在工程材料领域，传统工程复合材料面临着高能耗、依赖石油资源、环境不友好等严峻挑战。寻求可持续的替代材料成为当务之急，而竹子作为一种天然可再生资源，生长迅速、生态可持续，有望成为理想的替代材料。然而，竹子在强度、尺寸稳定性和阻燃性方面存在不足，限制了其在工程领域的广泛应用。因此，研发具备高强度、良好尺寸稳定性和优异阻燃性的竹基复合材料，对推动工程材料的可持续发展意义重大。
近日，西南林业大学杜官本院士、杨龙研究员团队在竹基复合材料方面取得研究进展。该团队通过原位化学交联竹材细胞壁、引入纳米二氧化硅增强界面相互作用以及利用纳米尺寸效应的协同作用，同时将环保的磷酸氢二铵（(NH?)?HPO?）通过毛细管作用引入到竹子的孔隙结构中，成功制备出多功能竹基复合材料（MBC）。
研究展示了竹材在建筑工程结构等领域的广阔应用前景，为推动可持续材料的发展提供了技术支撑。相关成果以“A Green-solvent Processed Multifunctional Bamboo Composite with High Strength, Robust Fire Retardancy, and Dimensional Stability”为题发表在国际期刊Chemical Engineering Journal上。
图1 多功能竹基复合材料（MBC）的制备。
如图1所示，研究人员首先对天然竹子进行脱木素处理，用氢氧化钠和亚硫酸钠的混合溶液去除部分木质素和半纤维素，使纤维素相对含量增加。接着，通过(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷（APTES）接枝在竹子骨架上引入氨基，再将磷酸氢二铵浸渍到竹子孔隙结构中。最后，将不同含量的纳米二氧化硅与环氧树脂混合后浸入竹子骨架，通过热压使其发生原位化学反应，制备出系列MBCs。
图2 MBC的化学成分和微观结构。（a）NB和DB的纤维素、半纤维素和木质素含量。（b）NB、DB和MBC的FT-IR光谱。（c）NB、DB和MBC的XRD光谱。（d，e）NB横截面的SEM图像；（f，g）NB纵截面的SEM图像；（h，i）MBC横截面的SEM图像；（j，k）MBC纵截面的SEM图像。（l~p）MBC横截面的元素分析结果。
如图2所示，研究人员采用多种表征手段对MBC进行了全面分析。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）证实了脱木素处理后木质素和半纤维素特征峰的消失以及APTES接枝成功；X射线光电子能谱（XPS）进一步确认了APTES的接枝以及环氧树脂在热压过程中的开环反应；X射线衍射（XRD）表明MBC的结晶度高于天然竹子和脱木素竹子。扫描电子显微镜（SEM）显示MBC的多孔结构被3% SiO?/Epoxy填充，元素分布光谱（EDS）证明了元素在MBC中的均匀分布。
图3 MBC的机械性能和尺寸稳定性。（a）抗拉强度，（b）相应的应力-应变曲线，以及（c）MBC3%SiO2/Epoxy与典型工程材料和天然材料的比强度。（d）NB、DDB、DDBEpoxy和MBC3%SiO2/Epoxy的抗弯强度和（e）相应的抗弯应力-应变曲线。（f）MBC3%SiO2/Epoxy与报告的木材/竹子复合材料的比强度和抗弯强度（g）MBC3%SiO2/Epoxy和（h）CS的SENB模拟过程中的应力分布。（i）NB、DDB和MBC3%SiO2/Epoxy在水中浸泡144小时前后的照片。（k）浸入水中144小时后样品的厚度膨胀。（l）DDB和MBC3%SiO2/Epoxy浸入水中144h后的拉伸强度
如图3所示，在力学性能方面，MBC的拉伸强度、抗弯强度和杨氏模量均表现出色。与天然竹子相比，MBC的拉伸强度提高了约6倍，抗弯强度提高了约3倍，杨氏模量提高了约10倍。有限元模拟结果表明，MBC结构中构建的原位化学交联增强了材料的内聚力，有效缓解了应力集中，提高了材料的力学性能。在尺寸稳定性测试中，MBC在水浸后的厚度膨胀率极低，展现出良好的耐水性。
图4 MBC的阻燃性。（a）NB和（b）MBC3%SiO2/Epoxy在30秒内的燃烧过程照片。（c）MBC3%SiO2/Epoxy和其他常见工程材料的极限氧指数比较。（d）热释放速率，（e）总热释放，（f）平均热释放率，（g）点火时间，以及（h）通过锥形量热法测试的NB和MBC3%SiO2/Epoxy的防火性能指数。（i，j）锥形量热仪测试后NB和MBC3%SiO2/Epoxy形成的残留炭的照片（10×10 cm2）。NB的（k）纵向和（l）横向截面的SEM图像。燃烧后MBC3%SiO2/Epoxy的（m）纵向截面和（n）横向截面的SEM图像。
如图4所示，在阻燃性能方面，MBC 的极限氧指数从天然竹的 23.4% 提升至 36.5%，峰值热释放速率降低 46.1%，总热释放量减少50%以上。其阻燃机制包括磷酸氢二铵分解产生NH?稀释氧气、形成磷酸液膜隔绝可燃气体，纳米二氧化硅促进耐高温炭层生成，以及自由基捕获中断燃烧链式反应。燃烧测试显示，MBC 点燃时间延长至 70 秒，燃烧后结构完整性优于天然竹材，展现出优异的防火安全性和环境适应性。
综上所述，本研究通过原位化学交联、纳米二氧化硅增强与阻燃改性的协同创新策略，成功构建了兼具高强度、极低吸水性与优异阻燃性的多功能竹基复合材料。从微观结构设计到宏观性能调控，扫描电镜、X-射线衍射等多维度表征手段，系统揭示了材料增强增韧的内在机制。其拉伸强度达 586MPa，静曲强度高达 696MPa，竹基复合材料的强重比远超很多传统材料，这意味着在同等重量下，MBC 能承受更大的应力，为轻量化设计提供了理想选择。4.1% 的超低水浸膨胀率，彻底改变了竹子易受潮变形的固有印象，即便长期处于潮湿环境，依然能保持结构稳定，适用于户外场景。极限氧指数提升至 36.5%，让 MBC 具备卓越的阻燃性能，有效延缓火势蔓延，为建筑、交通等领域的消防安全增添可靠保障。
上述研究得到了国家自然科学基金面上项目、云南省重大科技专项、云南省基础研究计划重点项目、云南省农业联合专项重点项目、云南省中青年学术和技术带头人后备人才项目以及云南省高层次人才培养支持计划青年拔尖人才项目等经费支持。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.163526
