基于分子量调控树脂渗透行为设计界面结合的高性能竹纤维增强复合材料制备新策略

针对竹纤维增强复合材料(BFRCs)因界面结合选择性分布导致的力学性能与稳定性不足问题，研究人员通过设计分子量分别为500和1500的溴化酚醛树脂(BrPF-1/BrPF-2)协同浸渍策略，实现了树脂在细胞壁与结合线的精准分布。该研究使复合材料的厚度膨胀率(TSR)降低32%，弯曲强度(MOR)和压缩强度(CS)分别提升22%和17%，为船舶制造等高端领域应用提供了创新解决方案。

　　

竹材作为可持续生物质材料在建筑、风电叶片等领域应用广泛，但天然竹材的多相结构导致树脂渗透不均，界面结合选择性分布严重制约其力学性能和环境稳定性。传统化学改性方法会产生污染且损伤纤维结构，而单一分子量树脂浸渍存在"过度渗透"或"结合不足"的两难困境。如何在不破坏竹材本征结构的前提下精准调控树脂分布，成为提升竹纤维增强复合材料(BFRCs)性能的关键科学问题。

为突破这一瓶颈，研究人员创新性地提出"分子量梯度浸渍"策略：先采用低分子量(500)树脂渗透竹纤维细胞壁形成纳米机械互锁，再用高分子量(1500)树脂填充结合线。通过扫描电镜-能谱联用(SEM-EDS)、工业CT(XCT)和共聚焦显微镜(CLSM)等多尺度表征技术，结合纳米压痕(NI)和压汞法(MIP)等微观力学测试，系统解析了树脂渗透路径与界面形成机制。

【树脂渗透与分布】
SEM和XCT三维重构显示，BrPF-1树脂可穿透细胞壁纹孔进入微纤丝间隙，而BrPF-2树脂仅分布于细胞间隙和破碎腔体。CLSM荧光标记证实双树脂体系能同时在细胞壁(绿色荧光)和结合线(红色荧光)形成互补分布，溴元素含量检测显示BFRC-3细胞壁Br含量达0.37%，实现"由内而外"的界面强化。

【孔隙结构与微力学性能】
压汞测试揭示BrPF-1浸渍后5-30 nm级孔隙增加41.47 m²/g，证实其可进入细胞壁超分子结构。纳米压痕显示双树脂体系使细胞壁弹性模量(Er)提升至23.22 GPa，硬度(H)达0.64 GPa，形成"刚柔并济"的微观力学网络。

【物理性能突破】
28小时循环测试中，BFRC-4的厚度膨胀率(TSR)仅5.71%，较单树脂体系降低32%。三点弯曲实验表明其弯曲强度(MOR)达197 MPa，超越玻璃纤维增强环氧树脂(130.91 MPa)，压缩强度(CS)提升17%至142.10 MPa。热重分析显示双树脂体系残炭率提升至40%，最大分解温度移向328℃。

【界面结合模型】
研究构建了四类界面模型：1)细胞壁内交联(抗膨胀)、2)全填充腔体(应力缓冲)、3)腔壁粘附(防渗漏)、4)层间结合(力传导)。分子量差异形成的渗透梯度使不同界面协同作用，解决了传统工艺中"强化细胞壁"与"确保结合强度"不可兼得的矛盾。

该研究通过分子设计实现了竹复合材料界面性能的精准调控，其双树脂浸渍策略与现有生产线兼容，每吨成本仅7000-14000元，兼具规模化潜力与可持续优势。不仅为船舶、极端环境等高端应用提供了新型生物基材料解决方案，更为天然纤维复合材料的界面工程设计提供了普适性方法论。相关成果发表在农林科学TOP期刊《Industrial Crops and Products》，标志着我国在生物质复合材料领域取得重要技术突破。