南京林业大学韩善宇副教授等相关研究团队ACS Applied Polymer Materials：脱木质素致密化协同硅酸钠浸渍，构筑高强度、超疏水、阻燃、抑烟多功能竹材
论文摘要
金属碳化物和石油基复合材料具有优异的力学性能，但不可再生、价格昂贵且在生产过程中消耗大量能源。为解决这些挑战，本研究通过四步工艺将天然竹材加工成轻质、高强度、阻燃、抑烟和超疏水的功能材料。这些增强性能归因于涉及脱木质素、热压干燥致密化、室温冷压成型以及硅酸钠真空浸渍的多步处理工艺。功能竹材的抗拉强度、冲击韧性和疏水性分别比天然竹材提高了1.95倍、5.60倍和2.61倍，其总热释放量和总烟释放量分别仅为天然竹材的1/4和1/8。功能竹材的力学性能、疏水性和阻燃性归因于热压和室温冷压形成的紧密交织致密结构。二氧化硅在竹纤维表面形成具有微沟槽和纳米颗粒的双尺度粗糙薄膜。燃烧过程中硅酸钠快速分解为二氧化硅和水蒸气，增加了热量吸收，并在竹子表面形成屏障。本文报道的功能竹材代表了一种环境友好的生物质材料，可应用于建筑和交通工程领域。
图文解读
图1. 高强度、阻燃、超疏水功能化竹材的制备流程示意图。
本图示意了通过四步工艺制备功能化竹材的完整流程：首先将天然竹材进行脱木质素预处理，去除部分木质素和半纤维素，形成多孔结构；随后进行热压干燥致密化，使竹材在高温高压下固结形成紧密交织结构；接着进行室温冷压成型，进一步提高致密性；最后通过真空浸渍将硅酸钠溶液注入竹材内部，固化后得到高强度、阻燃、超疏水的功能化竹材。
图2. 天然竹材、脱木质素竹材、致密化竹材和功能竹材的化学组成与微观结构变化。(a) 天然竹材和功能竹材的FTIR谱图；(b) 天然竹材和功能竹材的结晶度；(c) 天然竹材和功能竹材的化学成分变化；(d) 天然竹材横截面SEM图像；(e) 天然竹材纵截面SEM图像；(f) 脱木质素竹材横截面SEM图像；(g)脱木质素竹材纵截面SEM图像；(h) 致密化竹材横截面SEM图像；(i) 致密化竹材纵截面SEM图像；(j) 功能竹材横截面SEM图像；(k)功能竹材纵截面SEM图像。
FTIR分析表明，木质素和半纤维素的去除导致特征吸收峰变化。XRD显示功能竹材的结晶度指数从天然竹材的38.21%提高至47.62%。化学成分分析表明，功能竹材的纤维素含量提高13.2%，半纤维素和木质素含量分别降低47.7%和64.8%。SEM图像显示，脱木质素后薄壁细胞塌缩收缩，出现多尺度空隙和裂隙；热压和冷压后形成紧密交织的致密结构；硅酸钠浸渍后在表面形成保护层。
图3. 天然竹材和功能竹材的物理与力学性能。(a) 拉伸测试示意图；(b) 抗拉强度；(c) 拉伸模量；(d)弯曲测试示意图；(e) 弯曲强度；(f) 弯曲模量；(g) 布氏硬度；(h) 密度；(i) 静态水接触角；(j) 不同磨损次数后的水接触角；(k) 样品厚度膨胀率；(l) 样品宽度膨胀率；(m) 功能竹材疏水机理示意图。
功能竹材的抗拉强度达348.3 MPa（提高95.0%），拉伸模量18.5 GPa（提高36.1%）；弯曲强度261.2 MPa（提高132.0%），弯曲模量15.2 GPa（提高65.2%）；布氏硬度13.0 HB（提高81.8%）；密度1.05 g/cm³（提高101.9%）。静态水接触角达121.1°，比天然竹材（46.4°）提高约2.61倍，100次磨损循环后仍保持112.3°。厚度膨胀率和宽度膨胀率分别为8.92%和4.43%，远低于天然竹材（22.28%和10.07%）。
