红花提取残渣中多糖提取方法的比较研究：结构表征与生物活性评价

《Industrial Crops and Products》：Comparative study on extraction procedures for polysaccharides from safflower post-extraction residue: Structural characterization and bioactivity evaluation

竹纤维增强复合材料性能优化研究。采用氢氧化钠脱胶、过氧甲酸溶出等化学法提取高强度竹纤维（HSBF），直径0.06-0.32mm，平均抗拉强度1.27GPa，杨氏模量72.6GPa，超越多数天然纤维及部分合成纤维。创新性引入树脂预涂层（RPC）技术，使HSBF吸水率降低40%，经12次湿热循环后，HSBF-R复合材料的拉伸强度保留率63%，杨氏模量保留率54%，显著优于对照组。该研究为开发环境友好型工程材料提供了新思路。

　　竹纤维（Bamboo Fiber, BF）作为一种具有广泛前景的天然纤维，因其丰富的原材料、低成本、可持续性和环保特性而受到广泛关注。本研究聚焦于从原始竹材中提取高强竹纤维（High-Strength Bamboo Fiber, HSBF），并引入一种简单的树脂预涂（Resin Precoating, RPC）方法，以提升HSBF的防水性能。通过对水吸收和循环湿热测试的评估，以及将HSBF用于环氧树脂复合材料（Bamboo Fiber Reinforced Epoxy Composites, BFRECs）的制备和测试，研究揭示了RPC处理在提升纤维和复合材料的耐水性和抗拉性能方面的潜力。

### 1. 竹纤维的结构与特性

竹纤维是一种天然纤维，其结构呈现出分层的特性。竹材的茎部为中空结构，内部由多个隔膜（竹节）分隔，形成多个节间（internode）。这些节间是生长枝条的地方，而竹茎的壁层则由许多血管束嵌入于薄壁组织中，分布在壁厚的不同位置。在竹茎的外侧，血管束的分布最为密集，而随着向内层移动，其密度逐渐减少。每个血管束主要由纤维束、石细胞、导管和伴胞组成，其中纤维束由许多具有六边形和五边形结构的原始纤维构成。这些纤维主要由纤维素、半纤维素、木质素和果胶组成。在提取过程中，通过化学处理去除木质素和半纤维素，保留纤维素作为主要的增强材料。

竹纤维因其独特的生态特性而成为一种可持续资源。其生长过程中无需重新种植、无需施肥或使用农药，只需简单的维护即可实现长期生长。这种自然的生长方式使其成为全球范围内最具可持续性的植物资源之一。此外，竹纤维在传统工艺中常用于制造日常生活工具，如竹制家具、竹器等，如今更被广泛应用于复合材料领域，成为一种环保的替代材料。

### 2. 提取高强竹纤维的方法

在本研究中，高强竹纤维的提取采用了特定的化学处理工艺。首先，选取4年生的毛竹作为原材料，其外径约为6厘米，壁厚在0.8至0.9毫米之间，含水率在50%至60%之间。提取过程包括以下步骤：

- **切割竹茎**：将竹茎在竹节之间切割，保留节间部分。
- **去除外皮**：通过去除竹茎表面的硬皮，促进化学溶液的快速扩散。
- **初步煮沸处理**：将去皮后的竹茎置于100℃的沸水中煮沸1小时，以去除可溶于水的有机物质和空气。
- **化学处理**：将氢氧化物溶液与甲酸溶液按1:1的摩尔比例混合，并加入1%的浓硫酸作为催化剂，最终稀释至50%的体积浓度。
- **浸泡与加热**：将煮沸后的竹茎浸入上述化学溶液中，并在50℃下加热28小时，以去除木质素和半纤维素。
- **后续清洗与干燥**：通过浸泡在0.5%的氢氧化钠溶液中进一步去除残留的木质素和半纤维素，然后用去离子水清洗并自然晾干。

这种提取方法有效去除了竹纤维表面的木质素，使得纤维表面呈现出较为干净的状态。此外，该方法还保留了纤维的微观结构，使得纤维素微纤维紧密排列，从而提升了纤维的机械性能。

### 3. 树脂预涂（RPC）处理及其作用

为了进一步提高竹纤维的防水性能，研究团队引入了一种简单的树脂预涂（RPC）方法。该方法通过将干燥的HSBF浸入由环氧树脂和丙酮按2:8的比例配制的树脂溶液中10秒，随后在60℃的烘箱中干燥2小时。这样处理后的纤维称为RPC组（HSBF-R），而未经处理的纤维称为对照组（HSBF-C）。RPC处理后，纤维表面覆盖了一层树脂膜，从而减少了其对水的吸收。

通过水吸收测试和循环湿热测试，研究人员发现RPC处理能够显著降低HSBF的吸水率。具体来说，HSBF-R的吸水率比HSBF-C降低了约40%。尽管RPC处理无法完全阻止循环湿热对纤维性能的负面影响，但其在一定程度上减缓了这种影响，使得纤维在反复吸水和干燥后仍能保持较好的抗拉性能。在循环湿热测试中，HSBF-R在经历3次、7次和11次湿热循环后，其抗拉强度分别下降了32%、39%和48%，而HSBF-C的下降幅度则更大。这表明RPC处理在提升纤维的耐水性方面具有显著效果。

### 4. HSBF的抗拉性能分析

通过抗拉测试，研究人员发现HSBF的平均抗拉强度为1.27 ± 0.063 GPa，弹性模量为72.6 ± 4.9 GPa。这些数值远高于普通天然纤维，如亚麻、黄麻、剑麻等，并且接近合成纤维如碳纤维和玻璃纤维的性能。与合成纤维相比，HSBF在强度、比强度、可持续性、能耗和成本等方面表现出更优的综合性能。

