高强度竹纤维（HSBF）和竹纤维增强环氧复合材料（BFRECs）：树脂预涂层（RPC）处理的制备、拉伸性能及防水效果

《Industrial Crops and Products》：High-strength bamboo fiber (HSBF) and bamboo fiber reinforced epoxy composites (BFRECs): Preparation, tensile performance and water-proof effect of resin precoating (RPC) treatment

竹纤维增强环氧复合材料（BFRECs）的制备与性能优化研究。通过氢氧化钾处理提取高强竹纤维（HSBF），并采用环氧树脂预涂层（RPC）改善其防水性。实验表明，RPC处理使HSBF吸水率降低40%，经沸水处理后BFRECs tensile strength为628 MPa，Young’s modulus为62.4 GPa，性能优于多数生物复合材料，接近低等级合成纤维复合材料水平。

　　本研究探讨了竹纤维（Bamboo Fiber, BF）作为天然纤维的潜力，特别是通过一种高效的提取方法获得的高强度竹纤维（High-Strength Bamboo Fiber, HSBF）以及通过树脂预涂（Resin Precoating, RPC）技术提高其防水性能。竹纤维因其丰富的原材料、低成本、可持续性和环保特性，被认为是一种极具前景的天然纤维。然而，由于其天然的亲水性，竹纤维在潮湿环境中容易吸水，从而影响其机械性能和使用寿命。因此，如何提升竹纤维的耐水性，成为研究其在复合材料应用中的关键问题。

### 竹纤维的结构与特性

竹纤维是竹子内部的纤维束，其结构呈现为空心圆柱体，内侧由多个隔膜（即竹节）分割成不同的区域。竹子属于禾本科竹亚科，生长速度极快，每天可增长1米，甚至可达30米。其生态特性包括无需重新种植、无需肥料和农药，以及不需要专业人员维护，因此被视为全球最可持续的资源之一。竹纤维的主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素，其中纤维素是其主要的增强材料，而木质素和半纤维素则作为基质，容易导致吸水性。

在提取过程中，通过化学方法去除木质素和半纤维素，保留纤维素作为主要成分，形成高强度竹纤维（HSBF）。这种纤维的直径范围在0.06毫米至0.32毫米之间，主要集中在0.12毫米至0.18毫米之间。其平均拉伸强度为1.27±0.063 GPa，弹性模量为72.6±4.9 GPa。这些数值表明，HSBF在强度和模量方面远超普通天然纤维，甚至接近合成纤维（如碳纤维和玻璃纤维）的性能水平。

### 防水处理方法：树脂预涂（RPC）

为了提高竹纤维的防水性能，研究引入了一种简单的树脂预涂（RPC）处理方法。RPC处理通过将高粘度环氧树脂（未加固化剂）与丙酮混合，形成一种可流动的溶液，并将其涂覆在纤维表面。这种处理方式可以在纤维表面形成一层防水膜，从而减少其吸水能力。实验结果表明，RPC处理可以将竹纤维的吸水率降低约40%。尽管这种处理不能完全阻止湿热循环对纤维性能的影响，但可以有效减缓其损害程度。

在湿热循环测试中，竹纤维经历了多次吸水和干燥的过程，测试其拉伸性能的变化。结果显示，未经处理的竹纤维（HSBF-C）在经过3次、7次和11次循环后，其拉伸强度分别下降了32%、39%和48%，而弹性模量则分别下降了33%、37%和40%。相比之下，经过RPC处理的竹纤维（HSBF-R）在相同条件下，其拉伸强度和弹性模量的下降幅度较小，且两者之间的差距逐渐扩大。这表明RPC处理虽然不能完全防止湿热循环带来的负面影响，但能够显著缓解其对纤维性能的损害。

### 竹纤维增强环氧复合材料（BFRECs）的性能

研究进一步将HSBF用于制备竹纤维增强环氧复合材料（Bamboo Fiber Reinforced Epoxy Composites, BFRECs），并测试其拉伸性能。结果表明，BFRECs的平均拉伸强度为628 MPa，弹性模量为62.4 GPa，这一数值超过了大多数其他生物复合材料，达到了低等级合成纤维增强复合材料的水平。此外，RPC处理对BFRECs的防水性能也有显著提升。在沸水处理后，HSBF-R增强的BFRECs表现出比HSBF-C增强的复合材料更强的拉伸性能，表明RPC处理能够有效提高复合材料在潮湿环境下的耐久性。

### 竹纤维与合成纤维的比较

在与其他天然纤维和合成纤维的比较中，HSBF在拉伸强度和弹性模量方面表现突出。例如，与常见的天然纤维（如亚麻、黄麻、剑麻、棉、油棕等）相比，HSBF的拉伸强度和模量均更高。在合成纤维方面，HSBF的性能接近碳纤维和玻璃纤维，而优于聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯（PP）和尼龙纤维。尽管PVA纤维在某些水泥基材料中表现出良好的延展性，但其强度和模量远低于HSBF，这使得HSBF在需要高强度和高模量的工程材料中更具优势。

此外，HSBF在强度与重量比、模量与重量比方面也表现出色，远超其他天然纤维和部分合成纤维。这表明HSBF不仅具有良好的机械性能，还具备较高的可持续性和较低的能耗和成本。因此，HSBF被认为是替代传统合成纤维的一种有潜力的材料。

### 防水处理对复合材料性能的影响

在制备BFRECs时，研究发现RPC处理虽然能提高纤维的防水性能，但也会导致纤维尺寸增大和质量增加，从而减少纤维的使用量。同时，由于RPC处理后的纤维在干燥过程中环氧树脂可能硬化，导致其与环氧基体之间的结合力减弱，进而影响复合材料的整体性能。尽管如此，RPC处理后的BFRECs在沸水处理后仍表现出比未处理的复合材料更好的拉伸性能，说明防水处理有助于维持复合材料在潮湿环境下的性能。

### 应用前景与意义

本研究成功结合了高效的HSBF提取方法和RPC处理技术，提升了纤维的防水性能和机械性能，从而增强了HSBF和BFRECs在工程领域的应用潜力。HSBF和BFRECs的优异性能使其在建筑、汽车制造、电子工业和绝缘材料等领域具有广泛的应用前景。特别是在需要高机械性能和良好耐水性的户外结构部件（如桥梁、道路面板、隧道衬砌等）中，HSBF和BFRECs能够发挥重要作用。

### 结论

总体而言，本研究展示了HSBF在提取工艺和防水处理方面的创新，以及其在复合材料中的卓越性能。通过优化提取方法和引入RPC处理技术，HSBF不仅能够保持其高强度和高模量，还能有效减少吸水率，从而提高其在潮湿环境下的耐久性。这些发现为竹纤维在工程领域的应用提供了重要的理论支持和实践指导，也为开发更加环保和可持续的复合材料提供了新的思路。