图4. 天然竹材和功能竹材的动态摆锤冲击测试及主要破坏过程同步成像。(a) 冲击载荷；(b) 冲击韧性；(c) 冲击位移；(d, e) 天然竹材和功能竹材的动态破坏过程高速照片；(f, g) 冲击载荷下天然竹材和功能竹材的断裂机理图。
功能竹材的冲击强度和冲击韧性分别为49.8 kJ/m²和3.37 kJ/m²，比天然竹材（13.0 kJ/m²和0.60 kJ/m²）分别提高3.8倍和5.6倍。高速摄像显示，天然竹材在冲击载荷下发生脆性断裂，裂纹快速扩展；而功能竹材展现出更好的抗裂能力和能量耗散特性。
图5. 天然竹材和功能竹材的燃烧特性。(a) 热释放速率随时间变化；(b) 总热释放量随时间变化；(c) 有效燃烧热随时间变化；(d) CO释放量与时间关系；(e) CO₂释放量与时间关系；(f) 质量损失率；(g) 产烟速率与时间关系；(h) 总烟释放量与时间关系；(i) 消光面积与时间关系。
锥形量热仪测试表明，功能竹材的引燃时间从天然竹材的25 s延长至130 s；热释放速率峰值从232 kW/m²降至54 kW/m²；总热释放量从16 MJ/m²降至4 MJ/m²（仅为天然竹材的1/4）。CO和CO₂峰值释放量分别为0.008 kg/kg和0.042 kg/kg，为天然竹材的50%和51%。质量损失率从48.2%降至21.6%。产烟速率峰值从0.13 m²/s降至0.07 m²/s，总烟释放量从1.28 m²降至0.16 m²（仅为天然竹材的1/8）。
图6. (a-c) 25、30、35 kW/m²辐照强度下样品的HRR值；(d) 功能竹材燃烧后SEM图像；(e) 功能竹材燃烧后EDS图像；(f) 功能竹材燃烧后残留率；(g) 功能竹材阻燃抑烟机理示意图。
在不同低热辐照条件下，功能竹材的峰值热释放速率均显著低于天然竹材。燃烧后功能竹材表面形成连续致密的炭层，硅元素均匀分布，残留率达56.2%。阻燃抑烟机理为：脱木质素增加孔隙率促进硅酸钠均匀负载；燃烧时硅酸钠吸热脱水分解为二氧化硅和水蒸气，形成致密硅质炭层，提供隔热隔氧屏障，同时水蒸气稀释可燃气体。
研究结论
综上所述，本研究通过脱木质素预处理、热压干燥、室温冷压成型和硅酸钠真空浸渍四步工艺，成功将天然竹材转化为轻质、高强度、超疏水、阻燃和抑烟的功能材料。与天然竹材相比，功能竹材的力学性能、疏水性和阻燃性均得到显著提升。其抗拉强度和模量分别提高95.0%和36.1%，冲击强度和韧性分别提高3.8倍和5.6倍；疏水性提高2.61倍；总热释放量和总烟释放量分别为天然竹材的1/4和1/8。木质素和半纤维素的去除增加了空隙和裂纹，高温热压和室温冷压使竹材原位固结形成紧密交织的致密结构，高压缩比显著减少了纤维间空隙，赋予功能竹材优异的力学性能。硅酸钠浸渍后原位析出的无定形SiO₂纳米粒子均匀嵌入竹纤维表面，形成具有微沟槽和纳米颗粒的双尺度粗糙结构SiO₂薄膜，赋予功能竹材优异的疏水性。燃烧过程中硅酸钠快速分解为二氧化硅和水蒸气，增加热量吸收，隔离氧气和热量，在竹子表面形成二氧化硅层，抑制热分解并减少挥发性化合物释放，共同构成功能竹材的阻燃抑烟机制。
相应的成果以“High-Strength, Superhydrophobic, Flame-Retardant, and Smoke-Suppressing Functionalized Bamboo”为题发表在ACS Applied Polymer Materials上，论文的通讯作者为南京林业大学韩善宇副教授等。