此外，HSBF的直径分布范围较广，从0.06毫米到0.32毫米，主要集中在0.12毫米至0.18毫米之间。这表明HSBF的直径对机械性能有重要影响，较小直径的纤维通常具有更高的强度和模量。这一现象在天然纤维和合成纤维中都普遍存在，主要是由于小尺寸纤维的缺陷较少，从而提升了其整体性能。

### 5. HSBF-R在BFRECs中的应用

将RPC处理后的HSBF用于环氧树脂复合材料的制备，研究团队成功制造了BFRECs。通过测试，这些复合材料的平均抗拉强度为628 MPa，弹性模量为62.4 GPa，其性能优于许多其他生物复合材料，并且达到了低等级合成纤维增强复合材料的水平。这一结果表明，HSBF在复合材料领域具有巨大的应用潜力。

然而，在经过沸水处理后，HSBF-R制成的BFRECs的抗拉强度和弹性模量略低于HSBF-C制成的复合材料。这主要是因为RPC处理使得纤维体积增大，导致纤维含量减少，同时树脂在干燥过程中变硬，与环氧树脂之间的结合力减弱。尽管如此，经过沸水处理后，HSBF-R制成的复合材料仍表现出更好的抗拉性能，表明RPC处理对提高复合材料在湿环境下的性能具有积极作用。

### 6. RPC处理对复合材料耐水性的影响

在实际应用中，复合材料常常需要面对潮湿环境或频繁的水接触。因此，提高其耐水性至关重要。本研究通过沸水测试，模拟了极端的潮湿环境，以评估HSBF和BFRECs在水中的性能变化。结果显示，未经处理的HSBF在沸水处理后，其抗拉强度和弹性模量分别下降了46%和59%。相比之下，RPC处理后的HSBF-R制成的BFRECs在相同条件下，其性能下降幅度较小，分别减少了37%和46%。这表明RPC处理能够有效提升复合材料在潮湿环境下的稳定性。

此外，自然纤维由于其亲水性，容易在潮湿环境中吸收水分，导致纤维膨胀、界面脱粘以及复合材料性能的下降。通过RPC处理，可以显著减少这种影响，从而提高复合材料的使用寿命和可靠性。因此，RPC处理不仅提升了HSBF的防水性能，也对BFRECs的整体性能产生了积极影响。

### 7. HSBF的综合性能评估

为了更全面地评估HSBF的性能，研究团队从多个维度进行了比较分析，包括强度、比强度、可持续性、能耗和成本。结果显示，HSBF在这些方面均优于常见的合成纤维，如碳纤维、玻璃纤维和钢纤维。同时，HSBF的比强度也高于许多其他天然纤维，如亚麻、黄麻、剑麻等。这种优异的综合性能使得HSBF成为一种极具潜力的替代材料，特别是在需要高强度和环保性能的应用领域。

在能耗和成本方面，HSBF的生产过程相对简单，所需的化学试剂和设备较少，因此其能耗和成本都较低。相比之下，许多合成纤维的生产需要复杂的工艺和昂贵的设备，导致其在经济性上不如HSBF。因此，HSBF不仅在性能上具有优势，而且在环保和经济性方面也表现出色。

### 8. 研究的意义与应用前景

本研究通过创新的HSBF提取方法和RPC处理技术，显著提升了竹纤维的防水性能和机械性能。这一成果为竹纤维在复合材料领域的应用提供了新的思路和方法。在实际工程中，竹纤维复合材料可以用于桥梁、道路、隧道等户外结构，这些结构常常面临潮湿和环境应力的挑战。通过RPC处理，可以有效提高这些材料在湿环境下的稳定性，延长其使用寿命。

此外，随着全球对可持续材料的需求不断增加，竹纤维作为一种可再生资源，其应用前景十分广阔。相比于传统的合成纤维，竹纤维不仅具有良好的机械性能，而且在环保和经济性方面也更具优势。因此，未来的研究可以进一步探索如何优化HSBF的提取和处理工艺，以提升其性能并降低成本，使其在更多领域得到应用。

### 9. 研究的不足与未来方向

尽管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些局限性。例如，RPC处理虽然能够有效降低HSBF的吸水率，但无法完全阻止循环湿热对其性能的影响。此外，RPC处理可能会导致纤维体积增大，从而影响复合材料的整体性能。因此，未来的研究可以探索其他表面处理方法，如硅烷偶联剂或纳米填料处理，以进一步提升HSBF的防水性能和界面结合强度。

另外，HSBF的直径分布较为广泛，这可能会影响其在复合材料中的均匀分布和性能表现。因此，未来的研究可以关注如何优化纤维的提取和处理工艺，以获得更均匀的纤维直径，从而提升复合材料的整体性能。

### 10. 结论

本研究成功提取了高强竹纤维（HSBF），并引入了一种简单的树脂预涂（RPC）处理方法，以提升其防水性能。通过水吸收测试和循环湿热测试，研究人员发现RPC处理能够显著降低HSBF的吸水率，同时减缓湿热循环对其性能的负面影响。此外，HSBF制成的复合材料（BFRECs）表现出优异的机械性能，其抗拉强度和弹性模量均高于许多其他生物复合材料，甚至接近低等级合成纤维增强复合材料的水平。

综上所述，HSBF及其RPC处理后的形式在提高材料的耐水性和机械性能方面具有显著优势，为竹纤维在复合材料领域的应用提供了新的可能性。未来的研究可以进一步优化提取和处理工艺，以提升HSBF的性能，并探索其在更多工程领域的应用。