、Hongxing Yang、Chunyan Yin、Rong Liu、Guanben Du、Wenshuai Chen、Long Yang（通讯作者）合作完成，发表于期刊Energy & Environmental Materials（2025年7月11日）。

一、学术背景

在建筑和工业领域，传统结构材料（如金属、陶瓷、混凝土和聚合物基复合材料）存在高能耗、资源浪费和环境污染等问题。因此，开发高性能、环保的结构材料成为研究重点。竹子作为天然生物质材料，具有生长快、高韧性、环境响应性和可再生性等优势，但其固有缺陷包括力学性能不足和易燃性。为克服这些缺陷，本研究提出了一种基于细胞壁修饰工程的超强防火竹基复合材料（Ultra-strong Fire-resistant Bamboo Composite, UFBC），旨在通过化学交联、纳米二氧化硅（SiO₂）增强和原位矿化技术，同步提升竹材的力学性能和阻燃性。

二、研究流程与实验方法

1. 竹材预处理与脱木质素
   以天然竹材（Natural Bamboo, NB）为原料，通过脱木质素处理保留纤维素骨架，增加孔隙率并软化细胞壁。实验优化了处理时间（4小时），脱木质素后竹材的纤维素含量显著提高（支持信息图S1b）。

2. 化学交联与纳米增强

   • 环氧基接枝：利用硅烷偶联剂（KH560）将环氧基团原位接枝到竹纤维骨架上（红外光谱验证：1030 cm⁻¹和1100 cm⁻¹处出现特征峰，图2a）。
     
   • 聚合物网络构建：通过三聚氰胺-三乙烯四胺预聚物（MT）与环氧基团的化学交联，形成刚性三嗪环结构，增强细胞壁（核磁共振验证：MT的C谱中三嗪碳位移至160.01 ppm，图2b）。
     
   • 纳米SiO₂添加：以5 wt%比例掺入纳米SiO₂，通过界面效应提升力学性能，并优化纤维排列（X射线衍射显示纤维束尺寸减小，图S1d）。
     

3. 阻燃系统构建
   软化的细胞壁促进磷酸盐和硼酸盐沉积，形成氮-磷-硼（N-P-B）协同阻燃体系。通过原位矿化将Na₂B₄O₇·10H₂O和NaH₂PO₄引入细胞壁，催化纤维素碳化（XPS分析显示燃烧后残留碳中含N-P和B-O键，图6g-i）。

4. 热压与性能测试
   热压工艺使纤维排列更紧密，密度提升至1.29 g/cm³（NB为0.68 g/cm³），厚度减少60%。通过拉伸、弯曲、紫外老化、溶剂稳定性及锥形量热（Cone Calorimetry）等测试评估性能。

三、主要结果

1. 力学性能

   • UFBC的拉伸强度达463 MPa（NB为112 MPa），弯曲强度655 MPa（NB为157 MPa），分别提升4倍（图3c,f）。
     
   • 杨氏模量（30.63 GPa）和弯曲模量（36.34 GPa）显著高于NB（图3g,h）。
     
   • 比强度（358 MPa·cm³/g）优于钢材和铝材（图3i）。
     

2. 防火性能

   • 极限氧指数（LOI）达54.4%（NB为21.1%），燃烧实验显示UFBC可自熄（图6a）。
     
   • 锥形量热测试表明，热释放率（HRR）和总热释放（THR）降低34.9%，残炭量提升至37.93%（NB为1.75%）。
     

3. 环境稳定性

   • UV照射72小时后，UFBC的力学性能无显著下降，而NB强度损失约30%（图4）。
     
   • 在酸碱和有机溶剂中，UFBC的质量变化和强度损失远低于NB（图5）。
     

4. 环境效益
   生命周期评估（LCA）显示，UFBC的全球变暖潜力（GWP）比竹钢（Bamboo Steel, BS）降低54%，化石资源消耗减少64%（图7a）。生产成本（13,767美元/m³）低于BS（40,348美元/m³）。

四、结论与价值

1. 科学价值

   • 提出了一种通过细胞壁修饰同步增强力学与阻燃性能的新策略，结合化学交联、纳米增强和N-P-B协同阻燃机制，为生物质材料的高性能化提供了方法论参考。
     

2. 应用价值

   • UFBC可作为低碳建筑材料的替代品，满足结构材料的力学和防火要求，且在生命周期内环境效益显著。
     
   • 其低成本和可规模化生产的潜力（支持信息表S9-S13）展示了产业化前景。
     

五、研究亮点

1. 多尺度协同修饰：从分子级化学交联到宏观热压工艺，实现了竹材细胞壁的全方位增强。
   
2. N-P-B阻燃系统：首次在竹基复合材料中构建气体-凝聚相协同阻燃机制，LOI值达行业领先水平。
   
3. 环境友好性：通过减少化学品用量和能源消耗，UFBC的18项环境指标优化幅度高达92%。
   

本研究为高性能生物质结构材料在建筑和工业中的应用开辟了新途径。