小径青皮竹（Bambusa textilis）高性能防霉竹纤维复合材料的设计与性能评价

《Forests》：Engineering High-Performance and Mold-Resistant Bamboo Fiber-Based Composites from Small-Diameter Bambusa textilis

　　

小径竹是用于户外建筑高性能复合材料的一种有前景的原材料。本研究旨在比较青皮竹（Bambusa textilis，BT）与慈竹（Bambusa emeiensis，BE）的原料竹材特性，评估BT复合材料的加工条件，并考察其防霉性能与尺寸稳定性。BE作为原料表征的参照，并用于选定的抗弯性能对比。所测试的BT原料具有更密集的维管束分布和更高的单纤维拉伸性能。在目标密度1.35 g/cm3、酚醛树脂（PF）加载量10%的条件下，BT复合材料的抗弯强度达到324 MPa，而BE仅为234 MPa；抗弯模量为33 GPa，拉伸强度为358 MPa。经18天室温浸水后，厚度膨胀率为3.3%，吸水率约为16%。在另一组BT试验系列中，于1.20 g/cm3密度和20% PF条件下，21%标称CMIT/MIT配方保留量可完全抑制可可球二孢（Botryodiplodia theobromae）在两个评估面上的可见生长，并抑制黑曲霉（Aspergillus niger）在正面的生长；侧面黑曲霉覆盖面积在第28天为35%。上述结果支持进一步开发兼具高强度与改善防霉性能的BT复合材料。

小径青皮竹高性能防霉竹纤维复合材料研究解读

一、研究背景与意义

竹材因其生长迅速、可再生性强以及较高的比力学性能，在建筑材料研究中受到日益广泛的关注。然而，原竹竹秆直接作为结构用材受到其空心几何形态、显著的各向异性、尺寸变异性大以及对水分和生物降解敏感等限制。这些局限推动了工程竹材产品的发展，其中竹纤维基复合材料（BCs，又称竹重组材或竹集成材）能够将分散的竹秆组织转化为致密的树脂胶合材料，具有原料利用率高、强度高等优点，适用于建筑和地板应用，但其吸湿响应和长期力学性能仍是产品开发中需要重点关注的问题。

竹纤维复合材料的性能既受加工参数影响，也取决于原料竹材的特性。维管束和纤维鞘的分布影响载荷传递、强度和弯曲行为；细胞壁组成及纤维与薄壁细胞的比例影响吸湿性和尺寸变化。在复合材料制造过程中，这些解剖学和化学特征与纤维化、树脂浸渍和致密化相互作用，最终决定材料性能。因此，筛选合适的竹种是开发高性能户外用竹纤维复合材料的重要环节。

目前，慈竹（Bambusa emeiensis，BE）已被用于制造工程竹重组材，而小径青皮竹（Bambusa textilis，BT）因其优良的纤维特性和可利用的资源基础受到关注。已有研究主要关注BT的竹秆解剖学及原料物理力学性质，而本研究将BT原料特性与其复合材料加工和性能联系起来，以BE作为选定参照，评估了酚醛树脂（PF）胶合工艺路线在该小径薄壁资源上的适用性，并通过密度与树脂加载量系列试验以及独立的防腐剂系列试验，为开发BT复合材料提供了互补证据。

二、主要技术方法

研究人员采用了多种表征手段对原料竹材进行对比分析，包括化学组成分析（按美国国家可再生能源实验室方法）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、动态水蒸气吸附（DVS）以及单纤维拉伸测试（每种40个纤维试样）。复合材料制备采用酚醛树脂浸渍和热压工艺，BT系列目标密度为0.90、1.05、1.20和1.35 g/cm³，PF加载量为10%和20%；防霉系列采用商业CMIT/MIT配方处理，标称保留量为13%、21%和26%。力学性能测试包括拉伸、弯曲、压缩和剪切试验，水热稳定性测试包括沸水/干燥循环和18天室温连续浸水试验，防霉试验参照GB/T 18261-2013标准分别对黑曲霉（Aspergillus niger）和可可球二孢（Botryodiplodia theobromae）进行28天独立暴露试验。原料来源：BT采自中国广东省广宁县，4–5年生；BE来自中国四川省乐山市，5年生。

