竹材残渣自粘结纳米纤丝化策略制备高性能无胶竹基复合材料研究

为解决竹材加工残渣利用率低和传统竹基复合材料甲醛释放问题，研究人员创新性提出自粘结纳米纤丝化策略，通过粒径优化(60目)和初始含水率调控(10%)，成功制备出性能优异的无胶竹基复合材料(BBC)，其24小时吸水厚度膨胀率仅1.04%，MOE达6.5 MPa，硬度24.2 kgf/mm2，实现了竹材资源100%高效利用，为可持续材料开发提供新思路。

　　

随着中国经济快速发展和人口持续增长，木材资源进口依赖度已达60%，亟需开发可持续替代材料。竹材作为第二大森林资源，具有3-5年速生、可再生性强和优异强度密度比等优势，但其天然中空圆柱形态和硅蜡双层沉积等结构特性严重限制了工程应用。现代加工方法通过尺寸重构将原竹转化为标准化结构单元，再经胶合、层压和热压制成工程竹复合材料。然而，工业加工面临重大瓶颈：竹秆固有曲率和表皮硅蜡沉积严重影响胶合界面，导致加工残渣率高达60%，资源利用效率低下。更严峻的是，当前高性能竹基复合材料主要使用酚醛树脂作为胶粘剂，其固化过程不可避免地产生游离甲醛和游离酚残留，酚浓度超过允许暴露限值3-5倍，不仅导致室内空气质量下降，还构成慢性健康风险。

针对这些问题，Ni Li团队在《Industrial Crops and Products》发表研究，提出创新性的自粘结纳米纤丝化策略，通过超精密粒径优化、初始含水率调控和热压自粘结活化三阶段工艺，成功将竹材残渣升级为高性能工程复合材料。研究采用扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、热重分析(TG)和氮吸附研究等表征技术，系统分析了粒径和初始含水率对复合材料性能的影响机制。实验材料选用湖南桃江竹材科技有限公司提供的毛竹(Phyllostachys pubescens)残渣，通过球磨和振动筛分获得20、40、60和80目四种粒径样品，在160°C、35 MPa压力下热压30分钟制备BBC。

研究结果显示，表面颜色分析表明自粘结过程导致竹粉(BP)明度显著降低，红绿轴和黄蓝轴色度指数变化明显，60目样品颜色最为均匀。水热稳定性测试显示，60目BBC在室温24小时吸水厚度膨胀率仅1.04%，远优于传统人造板；63°C热水浸泡24小时后厚度膨胀约10%，仍显著优于对照组。力学性能方面，60目BBC的硬度达24.2 kgf/mm²，弯曲模量(MOE)6.5 GPa，弯曲强度(MOR)29.5 MPa，分别是传统人造板的2.6倍和1.7倍。通过SEM观察发现，60目BBC纤维呈现高度致密交织结构，无明显间隙；而20目样品则存在大量细微空隙。FTIR分析显示3340 cm^-1处羟基伸缩振动峰增强，表明自粘结过程中形成了更多氢键；1730 cm^-1和1238 cm^-1处半纤维素特征峰强度变化，说明其部分降解促进了自粘结。XRD测定显示BBC结晶度(48.59%)高于原竹(43.96%)，证实热处理促进了纤维素重结晶。TG分析表明BBC在210-400°C阶段失重率(65.3-67.0%)低于BP(68.9%)，热稳定性显著提高。比表面积测试显示60目BP达1.3 m²/g，为反应提供了更多活性位点。

这项研究建立了竹材自粘结行为的工艺-结构-性能关系，不仅为理解木质纤维素自粘结机制提供了理论基础，还为生产无甲醛复合材料开发了可规模化方法。技术实现了竹材残渣100%利用效率，作为可持续材料的变革性解决方案，推动了循环生物经济发展。研究确定的60目粒径和10%初始含水率最优参数，为工业化生产提供了重要参考。自粘结过程中化学键合、木质素熔融和结构互锁等多尺度协同作用，形成了具有交织一体化特征的致密网络结构，这是BBC优异性能的根本原因。该成果对解决我国木材资源短缺、促进竹产业绿色转型具有重要意义，为开发高性能环保建材开辟了新途径。