水介导的自粘合实现了高强度且可再加工的无粘合剂竹基复合材料

《Sustainable Materials and Technologies》：Water-mediated self-bonding enables strong and reprocessable binderless bamboo composites

　　

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  提出了一种绿色、环保的自粘结策略。
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  水分子被用作热传递介质和界面活化剂。
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  揭示了水酸度和硬度对BSC的影响。
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  BSC具有优异的机械性能和可再加工性。

引言

随着对资源枯竭和环境污染的日益关注，可持续性已成为先进材料开发中的关键考量。竹子作为一种快速生长的可再生生物质，凭借其三到五年的短生长周期、高比强度和低密度等特征，正受到越来越多的研究关注[1]。因此，竹子及其衍生产品具有巨大的潜力，可被加工成各种结构形式，广泛应用于绿色建筑、家具制造和汽车部件等领域[2]。

尽管竹子具有上述优势，天然竹子的工业利用率仍然受到根本性限制。其圆柱形茎秆呈现梯度纤维分布，维管束在薄壁髓细胞的薄壁基质中不均匀分布，使得提取均匀的加工单元变得困难[3]，[4]。此外，加工残余物和细小径竹子材料往往未能得到充分利用，导致资源利用效率低下[5]，[6]。将这些利用不足的残余物转化为工程复合材料，是实现资源全面增值的可行途径。然而，传统竹复合材料严重依赖合成热固性粘合剂，如脲醛树脂和酚醛树脂。这些粘合剂固化后形成不可逆的高度交联网络，在温和条件下难以分解。因此，石油基粘合剂释放的挥发性有机化合物（VOCs），特别是具有毒性的甲醛，对人类的身体健康和生态安全构成威胁，引发了对这类材料长期环境兼容性的担忧[7]。

为了解决合成树脂的局限性，竹子自粘结策略作为一种环保方法应运而生，用于制造高性能无粘合剂板材。迄今为止，研究主要集中于优化关键工艺参数，如热压温度、初始含水率和颗粒粒径[8]，[9]，[10]。然而，水在复合材料形成过程中作为加工介质的作用尚未得到充分关注。在热压过程中，水分子充当木质素和半纤维素的全能增塑剂，促进氢键的动态重组。关键水质参数，特别是酸度（pH值）和硬度（Ca²⁺和Mg²⁺浓度），对接界自粘结结构的具体影响尚不清楚。现有文献表明，酸性条件可催化纤维素中糖苷键的水解，而碱性环境则促进木质素的溶解。例如，Ren[11]等人证明了碱处理对于增强黄杨木自粘结复合材料的机械性能和疏水性至关重要。类似地，Ge[12]等人报道引入Mg²⁺可与羧甲基化竹纤维形成配位键，从而提高结构完整性。

尽管有这些研究，传统方法通常依赖化学改性或过量添加金属阳离子和pH缓冲剂。在工业化生产中，原水水质波动较大。为保持复合材料质量的稳定性，传统工艺需要持续添加化学改性剂、螯合剂和pH缓冲剂。这种依赖性不仅大幅增加了原料成本，还极大地提高了后续废水处理的经济负担和复杂性，严重削弱了制造工艺的经济可行性和实际可扩展性[13]。

针对性能不稳定和废水处理成本高的双重挑战，本研究提出了一种可持续的无粘合剂策略，利用水分子作为热传递介质和界面活化剂。我们系统地阐明了水的酸度和硬度调节自粘结形成过程及决定无粘合剂竹复合材料（BSCs）机械性能的机制。通过精确调节这些水化学参数而不过量添加外加化学品，优化后的BSCs具有优异的内结合强度（IB）、抗弯强度（FS）和抗弯模量（FM）。此外，由于非共价网络（分子间氢键和金属配位相互作用）的动态可逆特性，所得复合材料表现出优异的可再加工性。废弃的BSCs可通过简单的湿法制浆处理高效回收，并与原生纤维重新结合，实现闭环利用，从而最大化经济效益和环境效益。

章节摘要

材料

毛竹（Phyllostachys pubescens）样品采集自中国湖南省沅江市（北纬28.22°–28.68°，东经111.60°–112.32°），由湖南桃沅江科技提供。该地区年平均气温为16.8°C，年降水量为1700毫米。本研究中使用的试剂包括冰醋酸（CH₃COOH，≥99.5%）、碳酸钠十水合物（Na₂CO₃·10H₂O，≥99%）和无水氯化钙（CaCl₂，≥96%），均购自国药化学试剂。

竹自粘结纤维板的制备

BSC的表面形貌与微观结构

SEM表征结果如图2所示。水的pH值和Ca²⁺浓度均显著影响BSC的微观形貌（图2a）。在pH 3.0或pH 11.0条件下，竹纤维表面出现侵蚀和沟槽形成，导致机械性能显著下降。相反，在弱酸性（pH 5.0）或碱性条件（pH 9.0）下，无定形成分的选择性降解产生了浅孔和致密的

结论

本研究采用水介导的自粘结策略，开发了一种坚固、环保的无粘合剂竹复合材料。通过将水同时用作热传递介质和界面活化剂，该方法消除了对有毒合成树脂的依赖。系统研究表明，调节水化学环境显著控制着界面粘结结构。pH 9.0的弱碱性条件最大程度地暴露了活性羟

CRediT作者贡献声明

贾世宽：撰写——初稿、验证、调查、形式分析、数据整理。李兴工：撰写——审稿与编辑、资源、项目管理、资金获取、概念化。郑夏：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法学、资金获取、概念化。周承良：撰写——审稿与编辑、资源、项目管理、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本论文所报告工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金科技创新计划项目（32171882）、湖南省自然科学基金项目（2023JJ31001）和湖南省科技创新计划项目（2021RC4062）提供的资助。

贾世宽|李兴工|郑夏|周承良