三、研究结果

3.1 原料竹材的微观结构与单纤维拉伸性能

通过扫描电镜观察和单纤维拉伸测试，研究人员发现BT的维管束密度为4.82 mm^-2，高于BE的3.68 mm^-2。BT的导管开口更小，纤维鞘区域更致密。单纤维拉伸测试表明，BT纤维的表观拉伸强度约为1000 MPa，拉伸模量超过25 GPa，而BE纤维分别约为850 MPa和17 GPa。更高的纤维力学性能和更密集的维管束分布为BT作为增强材料提供了基础。

3.2 原料竹材的化学组成、吸湿特性与晶体结构

化学分析显示，BT的纤维素含量为44.5%，高于BE的42.5%；半纤维素含量分别为19.1%和19.2%，木质素含量分别为29.8%和30.2%。更高的纤维素含量与BT更高的纤维强度和刚度一致。FTIR光谱显示两种竹材具有相同的主要化学成分。XRD分析表明两者均为纤维素I型晶体结构，结晶度指数分别为57.45%（BT）和57.17%（BE），差异仅为0.28个百分点。DVS测试显示两种竹材的吸湿等温线几乎重合，在P/P₀ = 0.95时吸附量分别为218.29 mg/g（BT）和219.46 mg/g（BE）。

3.3 竹纤维复合材料的力学性能

随着目标密度从0.90增加到1.35 g/cm³，BT复合材料的力学性能总体提升。在10% PF条件下，拉伸强度从约156 MPa提高到358 MPa，弯曲强度从236 MPa提高到324 MPa。然而，更高的PF加载量并未持续改善所有力学性能：在1.35 g/cm³密度下，10% PF的弯曲模量约为33 GPa，而20% PF为30 GPa。在选定的1.35 g/cm³和10% PF条件下，BT复合材料的弯曲强度为324 MPa，比BE复合材料的234 MPa高出约38%。断裂形貌观察显示，BE复合材料呈现相对局部的断裂，而BT复合材料表现出更广泛的纵向劈裂和不规则断裂路径，表明BT复合材料具有更分散的断裂过程。

3.4 水热响应与尺寸稳定性

经过28小时沸水/干燥循环后，吸水率随目标密度从0.90增至1.35 g/cm³而显著降低，这与更致密结构中可及空隙体积减小一致。厚度膨胀率并非随密度持续降低，而是在1.20 g/cm³附近达到最小值，在1.35 g/cm³时略有增加，这可能与吸湿膨胀和致密化过程中引入应力的释放有关。20% PF组的厚度膨胀率低于10% PF组，表明树脂加载量在约束尺寸变化方面的重要作用。选定的1.35 g/cm³、10% PF复合材料经18天室温连续浸水后，厚度膨胀率为3.3%，吸水率约为16%。动力学分析表明，第1–4天的早期吸水数据符合幂律模型（k = 0.326，n = 0.430，R² = 0.991），指数小于1描述了逐渐降低的吸水速率。

3.5 复合材料的防霉性能

未经处理的试样在28天内被两种真菌快速定殖，正面覆盖率达95%，侧面达100%。13%保留量处理降低了正面生长但侧面保护不均。21%保留量提供了最佳的综合响应：可可球二孢在两个评估面上均无可见生长，正面黑曲霉也无可见生长，但侧面黑曲霉覆盖率为35%（2级）。26%保留量虽然对可可球二孢同样有效，但黑曲霉正面覆盖率达40%、侧面达56%，并未提供更强的黑曲霉防护。结果表明，提高保留量并不必然增强防霉效果，改善防护均匀性比单纯增加处理量更为重要。

四、结论与讨论

本研究证实，所测试的小径BT材料通过酚醛树脂浸渍和致密化可制备出力学性能优异的复合材料。在1.35 g/cm³目标密度和10% PF条件下，弯曲强度达324 MPa，高于BE参照的234 MPa；18天浸水后厚度膨胀率为3.3%。在1.20 g/cm³和20% PF条件下，21%标称CMIT/MIT保留量改善了实验室防霉性能，但侧面仍存在黑曲霉生长（35%覆盖率，2级）。解剖学和纤维层面的观察支持所测试BT材料的增强潜力，但有限的原料表征重复性不足以确立物种层面的化学或吸湿差异。这些结果确定了生产高性能BT复合材料的有前景的加工条件。研究还指出，小径BT薄壁竹秆在劈裂和纤维化过程中需要特别控制，设备适应性改进可能提高一致性；经济可行性、树脂和防腐剂消耗、能源、周期时间、质量控制及验证的使用寿命等均需在确立成本优势前加以考虑。