中國林科院木工所以竹代塑材料研究取得新突破

2025-05-16   來源：中國林科院

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中國林科院木工所科研團隊通過創(chuàng)新性地多尺度界面工程技術(shù)來實現(xiàn)竹材的解構(gòu)和再重組，將竹材變身為高強度、可變形和生物降解的竹纖維素基結(jié)構(gòu)材料，其綜合性能超越傳統(tǒng)石油基塑料。

科研人員首先將竹材解構(gòu)成纖維束，再通過改性和氧化處理，分別獲得帶正電荷的長纖維（Q-Fiber）和帶負電荷的羧基化纖維素納米纖維（CCNF）。利用靜電吸引原理實現(xiàn)纖維自組裝，并通過引入鈣離子構(gòu)建離子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合熱壓成型技術(shù)，形成具有氫鍵網(wǎng)絡(luò)和離子交聯(lián)的雙重穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。該工藝實現(xiàn)了材料尺寸的精確調(diào)控，構(gòu)建出無須外加黏合劑的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將竹材變身為可變形、抗沖擊性強、硬度高、熱穩(wěn)定性佳、生物可降解以及優(yōu)異力學(xué)性能的可持續(xù)纖維素基結(jié)構(gòu)材料。

實驗數(shù)據(jù)顯示，添加1% CCNF制備的竹纖維素基材料性能優(yōu)勢顯著，與石油基塑料各項性能的均值相比，其沖擊強度提升了2.8倍，硬度提高了1.2倍，比強度增強了4倍；而且，多尺度材料的熱膨脹系數(shù)極低，熱穩(wěn)定性極佳，加工性能優(yōu)越，能夠輕松塑形；掩埋360天后，材料大量降解，對環(huán)境的友好程度遠超塑料。

生命周期評價結(jié)果表明，在所調(diào)查的環(huán)境影響類別中，多尺度的竹基纖維素材料均優(yōu)于傳統(tǒng)的石油基塑料，是降低碳足跡的有力候選者。通過改變纖維的鋪裝方式，能夠?qū)⒉牧系男阅軓母飨虍愋赞D(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲裕@為纖維素基材料代替塑料的應(yīng)用提供了更大的靈活性和可能性。

該研究突破性地解決了竹材應(yīng)用中力學(xué)性能離散性大、界面結(jié)合弱、尺寸穩(wěn)定性等技術(shù)瓶頸，為竹資源替代不可降解塑料提供了完整的理論支撐和技術(shù)方案。隨著工藝優(yōu)化和產(chǎn)業(yè)化推進，這類可定制化、全降解的纖維素基材料有望在精密儀器制造、環(huán)保包裝、綠色建筑等領(lǐng)域形成規(guī)?；瘧?yīng)用，為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)開辟新的技術(shù)路徑。

該研究成果論文發(fā)表在Small期刊。北京林業(yè)大學(xué)與中國林科院木工所聯(lián)合培養(yǎng)的碩士研究生胡娟為第一作者，木工所副研究員黃宇翔為通訊作者。

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